Биореакторы для клеток животных и растений

Для глубинного культивирования клеток в суспензии в промышленных масштабах применяют биореакторы двух типов. Биореакторы первого типа в англоязычной литературе обозначаются CSTR — conventional stirred-tank reactor (обычный емкостной реактор с мешалкой).

Для культивирования клеток животных и растений используют аппараты, в которых механи­ческое перемешивание осуществляется чаще всего стандартными турбинными импеллерами. Иногда их заменяют мешалки специальных конструкций (спиральная, якорная, парусная, вибра­ционная, морской винт и др.), предназначенные для снижения уровня сдвигового стресса.

Большую конкуренцию реакторам с механической мешалкой для стерильных производств сос­тавляют аппараты другого типа с вводом энергии аэрирующим газом. Простейшие из них — барбо­тажные. Другие более совершенные аппараты этого типа — эрлифты с внутренним или наружным циркуляционным контуром. Эрлифт наиболее простой конструкции представляет собой емкость, по вертикальной оси которой на некотором расстоянии от дна расположена труба, делящая аппарат на две зоны примерно равной площади. При подаче воздуха в любую одну из этих зон, за­полненных жидкостью, создается различие в плотности жидкости в зонах, в результате чего возни­кает циркуляция газо-жидкостной смеси вместе с клетками, которые могут находиться в аппара­те. Зона, в которую подается воздух, является восходящей, другая — нисходящей.

В настоящее время нет единого мнения о наиболее приемлемой конструкции аппарата для куль-

тивирования клеток животных и растений. При выборе оптимальной конструкции аппарата сле­дует руководствоваться главным критерием — получением максимального выхода целевого про­дукта при возможных физических и экономических ограничениях. Аппарат типа CSTR может быть применен при культивировании более толерантных к сдвигу клеток, которых достаточно много, а эрлифт — более чувствительных клеток. Особые надежды возлагают на эрлифтные аппа­раты в связи с возможностью культивирования в них перспективной культуры волосковых кор­ней, которые растут как связанная сеть и не могут противостоять механическому воздействию. При этом в эрлифт довольно легко переделать аппарат с мешалкой, установив внутри его вместо мешалки циркуляционную трубу соответствующего размера.

В свое время в качестве биореакторов с низким уровнем сдвига предлагались аппараты других конструкций: колонные барботажные, гибридные, вращающиеся барабаны и др. Однако эти реак­торы остались ограниченными по объему и не нашли широкого применения в производственной практике.

Необходимость обеспечения работы биореактора в условиях большой продолжительности его цикла (несколько недель) требует установки на нем надежных комплектующих узлов (рис. 1). Ос­новными узлами биореактора в этом плане являются уплотнения валов мешалок, воздушные фильтры, запорно-регулирующуя арматура.

В свое время удовлетворительным решением явилось применение в биореакторах сильфонных запорных вентилей на сварных фланцевых соединениях. В настоящее время в качестве запорно- регулирующей арматуры в условиях ее паровой стерилизации наиболее надежными и приемлемы­ми для культур клеток являются пневматические мембранные клапаны.

На первых этапах культивирования клеток животных и растений в качестве фильтров для очис­тки и стерилизации воздуха в биореакторах использовали набивные фильтры из стекловолокна, а затем мембранные фильтры с размерами отверстий не более 0,3 мкм. В отечественной практике удовлетворительным решением являлось применение для стерилизации воздуха, подаваемого в би­ореакторы и выходящего из них, фильтров тонкой очистки воздуха (ФТО) на основе волокнистых материалов. Они имеют коэффициент проскока частиц порядка 10~³ — 10~⁴ % по стандартному аэро-

Рис. 1. Схема обвязки ферментатора для культивирования клеток: 1 — ферментатор, 2 — магнитная муфта,

3 — пробоотборник, 4 — фильтр воздушный; 5 — каплеотбойник, 6 — пгепллообменник, 7 — термометр,

8 — манометр, 9 — датчик уровня, 10 — вентиль, 11 — клапан паростерилизуемый герметичный. 12 - ротаметр

золю.

В настоящее время отечественной промышленностью освоено производство фильтров типа ФТОС производительностью от 100 до 4000 м³/ч на основе фильтрующего материала из базальтового кар­тона марки ФМТ с диаметром волокон 0,3—0,5 мкм. Фильтры выдерживают стерилизацию острым водяным паром с температурой 143°С (избыточное давление 0,3 МПа) до 100 циклов. Такими же свойсвами обладают и фильтры для лабораторных и пилотных установок ферментации — ФТОПАС, на основе волокон полиалирида производительностью 1,5 и 10 м³/ч, а также фильтры ФТ произво­дительностью 0,3 и 20 м³/ч на основе фильтрующего материала КАНТ - 2, состоящего из череду­ющихся базальт — асбестовых слоев, скрепленных тонкой проволокой из нержавеющей стали.

Очистка воздуха, удаляемого из биореакторов, представляет определенные трудности в связи с большим уносом капельной влаги, попадание которой на волокнистые фильтры должно быть исключено. Для задержки капельной влаги применяются специальные ловушки в виде циклонов, цилиндрических аппаратов с насадкой и других устройств. Хорошие результаты получены при ис­пользовании сетчатых самоочищающихся фильтров ФС. Улавливание капель культуральной жид­кости из воздушного потока происходит благодаря инерционному эффекту, возникающему при высоких скоростях фильтрации. Осажденная на фильтрующем элементе жидкость под воздействи­ем силы тяжести собирается в нижней части фильтра, откуда затем удаляется в систему сбора. Воздух после каплеуловителя подогревается в теплообменниках, чтобы избежать увлажнения фильтров тонкой очистки, являющихся последней ступенью системы очистки. Расход воздуха для фильтров ФС составляет от 1000 до 4000 м³/ч, эффективность улавливания — 95%.

С использованием описанных узлов разрабатываются и поставляются отечественные установки различного назначения для культивирования различных микроорганизмов, в том числе клеток жи­вотных и растений, оснащенные трубопроводами, контрольно-измерительными приборами, запор- но-регулирутощей арматурой в соответствии с требованиями обеспечения асептичности процесса культивирования.

На схеме аппарата указаны из всех возможных только те КИП и А, которые необходимы для каждого биореактора: термометр, манометр, расходомер и уровнемер. Их установка не вызывает проблемы с обеспечением условий стерильности в аппарате, если манометр снабжен мембранным разделителем, а расходомер воздуха устанавливают до стерилизующего фильтра по потоку.

С учетом потребностей и возможностей приборного оснащения в ходе процесса культивирования клеток растений и животных должны непрерывно или периодически измеряться, а при необходи­мости автоматически или вручную регулироваться основные физические параметры, такие как тем­пература, расход воздуха, уровень среды, давление в газовой фазе. Для измерения и регулирования таких физико-химических показателей среды как pH и рО₂ в ферментаторе должны быть установ­лены паростерилизуемые датчики pH и рО₂. При отсутствии датчиков величину pH можно измерять в выносных пробах. Альтернативный контроль pH

при культивировании клеток животных можно осу­ществлять визуально по индикатору фенолрот, вводи­мому специально для этого в пропись питательных сред.

Показатели культуры (физиологические биохими­ческие, микробиологические и др.), которые являют­ся управляемыми и выходными параметрами процес­са, могут быть измерены только в отобранных пробах

В лаборатории. Отбор ЭТИХ проб В асептических уело- Рис. 2. Опытно промышленная установка

ВИЯХ (без загрязнения посторонней микрофлорой) для культивирования клеток

должен производиться с помощью специальных пробоотборных устройств, аналогичных принятым в практике других микробиологических производств, с учетом больших размеров клеток, особенно рас­тений. При необходимости дополнительно дозировать в работающие биореакторы питательную среду и ее компоненты, пеногасители, титранты можно пользоваться соответствующими устройствами, сконструированными для микробиологической промышленности: паростерилизуемые дозировочные насосные станции, перистальтические насосы, магнитные соленоидные клапаны и др.

4.