动物细胞培养反应器.doc

动物细胞培养反应器动物细胞培养反应器动物细胞体外培养时，生物反应器是整个培养过程的关键设备，为细胞提供了一个适宜的生长环境，使之快速增殖并形成所需的生物组织制品。

由于动物细胞在其形态结构、培养方法以及所需的力学环境等方面均不同于微生物细胞，因而传统的微生物反应器显然已不适用于动物细胞大规模培养，特别是组织工程的需要，促使新型生物反应器的研究与开发。

动物细胞培养反应器-分类及结构特点动物细胞培养反应器1、搅拌式生物反应器搅拌式反应器靠搅拌桨提供液相搅拌的动力，它有较大的操作范围、良好的混合性和浓度均匀性，因此在生物反应中被广泛使用。

但由于动物细胞没有细胞壁的保护，因此对剪切作用十分敏感，直接的机械搅拌很容易对其造成损害，传统的用于微生物的搅拌反应器用作动物细胞的培养显然是不合适的。

所以，动物细胞培养中的搅拌式反应器都是经过改进的，包括改进供氧方式、搅拌桨的形式及在反应器内加装辅件等。

（1）供氧方式的改进一般情况下搅拌式反应器还常伴有鼓泡，为细胞生长提供所需氧分。

由于动物细胞对鼓泡的剪胞生长提供所需氧分。

由于动物细胞对鼓泡的剪切也很敏感，所以人们在供氧方式的改进上做了许多工作。

笼式供氧是搅拌式动物细胞反应器供氧方式的一种，即气泡用丝网隔开，不与细胞直接接触。

反应器既能保证混合效果又有尽可能小的剪切力，以满足细胞生长的要求。

北野昭一报道了一个经过改进的搅拌式动物细胞反应器，整体呈梨形，搅拌置于反应器底部，在搅拌轴外装了一个锥形不锈钢丝网与搅拌轴一起转动。

轴心处的鼓泡管在丝网内侧鼓泡，丝网外侧的细胞不与气泡直接接触。

（2）搅拌桨的改进搅拌桨的形式对细胞生长的影响非常大，这方面的改进主要考虑如何减小细胞所受的剪切力。

有人对搅拌桨的形式作了改进，并在反应器内加装了辅件，实验证明改进后的反应器适用于对剪切力敏感的细胞进行高密度培养。

反应器采用了一个双螺旋带状搅拌桨，顶部的法兰盖上安装了3块表面挡板。

每块挡板相对于径向的夹角为30°，垂直插入液面。

挡板的存在减小了液面上的旋涡。

这个反应器维持了较小的剪切力，实验中用于昆虫细胞的培养，最终的培养密度达到6×106个/mL，成活率在98%以上。

2、非搅拌式生物反应器|搅拌式生物反应器用于动物细胞培养存在的最大缺点是剪切力大，容易损伤细胞，虽然经过各种改进，这个问题仍很难避免。

相比之下，非搅拌式反应器产生的剪切力较小，在动物细胞培养中表现出了较强的优势。

（1）填充床反应器填充是在反应器中填充一定材质的填充物，供细胞贴壁生长。

营养液通过循环灌流的方式提供，并可在循环过程中不断补充。

细胞生长所需的氧分也可以在反应器外通过循环的营养液携带，因而不会有气泡伤及细胞。

这类反应器剪切力小，适合细胞高密度生长。

（2）中空纤维反应器中空纤维反应器由于剪切力小而广泛用于动物细胞的培养。

这类反应器由中空纤维管组成，每根中空纤维管的内径约为200μm，壁厚为50～70μm。

管壁是多孔膜，O2和CO2等小分子可以自由透过膜扩散，动物细胞贴附在中空纤维管外壁生长，可以很方便地获取氧分。

（3）气升式生物反应器气升式生物反应器(airliftbioreactor)也是实现动物细胞高密度培养的常用设备之一，其特点是结构简单，操作方便；湍动温和而均匀，剪切力小；无机械运动部件，细胞损伤极低；反应器内液体循环量大，细胞和营养成分能均匀分布于培养器中。

有人在气升式反应器中利用微载体培养技术，研究了Vero细胞高密度培养的工艺条件。

证明气升式反应器中悬浮微载体培养Vero细胞，在加入适量保护剂、营养供应充足的情况下，细胞可以正常生长至长满微载体表面，终密度可达1.13×106个/mL。

动物细胞培养反应器-产品特点动物细胞培养反应器(1)、产值不大，作用大生物反应器产业本身很难有每年达数十亿元的产值，但其在生物技术产业链中却起着再生产和扩大再生产的作用，达上百亿元以上。

有时一个新的生物反应器技术的应用和推广，就可能促进某一生物技术产品的产业化形成，提高生产能力，或降低生产成本，可节约能耗达数十亿元之巨。

(2)、产品多样性目前用于生产的细胞和生物材料有微生物、动植物细胞、藻类、各种酶类等。

不同细胞或酶有不同特点，因而有不同生物反应器设计要求。

生物反应器种类有气升式反应器和机械搅拌反应器；常规反应器和光生物反应器；好氧和厌氧反应器；液体深层培养反应器和固体发酵反应器；根据不同机械结构划分的反应器；不同控制原理划分的反应器等。

此外，生物反应的规模也可由几十毫升到上百M3不等。

由此可见，很难规定几个通用产品进行大批量生产，大多数用户根据自己的研究或生产特点，提出不同的定货要求，反应器研制厂家必需有足够的技术力量和经验进行非定型化设计，以满足用户要求。

(3)、生物过程优化与放大技术具有先进的生物过程优化和放大能力是生物反应器设计的核心技术。

由于在生物反应器中所发生的反应是在分子水平的遗传特性、细胞水平的代谢调节和反应器工程水平的混和传递等多尺度（水平）上发生的。

因此，如何利用生物反应器中的多参数检测技术和在线计算机控制与数据处理技术，把细胞在反应器中各种表型数据与代谢调控有关的基因结构研究关联起来，是反应器过程优化与放大的重要内容，也是当前国内外竞相发展的具有原创性的知识产权技术，对促进生物技术产业化发展具有重要意义。

由此可见，提供包含以上功能并具有自主知识产权的商品化生物反应器应是我国生物反应器产业的重点之一。

(4)、生物技术发展要求性能更高的生物反应器为了适应各种生物技术的实验室成果向产业化转化的需要，对生物反应器的性能要求愈来愈高，目前主要表现为：用于基因工程高密度高表达，符合GMP标准的生物反应器以及一些新技术的应用等。

其中关于供氧问题，快速升温、SIP自动灭菌、CIP 自动清洗、机械密封、排气处理、取样处理等问题以及培养液成份的流动注射分析（FIA）分析等都需很好解决。

哺乳类动物细胞大规模培养是当前生产高附加值的糖基化活性蛋白医药产品的重要发展趋势。

根据动物细胞无细胞壁，对剪切极端敏感，在细胞生长控制上，要防止细胞分化和细胞凋亡，有时还要考虑对产品糖基化质量的要求。

所以反应器要具备低剪切效应，混合性能好等特点，要提供细胞形态在线观察和活细胞数量的传感技术，严格控制反应器的操作条件以及有关防污染的灌注系统、取样系统等都需要研究解决。

用于细胞过程生理特性和过程传递特性研究的生物反应器研制，其中主要解决用于过程分析的各种传感器选型研制和数据处理软件包的研制。

特别是近年来随着微生物基因组测序和系统生物学研究工作的深入展开，发酵过程检测与控测已经从基于参数传感技术的反馈控制发展为以信息处理为基础的生物过程检测与分析。

各种谱分析与生物反应器实验数据关联起来，提供各种表型数据具有重要意义。

因而对反应器设计提出了新的要求。

随着生物技术在各领域的推广应用，用于海洋藻类、微生物肥料、微生态饲料、环境污染处理等大规模细胞培养需要高强度低造价的生物反应器。

特别是近年来利用生物质生产燃料乙醇等能源物质的战略部署，需要应用大型高效节能生物反应器降低生产成本。

动物细胞培养反应器(5)、产品型号更新换代与部件技术研究生物反应器是多专业技术发展的综合体，由于反应器零部件技术的进步，必须及时更新产品设计，为用户提供性能更好且价格合理的反应器产品。

这些零部件技术包括计算机软硬件技术、各种传感技术、反应器流型设计，新机械结构和材料等等。

此外，随着信息处理技术的发展，如何实现大批量数据处理、贮存与通信，把生物信息学与过程信息结合起来实现复杂生物系统的分析与控制，也以软件包的形式逐渐从实验室研究走向商品化。

(6)、产品生产的标准化、规范化作为商品化装置的市场化，建立生物反应器生产标准，实施IS09001管理是发展生物反应器产业的重要内容，只有这样才能提供合符用户要求及质量稳定的产品。

主要内容有：产品装置成套加工的工艺技术路线的确定与质量控制研究。

在生物反应器制造过程中，如材料、焊接、表面处理、零部件机加工、外购件、易耗品…、直到安装流程工艺、器材仓库管理…等都要严格实施质量检验；原材料、半成品、成品标准等的确立与实施。

如有关传感器及一些如空气过滤器、阀件、质量流量计等关键部件的测试标准的建立与研究，整机性能测试标准的建立与研究；产品质量过程控制程序的确立与实施等；整机性能测试标准的建立与研究。

(7)、高品质的售后技术支持由于生物反应器中的反应是在基因、细胞和反应器工程水平上多尺度发生的，因而真正利用生物反应器实现过程优化是有难度的，从理论到实践的提高，并进一步在生物技术产品生产中发挥作用，需要有一个过程，应该把售前宣传和售后服务等与整体应用技术提高结合起来才能取得好的效果。

动物细胞培养反应器-技术研发动物细胞结构图动物细胞（杂交瘤细胞、CHO细胞、昆虫细胞等）大规模培养技术及其生物反应器工程可广泛应用于抗体、基因重组蛋白质药物、病毒疫苗等生物技术产品的研究开发和工业化生产，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室在动物细胞大规模培养技术及其生物反应器工程研究和开发应用方面，长期以来得到国家重大科技攻关计划、863计划等的大力支持，拥有一支精干的研究开发团队和一系列现代化设备仪器，建立了由无血清悬浮培养技术、培养过程及生物反应器设计放大与强化技术、大规模高密度流加和连续灌注培养技术、培养过程计算机实时监测与控制技术、病毒类产品大规模高效生产技术等核心技术组成的大规模动物细胞培养技术及其生物反应器工程平台。

1、动物细胞无血清悬浮培养技术研制开发了多种适合于杂交瘤细胞、rCHO细胞、昆虫细胞大规模悬浮培养过程的无血清/无蛋白培养基组成，成分明确，且细胞生长和产物表达水平与有血清培养基相当，成本比国外同类产品降低30%以上，其技术特点在于不仅能促进细胞生长、防止细胞损伤，而且还能支持细胞在大规模生物反应器中实现高密度培养，并有利于泡沫控制。

2、动物细胞培养过程及生物反应器设计放大与强化技术与几何放大、因次放大等经验放大方法不同的是，本平台所拥有的动物细胞培养过程及生物反应器放大与强化技术是根据动物细胞大规模高密度培养过程的特点，在气液传质和流体力学等理论的指导下，在认识细胞与流体剪切力、细胞与气泡相互作用机理的基础上，其核心是采用机械搅拌和直接通气鼓泡强化气液传质能力和流体混合条件，以使培养过程和生物反应器能支持108cell/ml以上细胞密度生长的能力，同时能有效消除流体剪切和气泡对细胞的损伤与破损作用，实现放大过程中强化供氧混合与防止细胞破损的统一，使大规模细胞培养过程及其生物反应器能够重复实验规模的试验结果，从而为动物细胞表达产品的工业化生产提供宽广的放大与强化空间。