Как выбрать правильный импеллер для своей культуры?

При выращивании микроорганизмов или культур клеток в биореакторе с мешалкой выбор типа импеллера является критичным для успеха процесса. Если выбрать мешалку неправильно, можно порвать гифы грибов и не получить целевого вещества. Если выбрать импеллер верно, можно значительно повысить выход капризных клеток культур млекопитающих, таких как CHO и Vero.

Когда выбор столь широк, как решить, какой импеллер лучше всего подойдет для вашей задачи?

Мы опишем шесть самых распространенных типов импеллеров для ферментеров и биореакторов, объясним, как они работают и определим, какой тип покажет себя лучше других при культивировании определенных культур клеток (млекопитающих, насекомых, растений), дрожжей и бактерий.

Как ориентация лопастей влияет на смешивание?

Все импеллеры предназначены для гомогенного перемешивания клеток, газов и питательных веществ в культуральной жидкости. Перемешивание обеспечивает доставку кислорода и питательных веществ равномерно во все клетки для здорового роста культуры, препятствует их осаждению на дно сосуда и помогает поддерживать равномерную температуру. В зависимости от выбранного типа импеллера смешивание будет приводить к возникновению радиального потока, осевого потока или их комбинации. 

Как показано на рисунке 1, радиальный поток возникает, когда жидкость отталкивается от оси вала импеллера к стенке сосуда. Осевой поток возникает, когда жидкость подталкивается вверх или вниз вдоль оси вала.

Угол наклона лопастей импеллера и направление его вращения определяют направление осевого потока (вверх или вниз). Поэтому при размещении лопастей на валу мешалки важно знать, в каком направлении будет вращение (по часовой или против часовой стрелки).

Турбина Раштона

Первоначально Раштон называл разработанные им импеллеры «плоско-лопастные турбины». Мешалкой (турбиной) Раштона сегодня называют наиболее распространенным общим термином, применяемым к плоско-лопастным или дисковым турбинным импеллерам (например, рис. 2).

Их лопасти плоские и установлены вертикально вдоль оси вала, что создает однонаправленный радиальный поток. Мешалки Раштона и подобные им обычно используются при культивировании организмов, которые не чувствительны к силам сдвига, таких как дрожжи, бактерии и некоторые грибы.

Импеллеры с наклонными лопастями

Лопасти на таких импеллерах (рис. 3) плоские и установлены под углом ~45°, что создает одновременно осевой и радиальный поток. Эта комбинация обеспечивает лучшее общее перемешивание и обеспечивает более высокую скорость массопереноса кислорода (K_La), чем при использовании однонаправленных импеллеров типа «морской винт».

Импеллеры с наклонными лопастями относятся к типу импеллеров с малым усилием сдвига. Они предназначены для мягкого перемешивания содержимого культурального сосуда без повреждения клеток. Они чаще всего используются с клетками млекопитающих, насекомых или других чувствительных к сдвигу клеточных линий, растущих в суспензии или на микроносителях.

Эти импеллеры часто используются в периодических или полунепрерывных процессах, но их также можно использовать для непрерывных и перфузионных процессов. Из-за низкой силы сдвига при перемешивании импеллеры с наклонными лопастями также широко используются при ферментации, когда имеются культуры с высокой вязкостью, такие как нитчатые бактерии и грибы, а также в некоторых анаэробных биотопливных процессах. 

Мешалка типа «морской винт» (пропеллерная)

Каждая из трех лопастей такой мешалки (рис. 4) является частью правильной винтовой поверхности, имеющий постоянный шаг, равный диаметру пропеллера. Как и импеллеры с наклонными лопастями, мешалки типа «морской винт» используются для тех культур, которые требуют мягкого смешивания без повреждения клеток. Однако из-за однонаправленного потока значения K_La, как правило, несколько ниже, чем у импеллеров, которые производят как осевое, так и радиальное перемешивание.  

Спин-фильтры

Спин-фильтры – это устройства, которые задерживают клетки внутри культурального сосуда во время непрерывного или перфузионного культивирования. Спин-фильтр состоит из экранированной «корзины», которая расположена вокруг вала. Материал «корзины» имеет очень маленькие отверстия, и поэтому она не пропускает клетки внутрь (рис. 5).

Внутри этой вращающейся «корзины» предусмотрена погружная трубка для непрерывного отбора культуральной жидкости. Трубка подачи подпитки, которая открывается в полость биореактора, обеспечивает постоянный приток свежих питательных веществ. Размер пор спин-фильтров обычно составляет от 10 μм (для суспензионных культур) до 75 μм (для культур на микроносителях).

Из-за очень мягкого перемешивания спин-фильтр обычно используют с линиями, зависящими от микроносителей, или теми линиями, которые очень чувствительны к силам сдвига. Этот тип импеллера идеально подходит для использования в производстве секретируемых белков, поскольку культуральная жидкость на выходе из биореактора не содержит клеток, что упрощает ее очистку на этапе downstream.

Однако со временем материал экрана, покрывающего «корзину» спин-фильтра, засоряется клеточным мусором и требует замены. Это ограничивает время культивирования.

Особые импеллеры для культур на микроносителях

Импеллер для подъема клеточных культур

Данный тип импеллера обеспечивает равномерную циркуляцию микроносителей по всему объему биореактора. Это импеллер с ультранизкой силой сдвига; перемешивание обеспечивается тремя выпускными портами, расположенными на валу импеллера. Вращение этих портов создает небольшое отрицательное давление у основания импеллера, поднимая микроносители вверх через трубку и вытесняя их через выпускные порты.

Подача газов происходит через кольцевой барботер, который генерирует пузырьки. Последние в свою очередь проходят вдоль импеллера между внешней частью внутренней трубки и внешней мембраной, известной как аэрационная камера. Сетчатая подкладка на внешней мембране этой клетки имеет достаточно мелкие поры (85 μм), что гарантирует, что клетки, растущие на микроносителях, не смогут пройти сквозь нее.

Газообмен происходит на границе мембрана-культуральная жидкость, поэтому клетки не подвергаются воздействию сил сдвига вследствие разрыва пузырьков. Затем пузырьки вытесняются через два порта (расположенные в верхней части импеллера) во вторую экранированную камеру. Механический пеногаситель направляет воздух, снабженный газовым оверлеем, в аэрационную камеру для разрушения пены.

Импеллер для подъема клеточных культур обычно используются в периодических и полупериодических процессах с использованием чувствительных к сдвигу животных клеток. Они также могут использоваться для непрерывных перфузионных процессов, когда к биореактору добавляют декантирующую колонку (колонки), а также установку подачи и отбора культуральной жидкости.

Импеллеры для биореакторов с наполнителем

Такие импеллеры используются при производстве секретируемых продуктов как из суспензионных культур, так и из культур на микроносителях. Два горизонтально расположенных перфорированных металлических диска, которые прилегаю к стенкам биореактора, образуют «корзину». Между этими дисками расположен наполнитель из полиэстера и полипропилена, который служит опорой для клеток. Клетки, растущие на таком наполнителе, становятся неподвижными и остаются защищенными от внешних сил сдвига в течение каждого цикла культивирования.

Среда циркулирует сквозь полый импеллер с выпускными портами, расположенными над корзиной. Как и в случае с импеллером для подъема клеточных культур, вращение этих выпускных портов создает небольшое отрицательное давление у основания импеллера, что заставляет среду циркулировать по всей системе. Газы доставляются в среду через барботер, расположенный в нижней части внутренней трубки, что защищает клетки от воздействия границы сред газ-жидкость. Это приводит к низкой турбулентности и низкой силе сдвига.

Культивирование в биореакторах с наполнителем позволяет получать исключительно высокую плотность клеток. Такая плотность достигается благодаря высокому показателю отношения площади поверхности к объему.

Общее руководство по выбору импеллера

Конструкции импеллеров почти так же разнообразны, как и типы клеточных линий, для которых они предназначены. В таблице 1 перечислены культуры и клеточные линии, обычно используемые в производстве терапевтических молекул, и для каждой из них отмечены импеллеры, наилучшим образом подходящие для ее роста.

Таблица 1. Общее руководство по выбору импеллера в зависимости от культуры