现代动物细胞培养反应器概述

王洪跃，戴晓云



现代动物细胞培养反应器概述

王洪跃，戴晓云

430060 武汉生物制品研究所（王洪跃）；200122 上海，瑞士比欧公司（戴晓云）

动物细胞在很多方面是不同于原核细胞和真菌的，例如较低的生长率、较高的剪切敏感性以及较低的气泡耐受性，这些特性会对动物细胞生物反应器的设计产生一定的影响。特别是搅拌与通气系统的构造需要满足细胞生长于尽可能优化的罐内环境中。只有实现均质搅拌，才可避免出现温度、pH、基质和产品浓度梯度的情况；同时，产生的减切力必须小于细胞的最高耐受。典型的机械搅拌是通过低速螺旋桨叶轮来实现的。气升式反应器中的气动搅拌，抑或流化床反应器中带外置泵的水力搅拌，也是可以解决细胞培养所需的均质搅拌。为了避免由气泡带来的高泡沫和细胞损坏，可以通过减慢气体流速、表面通气或过膜无泡通气来实现。但是如果减慢了气体流速，就必须增大气流中的氧浓度。氧气、氮气、空气和二氧化碳的最佳供应量可以通过气体流量计进行精确调节。

动物细胞培养可以通过有或无细胞截留的批次、流加和连续培养方式进行。批次培养的特征在于接种后的细胞增长是没有额外培养基的添加。而培养基的限制或有毒代谢物的形成会降低生产率。而我们现在经常用到的流加技术，在接种之后，培养基或其他重要混合物被连续或逐步加入，乳酸盐和铵盐等生长抑制代谢物通过连续技术被转移或稀释，进一步解决了这些问题。但是由于动物细胞的低生长率和低生产率而导致的生产限制，使得带有细胞截留（灌流系统）的连续培养工艺大受欢迎。现在我们主要通过适当的过滤系统，例如转子过滤器或螺旋过滤器来实现细胞截留。很多哺乳动物细胞只能附于表面生长。这些贴壁细胞依附于微载体，微载体的材料可以是：玻璃、纤维素、葡聚糖、胶原蛋白、动物胶或塑胶。有些微载体被设计成中空的球体，细胞可以渗入至颗粒内部进行生长，从而免受剪应力的作用，从而可以提高搅拌速度和通气量。

现有的动物细胞生物反应器种类很多，根据搅拌、通气、灭菌及细胞截留的不同主要有如下几种类型：

1 传统搅拌式细胞反应器

传统搅拌式细胞反应器是一种搅拌釜反应器，专门应用于动物细胞培养，工作体积可以从几百毫升到几十立方米。使用螺旋桨叶轮和传统通气来实现尽可能小的剪切力。

传统搅拌式细胞反应器可以进行批次、连续及流加操作。反应器主要用于悬浮动物细胞培养或微载体培养。连续培养中，为截留细胞和提高产能，可以使用转子和螺旋过滤器。而且它的内置式取样装置可确保传染性细胞的无菌取样，特别适用于病毒疫苗的生产。通过安装不同的通气系统，例如底部气体分布器、表面通气或硅胶管的无泡通气，可以满足不同细胞的培养需求。

2 气升式动物细胞反应器

气升式动物细胞反应器的搅拌是通过气流来实现的，从而提供更加有效的氧传递和低剪切力。为了控制液体循环，可在中心处插入一个导向泡沫群的同轴通气管。通过穿孔管、烧结体或疏水管实现气体的分布。如果必须避免由气泡导致的细胞损害，可通过硅胶管实现无泡通气，适用于包括昆虫细胞在内的悬浮细胞的培养。从试验室规模至大生产规模，该类反应器均可适用。可批次、流加和连续操作。

3 流化床动物细胞反应器

流化床动物细胞反应器是一种将载体与悬浮固定化细胞结合在一起的生物反应器。通常涉及三个相（固态、液态和气态）。为了细胞的连续生长和生产，它采用一种构造特殊的分离系统。它由不同的腔室组成，并确保灌注过程中颗粒的完整保留。它通过通气搅拌，因而剪切力低，并能确保颗粒均匀涡流。气泡敏感细胞可以通过硅胶膜实现无泡通气。通过这种反应器可以获取高密度的 CHO、BHK 和杂交瘤细胞。流化床动物细胞反应器推荐应用于微载体贴壁细胞、剪切敏感细胞、包被细胞以及需长期细胞培养的分泌物的生产。在流化床动物细胞反应器中，为了方便气泡敏感细胞的培养，可使用纤维加固的硅胶管所构成的无泡通气系统，用以避免流向中氧梯度的情况。

4 固定床动物细胞反应器

细胞和载体被固定于一个固定床中时，可选择固定床反应器进行贴壁细胞培养。该系统无需特殊的气、固、液分离装置，由气泡产生的剪切力和细胞损伤是很微弱的。培养期间，富氧培养基在固定床内循环。因为氧气和培养基的供应是不确定的变量，所以对于轴流式固定床而言，床的长度是一个关键性的参数，在大型固定床动物细胞反应器中使用径向流灌注有助于解决这一问题。它可连续或分批收获浓缩产品和去除废弃培养基。可用此类反应器进行贴壁细胞和剪切敏感细胞的培养。该系统同样适用于产品是分泌性的长期细胞的培养。

5 薄膜动物细胞反应器

薄膜动物细胞反应器包含一个内腔室和一个外腔室，它们被一层透析膜隔开。这层薄膜支持灌注培养中的无泡通气和细胞保留。运用了膜技术后，有毒的（低分子）代谢物被清除，（高分子）产物被保存在内腔室中。每个腔体内的搅拌是由一个搅拌器来进行的。培养基和空气进入外腔室。反应器适用于灌注工艺，同时也可用于批次、流加工艺。可以使用此类反应器进行悬浮细胞和附于微载体的贴壁细胞的培养。

6 结语

介绍完了主要的几种动物细胞反应器，有必要提一下细胞反应器中的重要组件，即用于细胞截留及提高产率的灌注过滤系统，它主要有两种实现方式：

⑴转子过滤器：转子过滤器是以旋转筛技术为基础的。

可直接将其安装于生物反应器的罐内或单独作为一个外置旁路系统。内置的好处是系统结构紧凑；外置的优点是灵活性高，因为在培养期内可以将其单独拆卸、清洗、灭菌并再次使用。该装置可以保证在大规模连续培养中实现极佳的细胞截留率（≥ 80%）。

⑵螺旋过滤器：螺旋过滤器是以膜分离技术为基础的。它着眼于高通量和低能耗的实现。一个旁路系统将螺旋过滤器与生物反应器相连接，可在位灭菌或高压锅内灭菌。因为剪切力很小，所以非常适用于细胞截留和无细胞取样。

现代动物细胞反应器的发展日新月异，它的不断发展源于生物制药产业的新工艺、新材料、新检测手段、新质控要求、新成本要求、新自动化控制策略等的大力推动。基础扎实才能不断推陈出新，希望我国能在动物细胞反应器的硬件、软件、工艺等多个方面打好基础，在动物细胞反应器的研发、生产及应用方面走在世界的前列。

戴晓云，Email：xydai@bioengineering.com.cn

2010-01-20

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2010.02.017