Специфические свойства клеточных культур

Имеется несколько основных особенностей культивируемых клеток животных и растений.

Особенностью морф_ОЛОГИИ клеток животных и растений является их большие размеры. Бакте­рии имеют размер в среднем 1-5 мкм, клетки животных — 20 мкм, растений — 20-60 мкм.

мешалки) распадают_ся агрегаты клеток, клетки открепляются от микроносителей, снижается биосинтетическая и пролиферативная активность клеток, часто происходит разрыв мембраны и в конце КОНЦОВ КЛе_тки могут погибнуть.

Параметры сдвиг_а (сила и скорость сдвига) в жидкости определяются конструкцией биоре­актора и мешалки и е_е кинематикой. Оценивают также влияние перемешивания на клетки в сус­пензии по внутреннему масштабу турбулентных пульсаций, или размеру «вихрей Колмогоро­ва», который, чтобы не разрушить клетку, должен быть не меньше последней.

Сдвиг в биореакторах вызывается также аэрирующим воздухом, однако, значительно меньше, чем мешалкой. В барботажных биореакторах (без мешалки) средняя скорость сдвига составляет (1000 - 5000) V_s с ^г, гд_е у* — скорость подымающегося газа по отношению к площади поперечного сечения аппарата, м/с. в то же время величина V_s однозначно определяет вводимую мощность. Мощ­ности, вводимые в ферментатор для культивирования микробов, создают такой уровень сдвигового стресса, который не выдерживают клетки животных й растений. Для их культивирования уровень стресса в ферментаторе должен быть ниже. Понизить вводимую мощность можно, базируясь на дру­гом ОТЛИЧИИ культур Клеток животных и растений от микробных культур, которым является мень­шая потребность первых в кислороде. Показателем обеспечения культуры кислородом служит так называемый общий объемный коэффициент массопередачи кислорода от газа к жидкости.

Величина коэффиц_иента массопередачи зависит, кроме свойств жидкости, от конфигурации би­ореактора и гидродицимняеер-ере режима в нем. В конкретном ферментаторе при определенном объеме заполнения эт_а величина определяется двумя параметрами его работы, которыми можно управлять: числом оборотов мешалки и расходом воздуха. При культивировании клеток животных достаточно обеспечить величину коэффициента массопередачи около 1 ч^-1, при культи­вировании клеток раст_ений порядка 10 - 30 ч^-1, при культивировании бактерий приблизительно 100 - 300 ч Ч Уменыц_ение требуемой величины коэффициента массопередачи кислорода позволя­ет существенно снизить расход мощности на механическое (мешалкой) и пневманическое (возду­хом) перемешивание ц _аэрацию. Если в микробных культурах она составляет до 3 вт/л, то в куль­турах клеток тканей ц_е превышает 0,1 вт/л.

Таким образом, чтобы добиться максимального выхода целевого продукта, что составляет суть проблемы оптимизации технологического процесса культивирования клеток как в одном отдельно взятом биореакторе, т_{ак и П}р_И масштабном переходе от лабораторных до промышленных биоре­акторов, при культивировании клеток растений и животных необходимо создать такие условия аэрации и перемешивания, при которых клетки находятся во взвешенном состоянии, не травмиру­ются, и при этом обесн_ечен требуемый коэффициент массопередачи кислорода. Такое сочетание режимов отличает процесс выращивания клеточных культур в биореакторах.

Что касается теплообменных процессов, то проблемы отвода тепла во время культивирования клеток животных и растений не существует, на некоторых фазах роста необходимо даже подводить тепло, т.е. в технологии клеточных культур целесообразно использовать термостатирующую воду.

Есть особенности в составе питательных сред, что влечет за собой отличия в их приготов­лении и стерилизации. Только в питательных средах для клеток животных присутствует сы­воротка крови животных и для предотвращения заражения в среды вводят антибиотики. Эти компоненты и некоторые другие стерилизуют методом стерилизующей фильтрации. Только в питательных средах для клеток растений присутствуют фитогормоны роста (цитокинины и ауксины).

И, наконец, еще одной особенностью культур клеток тканей, особенно растений, является боль­шая длительность цикла их выращивания от исходной посевной до конечной концентрации. Клет­ки животных и растений имеют те же самые, что и микроорганизмы, фазы роста (лагфазу, экспо­ненциальную, замедления роста, стационарную). Но если дрожжи проходят эти стадии за несколь­ко часов, то клетки животных — за несколько суток, а клетки растений — за несколько недель (от 2 до 5).

Таким образом, специфика свойств клеточных культур как морфологических (большие раз­меры клеток), так и физиологических (медленный рост, низкий уровень массо-теплообмена, повышенные требования к составу питательной среды) вносит особенности в технологию культи­вирования клеток животных и растений, заключающиеся в жестких требованиях к обеспечению микробиологической, а также химической чистоты процесса и создании таких режимов аэрации и перемешивания, при которых клетки находятся во взвешенном состоянии, не травмируются, и при этом обеспечен требуемый коэффициент массопередачи кислорода.

2.