交界面传氧研究分析 CUR激流式反应器的KLa

2023-04-10公司动态

制药工业的飞速发展,特别是蛋白质治疗药物,如单克隆抗体、酶、细胞因子、反应器融合蛋白等,非治疗性过程疫苗、细胞治疗、基因治疗和生物仿制药的审批上市,对生物反应器的应用需求日益增加。生物反应器通过维持细胞等生物适宜的环境以提供良好的生长条件确保温度、pH、有效的底物、营养物质和溶解氧的运输来支持这个自然过程,使细胞能进行生长和表达。生物反应器的设计中获得确保细胞生长和表达的上述参数是至关重要的,特别在实验室规模转移到生产规模,必须关注考虑到规模间差异的影响。

 

细胞培养的限制因素之一--氧气

溶氧(DO)是溶解氧(Dissolved Oxygen)的简称,是表征水溶液中氧的浓度的参数,是溶解在水中的游离态氧。水中溶解氧含量的变化情况:一种是使DO下降的耗氧作用(OUR),包括细胞生长、代谢、表达的耗氧;另一种是使DO增加的溶氧作用(OTR),有空气中氧的溶解,曝气手段等。这两种作用的相互消长,使水中溶解氧含量呈现变化。影响水中溶解氧的含量的环境因素有溶液温度,压力,培养液浓度等因素。

在哺乳动物细胞生物反应器中,特别是在高细胞密度下操作时,通气是一个关键组成部分。氧是难溶气体,在1atm,20ºC时,氧在纯水中的溶解度约为0.25mmol/L。细胞对氧气的需求包括:

葡萄糖代谢,细胞生长和蛋白表达

细胞有氧呼吸

细胞对物质需求量看出,相较其它主要的营养成分,如果不及时增加溶解氧则氧气总是最先被耗尽。哺乳细胞的耗氧速率(Oxygen Uptake Rate, OUR)约为10-13mol/cell-h,在10x106cell/ml细胞密度的培养基中,几秒钟后培养液中溶氧将降为零,氧气供应不足是未达到所需细胞培养浓度的常见原因之一。故细胞对氧气的高需求量和氧气在培养基中的低溶解度,溶解氧传递成为细胞培养关注的关键参数。

细胞培养时将除菌后的空气进入反应器中,使之分散成细小的气泡,尽可能增大气泡接触面积和接触时间,以促进氧的溶解。为了确保足够的氧气供应强度,必须正确设计生物反应器,并提供适当的混合和曝气模式。KLa参数用于表征氧气传质。

 

体积氧传质系数KLa

KLa以数字方式显示了通过容器中的分布器引入的氧气通过混合器在介质中消散和分布的效率,该概念源于双膜理论,假设两相之间的传质是通过两相之间的边界层发生的。

双模理论的气-液氧传质

组分在相之间的扩散速率取决于传质系数,对于液体,该系数通常写为“kL”,两相之间的接触面积,通常称为“a”。我们得到体积氧传质系数KLa,作为控制氧气从气相转变为液相的速率的参数。用以下公式来描述:

 dC/dt = KLa ∙ (C*-CL) = OTR – OUR

 

CUR激流式反应器如何提高KLa

 

接液面积

CUR激流式反应器中的液体形成类似涡柱流,细胞能随液流沿内壁向上爬升,形成的涡柱流扩大了气液交换面积,并且大部分培养基都在罐内壁一侧,另一侧形成液膜,即能形成通气面和冲刷面双面液膜。配合锥形底部设计有效增大气液交换效率。

转速

在相同工作体积下,随着转速上升,湍能耗散率和气液交界面面积均呈增大趋势,湍能耗散率有助于KL提高,气液交界面a也增加,故随着转速上升,KLa也是呈增大趋势。

体积 

由于相同体积培养液在锥低形反应罐中具有较高的液面高度,从而气体在培养液中的停留时间增加,即增加了供氧能力。

 

CUR激流式反应器的KLa测试

基于通过亚硫酸钠溶液的氧化来测定曝气容器中的氧气转移速率:

2Na2SO3 + O2 = 2Na2SO4

当氧气进入溶液时,它立即在亚硫酸盐的氧化反应中被消耗,因此亚硫酸盐的氧化速率相当于OTR,溶解氧浓度为零,KLa可由下式计算:

OTR =KLa(C*-C) =QM/2V

Q-流加Na2SO3溶液的速度(L/h)

M-加入NaSO3溶液的浓度

V-反应器内液体体积(L)

利用溶氧电极测定C/C*后,可按以下公式方便地计算KLa值。

KLa=QM/[2VC*(1-C/C*)]

各规格CUR(CUR2.5、CUR5、CUR50)在满载体积、0.01vvm通气条件下的体积溶氧系数(KLa

测试结果表明,在同一通气量条件下:

  • 随着振荡转速的提高,KLa测试值整体呈上升趋势;

  • 生物反应器规格增大,在测定的转速范围内KLa测试值呈上升趋势;

  • 在相同的转速增幅下(5rpm增幅),CUR50在三者中的KLa测试值增幅最大。

不同类型反应器在各转速下的KLa

文献中对不通气条件下,激流式反应器的KLa比对平底式反应器、搅拌式反应器试验数据结论描述如下图,充分证实CUR激流式反应器的交界面传氧机制对提高KLa有显著优势【1】

KLa of different bioreactors in different rotation or mixing speed

▲激流式生物反应器   ♦平底式反应器   ■搅拌式反应器

 

CUR反应器在氧气传递方面优势

气液交接面积大,效率高,传质效果好

只需顶部通气无需底通即可满足生长需要

利于CO2的溢出

倒置截头圆锥形罐体,比表面积大,流场稳定

 

 

参考文献 

【1】白力, 张淑香, 唐寅, 郭美锦, 张嗣良. 锥底生物反应器的动物细胞培养[J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2008, (3): 338-341.

 

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