Из трёх основных вариантов культивирования периодический является самым простым способом. Его главным недостатком является ограниченность контроля культуры, например, скорости роста (рис. 1). Альтернативой первому способу является периодическое культивирование с подпиткой (fed-batch), контролируемое линейным или нелинейным добавлением источника углерода и/или других питательных веществ, что приводит к значительно более высокой объёмной и удельной производительности, поскольку фенотип клетки лучше контролируется (за счёт создания оптимальных условий). Наконец, хемостатная культура и её разновидность – перфузионная культура, которая использует удержание клеток в биореакторе – является наиболее сложным и продуктивным методом культивирования клеток. Наиболее часто в промышленности используется периодическое культивирование с подпиткой, так как оно сочетает в себе безопасность и простоту периодической культуры с высокой производительностью непрерывного культивирования.

Рис. 1. Основные режимы промышленного суспензионного культивирования. 1 – периодическое культивирование без подпитки питательной средой. Подпитка идёт только кислотой или щёлочью для контроля pH. 2 – периодическое культивирование с подпиткой. 3 – перфузионное культивирование.

Биореактор должен быть спроектирован с учётом оптимального тепло-, газо- и массообмена и так, чтобы перемешивание всего объёма среды происходило за наиболее короткое время. В то же время динамическая среда в биореакторе не должна разрушать чувствительные к сдвигу клетки, такие как клетки млекопитающих. Необходимые условия переноса газов и питательных веществ и перемешивания культуральной среды должны при этом выполняться.

Существует 2 наиболее важных аспекта:

1. Суспензионные и адгезивные культуры. Одни культуры растут как одиночные клетки («планктонные»), и они прекрасно себя чувствуют, будучи суспендированными в культуральной среде, а другим культурам нужно прилипать к твёрдым поверхностям или друг к другу.
2. Второй аспект – это то, как питательная среда поддерживается в движении. Это может быть достигнуто механическим перемешиванием, воздухом, подаваемым со дна биореактора, или поддержанием движения питательной среды с помощью насоса или гравитационным потоком в трубчатых или плоских фотобиореакторах, которые используются для фототрофного культивирования микроводорослей.

Перемешивание потоком воздуха в эрлифтных ферментёрах применялось в самом начале работы с клетками животных. Однако некоторые клетки высших организмов были даже чувствительны к пузырькам воздуха. Попытки сохранить беспузырьковую культуральную среду несли с собой серьёзные ограничения. Беспузырьковая аэрация бывает двух вариантов. Первый (более эффективный) – это аэрация через газопроницаемую мембрану. Второй – менее сложный – это простое аэрирование через поверхность культуральной жидкости. Однако процессы смешивания и массопереноса с эрлифтом и (особенно) с беспузырьковым культивированием быстро становятся невозможными при увеличении масштаба. Следовательно, биореактор с постоянным перемешиванием среды (БППС) стал предпочтительным для промышленного культивирования клеток млекопитающих. Конструкция настолько же эффективна, насколько и проста: вращающийся вал с навесным импеллером и/или мешалками любых типов. На рисунке 2 показаны два наиболее важных принципа: биореактор с перемешиванием и эрлифт. Хотя наиболее часто используемым типом биореактора является БППС, для самых крупных масштабов всё ещё используются эрлифтные биореакторы.

Рис. 2. Биореактор с перемешиванием и эрлифт

Преимущество эрлифтного биореактора заключается в том, что и аэрация, и перемешивание осуществляются с помощью газообразной фазы, именно поэтому он является весьма энергоэффективным. С другой стороны, требуются очень большие объёмы стерильного воздуха, и поддержание долгосрочной стерильности – это серьёзная техническая проблема.

Самый большой такой промышленный реактор, когда-либо построенный, предназначался для производства белка одноклеточных организмов (БОО) компанией Imperial Chemical Industries в Биллингеме, Великобритания, с использованием метанола в качестве источника углерода (рис. 3).

Рис. 3. Реактор для производства белка одноклеточных организмов (БОО) компанией «Imperial Chemical Industries» в Биллингеме, Великобритания

Этот эрлифтный биореактор имел высоту 70 м и рабочий объём 2000 м³. Он был установлен в конце 1970-х годов, но с ростом цен на нефть после первого нефтяного кризиса в 1973 году и затем второго в 1979/1980 годах, идея производить дешёвые белковые продукты питания с использованием ископаемых углеводородов как сырья была быстро отброшена, и реактор был выведен из эксплуатации в начале 1980-х годов. Единственное оставшееся производство БОО находится в Биллингеме. Для производства микопротеина на грибах Fusarium venenatum, выпускаемого под торговой маркой «Quorn», используется 40-метровый эрлифтный биореактор.

Аналогичную конструкцию ещё большего масштаба можно найти на очистных сооружениях, построенных компанией Hoechst в Леверкузене, Германия. Многочисленные направляющие потока жидкости, а также форсунки подачи воздуха обеспечивают перемешивание и аэрацию. Конструкция этого реактора «BIOHOCH» объёмом 8000 м³ показана на рис. 4.

Рис. 4. Реактор «BIOHOCH» объёмом 8000 м³

Несмотря на то, что эти особые примеры демонстрируют масштабируемость технологии, и хотя эрлифтные реакторы уже давно используются для чувствительных к сдвигу культур клеток, такая конструкция, как биореактор с постоянным перемешиванием среды (БППС), стала стандартом для суспензионной культуры – и микроорганизмов, и клеток млекопитающих. Его конструкция универсальна, и процесс может быть масштабирован от лабораторного до полупромышленного масштаба и даже до 300 м³ в полностью асептичных стерильных ферментерах.