Поиск
Поиск
В течение 1980-х годов в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе группа Армина Фихтера испытала и сравнила несколько совершенно различных конструкций биореакторов (реактор с постоянным перемешиванием среды (CSTR) и несколько вариантов трубчатых проточных биореакторов). Для сравнения биореакторов была использована референсная ферментация культуры строго аэробных, нечувствительных к глюкозе дрожжей Trichosporon cutaneum на культуральной среде с заданным составом. Процесс неферментативный. Результаты этого исследования иллюстрируют, почему традиционный дизайн биореактора (CSTR) с многоярусной турбинной мешалкой был и остается наиболее широко используемой конструкцией.
Ферментер с постоянным перемешиванием — это полезная и универсальная конструкция практически для всех применений. Он может обрабатывать сильно вязкие культуральные жидкости и обеспечивать высокую скорость переноса кислорода и теплообмена, а также обеспечивает короткое время смешивания. Для чувствительных к сдвигу клеток турбинная мешалка (Раштон) и отбойники заменяются другими импеллерами, например, «морской винт», что приводит к снижению силы сдвига, действующей на клетки.
• Поскольку большой, стерильный и полностью контролируемый биореактор представляет собой значительные капитальные расходы (CAPEX), инвестор предпочитает решение, которое предлагает универсальность и гибкость, особенно в области «белой» (промышленной) биотехнологии, с множеством различных продуктов для различных рынков, производимых с использованием множества различных организмов-продуцентов.
• На сегодняшний день конструкции, резервуары и оборудование для технологии ферментации CSTR широко стандартизированы, а это снижает капитальные и эксплуатационные затраты.
Это дает достаточно оснований для того, чтобы посвятить эту статью суспензионной культуре в закрытых биореакторах, и обсудить конструкцию крупномасштабных аппаратов и эксплуатационные критерии. Однако мы хотели бы обратить внимание на три применения, которые демонстрируют, что существуют интересные ниши, в которых биомасса не обязательно выращивается в стандартных стальных биореакторах.
Первое применение – суспензионная культура генетически модифицированных цианобактерий в трубчатом биореакторе емкостью 4000 л. Бактерии поглощают CO2 для фототрофного производства биотоплива. Данная технология разработана компанией Joule Unlimited, Inc. Два других применения связаны с органами или клетками, нуждающимися в твердом субстрате. Адгезивные клетки можно культивировать в твердофазной ферментации, где они растут на твердой поверхности (неподвижном слое наполнителя внутри биореактора), а питательная среда при таком режиме культивирования просачивается сверху вниз. Этот вариант довольно редко используется в промышленном культивировании (за исключением производства уксуса) и малоизучен.
Однако это также может быть подходящим вариантом для быстрого производства вторичных метаболитов. На рис. 1 показана конструкция для культивирования нитчатых корней растений для получения биологически активных веществ, преимуществом которой является ее простой дизайн. Нитчатые клетки корней растут на твердой полимерной или стальной опоре, что дает высокую продуктивность. Недостатком такой конструкции является в основном ограниченная масштабируемость, что требует параллельной работы нескольких идентичных биореакторов меньшего объема («scaling out»).
|
|
Рис. 1. Культивирование нитчатых корней растений для получения биологически активных веществ
Еще одно применение адгезивного культивирования – стволовые клетки. Стволовые клетки нуждаются в субстрате, к которому они могут прилипать. Традиционно эти клетки культивировали на «матрасах» («T-flask»), позволяя им расти на дне плоского пластикового контейнера, покрытого тонким слоем питательной среды. Чтобы удовлетворить постоянно растущую потребность, были разработаны специальные стеки «матрасов», которые в конечном итоге стали настолько большими, что работа с ними стала очень трудной (рис 2).
Рис. 2. Стек с матрасами (слева) и одноразовый биореактор (каркас для закрепления одноразовых мешков) (справа).
Чтобы удовлетворить потребности в количестве клеток, необходимых для применения в фармацевтике, производители были вынуждены переключиться на культивирование таких клеток на носителях, суспендированных в культуральной жидкости, чтобы массовое производство стволовых клеток стало экономически эффективным. Количества стволовых клеток, которые могут быть произведены и собраны, составляют <10 миллиардов клеток для системы с 10 стеками и <100 миллиардов клеток в больших гипер-стеках. Адгезивное культивирование в биореакторах необходимо для достижения числа клеток >100 миллиардов в каждой партии.
Таким образом, ферментер или биореактор с перемешиванием (CSTR) остается наиболее безопасным подходом для массового производства практически всех клеток, включая стволовые клетки (рис. 3).
Рис. 3. Биореактор БИОТЕХНО 300 литров с перемешиванием
