Биореакторы для культур клеток: виды биореакторов

Выращивание клеточных культур требует особых условий. Клетки чувствительны к внешней среде, медленно растут и легко повреждаются механическим воздействием. Для их успешного культивирования важно обеспечить стабильную температуру, достаточное количество кислорода и питательных веществ, а также защитить от стрессовых факторов. С этой задачей отлично справляются биореакторы.

Современные модели позволяют эффективно выращивать клеточные культуры для медицины, фармацевтики и биотехнологий, потому что могут обеспечить воспроизводимые условия, необходимые для получения стабильных результатов.

Что такое биореактор?

Биореактор — это аппарат для выращивания клеток или микроорганизмов в контролируемых условиях. Он создает благоприятную среду для их роста, размножения и производства целевых продуктов — например, белков, антител и вакцин. Основная задача аппарата — поддерживать стабильность таких параметров, как температура и уровни кислотности, кислорода и питательных веществ. Также он равномерно перемешивает среду, чтобы клетки равномерно получали все необходимое для жизнедеятельности.

Существует много видов биореакторов для культивирования клеток. Каждый разработан для решения конкретных задач, поэтому они значительно различаются по конструкции, принципу работы и области применения. Далее мы приведем примеры, объясним принципы работы разных типов биореакторов.

Как работают биореакторы для культур клеток

Основная задача биореактора – создание благоприятных условий для развития биоматериала. Важно обеспечивать равномерное перемешивание и избегать резких колебаний температуры, pH и концентрации питательных веществ на протяжении всего цикла культивирования. При этом перемешивание должно быть мягким, так как клетки чувствительны к механическим повреждениям. Чаще всего используют мешалки с лопастями, работающими на низких скоростях, но также применяют пневматическое или гидравлическое перемешивание в отдельных видах реакторов.

Выращивание клеток может проходить в разных режимах: в стационарном, которое может идти как без подпитки, так и с ней, а также в непрерывном.

Если в стационарную культуру после внесения биоматериала и питательной среды дополнительное питание не добавляют, клетки растут, пока не израсходуют субстрат или не накопятся продукты метаболизма, которые замедлят развитие культуры.

Для стационарного культивирования с подпиткой субстрат или другие компоненты среды добавляют порционно или непрерывно. Это помогает продлить рост клеток и повысить продуктивность.

В непрерывной системе культуральную жидкость частично заменяют свежей средой. Благодаря такой замене также удаляются продукты метаболизма, например, лактат и аммоний, которые могут ингибировать рост культуры. Такой метод позволяет поддерживать клетки в активном состоянии дольше.

Клеточный ферментер

Устройство, разработанное специально для культивирования эукариотов. В его конструкции предусмотрена лопастная мешалка, которая обеспечивает равномерное перемешивание среды и предотвращает появление локальных перепадов температуры, pH и концентрации питательных веществ.

Существуют простые и автоматизированные модели ферментеров. К первой группе относятся одноразовые пластиковые и многоразовые стеклянные биореакторы объемом от 25 мл до 36 литров. Они оснащены простыми датчиками и портами для отбора проб и введения необходимых добавок, а запуск осуществляется с помощью магнитной мешалки. Такие ферментеры подходят для лабораторных исследований и подбора оптимальных условий культивирования в малых объемах.

Более сложные модели обеспечивают полный автоматизированный контроль параметров процесса. Они оснащены сменными сосудами, датчиками, системами подачи субстрата, газа, пеногасителя и устройствами для асептического отбора проб и отвода метаболитов. В таких системах компьютеризированная регуляция температуры, pH, уровня кислорода, а также скорости подачи газов и субстратов, что делает процесс культивирования более наглядным, стабильным и воспроизводимым.

Эрлифтный ферментер

Тип биореактора, в котором перемешивание среды происходит за счет потока воздуха, а не с помощью механических мешалок. Такой подход обеспечивает эффективный массообмен и снижает риск повреждения биоматериала, поскольку исключает использование лопастей, создающих механическое воздействие, способное разрушить клеточные стенки.

Циркуляция жидкости контролируется с помощью вытяжной трубы, которая направляет поток пузырьков воздуха по центру реактора. Это позволяет равномерно распределять кислород и питательные вещества по всей среде. Для подачи газа применяют различные системы с помощью перфорированных, пористых или гидрофобных трубок. Если клетки особенно чувствительны к пузырькам газа, используют систему беспузырьковой аэрации — например, с силиконовыми трубочками, которые минимизируют контакт материала с газовой фазой.

Эрлифтные ферментеры выпускаются в двух вариантах: лабораторные и промышленные. Промышленные модели отличаются широкой верхней частью, которая выполняет функцию сепаратора газа — эта деталь позволяет эффективно удалять избыточный газ и поддерживать стабильные условия.

Автоклавируемый ферментер с взвешенной твердой фазой

Это компактное и удобное устройство, которое позволяет проводить стерильное культивирование клеток на носителях. Его ключевая особенность — возможность автоклавирования вместе со всеми аксессуарами, что значительно упрощает процесс подготовки к работе и обеспечивает высокий уровень стерильности.

Ферментер AWS оснащен магнитным циркуляционным насосом, который обеспечивает непрерывное перемешивание среды. Это позволяет поддерживать частицы с клетками во взвешенном состоянии, что создает равномерные условия для их роста. Температура в системе контролируется с помощью внешнего циркуляционного термостата, который обеспечивает стабильность условий культивирования.

Конструкция ферментера закреплена на прочной раме, что делает его устойчивым и удобным в использовании. Благодаря своей компактности и функциональности AWS идеально подходит для лабораторных исследований, где требуется высокая точность и уделяется особое внимание стерильности.

Мембранный ферментер

Данный вид состоит из внутренней и внешней камеры, которые разделены диализной мембраной. Эта мембрана, во-первых, обеспечивает беспузырьковую подачу кислорода, что особенно важно для чувствительных материалов. Во-вторых, удерживает биомассу во внутренней камере, позволяя проводить непрерывное культивирование без потери клеток.

Одним из ключевых преимуществ мембранной технологии является возможность удаления (переноса во внешнюю камеру) токсичных низкомолекулярных метаболитов, которые накапливаются в процессе культивирования. При этом высокомолекулярные соединения, такие как белки или питательные вещества, остаются во внутренней камере, создавая оптимальные условия для развития клеток.

Перемешивание осуществляется с помощью мешалок, они обеспечивают равномерное распределение среды и кислорода. Питательный раствор и воздух подаются во внешнюю камеру, откуда через мембрану поступают во внутреннюю, где находятся клетки.

Биореактор с взвешенной твердой фазой

Взвешенная твердая фаза необходима для специализированных систем, которые предназначены для культивирования клеток, закрепленных на носителях — многим типам клеток животных нужна опора для роста.

В таких аппаратах одновременно есть три фазы: твердая (носители с клетками), жидкая (питательный раствор), а также газообразная (кислород или другие газы). Чтобы поддерживать непрерывность процесса и удерживать биомассу, используется особая система сепарации. Она состоит из нескольких камер, которые эффективно предотвращают потерю частиц носителей, что особенно важно в перфузионных процессах.

Перемешивание происходит за счет подачи газа или жидкости. Для работы с особо чувствительными клетками может быть установлена система беспузырьковой аэрации. Кислород подается через силиконовые мембраны, исключая прямой контакт биоматериала с пузырьками газа.

Биореактор с фиксированной твердой фазой

В такой системе клетки и их носители закрепляются на неподвижной подложке, что устраняет необходимость в дополнительных сепарационных устройствах для отделения жидкой фазы. Это значительно упрощает процесс и минимизирует риск повреждения клеточной культуры из-за механического стресса или пузырьков газа.

В процессе работы через фиксированную подложку непрерывно проходит питательная среда, насыщенная кислородом. Продукты метаболизма, образующиеся в процессе культивирования, удаляются из системы либо непрерывно, либо периодически. Это позволяет поддерживать оптимальные условия для роста клеток и повышает эффективность процесса.

Системы фильтрации

Фильтры играют важную роль в биореакторах. Они обеспечивают отделение клеток от среды и удаляют продукты метаболизма. Фильтрация необходима для поддержания стабильных условий культивирования, что особенно важно для длительных процессов.

Роторный фильтр

Работает по принципу просеивания при вращении. Его можно установить непосредственно внутри биореактора или использовать как внешнюю проточную систему. Встроенный вариант отличается компактностью, а внешний — удобством: фильтр можно демонтировать, промыть, простерилизовать и снова подключить к системе без остановки процесса культивирования.

Роторный фильтр эффективно задерживает биомассу (выход более 80%), не повреждая клетки. Это делает его идеальным для крупномасштабного культивирования, где требуется максимальный выход в результате долговременных процессов при высоких скоростях потока.

Спиральный фильтр

Использует принцип мембранной фильтрации. Он был разработан для работы с большими объемами среды при минимальных энергозатратах. Фильтр подключается к биореактору через проточную систему и может стерилизоваться как на месте, так и в автоклаве.

Преимущество этого типа — способность не только задерживать клетки без повреждений, но и обеспечивать отбор проб среды, свободной от клеток. Благодаря минимальному механическому воздействию он подходит для работы с чувствительными клеточными культурами.