【生物工艺】悬浮细胞培养反应器：生物制药的得力助手
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2024-12-16 08:02
上海
一、悬浮细胞培养反应器的类型
悬浮细胞培养生物反应器在生物工程中起着至关重要的作用，不同类型的反应器各具特点。![]()
1. 搅拌罐反应器
搅拌罐反应器是最常见的悬浮细胞培养生物反应器之一。它通过机械搅拌保持细胞悬浮，结构相对简单，易于操作和维护。在搅拌罐反应器中，搅拌装置使培养物中的细胞处于悬浮状态，并为细胞生长提供足够的氧气和营养物质。然而，搅拌对细胞造成的剪切力和气泡的冲击可能对细胞生长和产品产量产生不利影响。因此，在使用搅拌罐反应器时，需要控制搅拌速度和气体进气量，以平衡培养物的混合与气液质传递过程。例如，食品机械设备网提到的搅拌罐锚式和框式搅拌器，搅拌直径大，转速一般很低，适用于流动性差、粘度较大的液体物料；推进式搅拌器转速较高，搅拌上下翻腾效果好；涡轮式搅拌器在当量浓度消耗不大时，搅拌效率高，适用于乳浊液、悬浮液；特殊搅拌器如螺带式搅拌器，适用于高粘度、低转速的情况。2. 气升式反应器
气升式反应器在气液传质方面性能较好。它通过气泡上升运动实现气液传质，气泡与液相之间的接触面积大大增加。此外，气升式反应器中气体的上升运动产生的液体流动也有助于悬浮细胞的混合，减小局部液体环境的差异性。因此，气升式反应器能够提供更好的氧气和营养物质供给，同时减少悬浮细胞受到的剪切力。不过，气升式反应器的结构相对复杂，操作和维护的难度较大，需要特殊的气体装置和控制系统。分析测试百科网提到气升式生物反应器的优点包括结构较简单、易于清洗维修、不易染菌、能耗低、溶氧效率高、操作费用低等；缺点相对较少，主要是高密度培养时混合不够均匀。气升式生物反应器分为内循环式和外循环式两大类，具有比其他生物反应器更强的抗杂菌污染的能力，流动性也更为均匀，且反应器本身结构简单，不具反应液泄漏点和卫生死角，操作费用也很低。其应用范围广泛，可用于抗生素、酶制剂、有机酸、生物农药、食用菌、单细胞蛋白生产等领域。3. 一次性反应器
一次性反应器是新兴的悬浮细胞培养生物反应器。它由于相对简单的结构和操作，减少了反应器清洗和消毒的工作量，能够降低交叉感染的风险，并节省生产成本。一次性反应器还具有良好的可扩展性，方便批量生产。然而，一次性反应器在气液传质和控制方面可能存在一些问题，如氧气和营养物质的供给不均一，不易进行 pH 和温度的调节等。仪器信息网提到一次性生物反应器是一种方便、安全的实验工具，通过一次性操作完成微生物的培养、生物转化和目标产物的产出，提高生产效率和产品纯度，并降低交叉污染的风险。在选购一次性生物反应器时，需要注意容量、材料、滤器、确保无菌以及其他功能等方面。同时，一次性生物反应器也可能会出现运行不稳定、产生异味、泄漏、温度上升过快、产生泡沫等问题，需要采取相应的解决方法。![]()
二、悬浮细胞培养反应器在生物制药中的应用
1. 药物生产简述：可用于生产抗生素、疫苗、抗体药物等，具有更高的细胞密度和更短的发酵周期，提高药物产率和生产效率。
悬浮细胞培养反应器在药物生产中发挥着重要作用。与传统的大规模工业发酵相比，它具有更高的细胞密度和更短的发酵周期，能够显著提高药物产率和生产效率。例如，利用悬浮培养技术生产抗生素，细胞密度和产物浓度均得到显著提高，生产周期也大大缩短。目前，悬浮细胞培养反应器可用于生产抗生素、疫苗、抗体药物等多种药物，为生物制药行业带来了新的发展机遇。2. 药物筛选简述：通过比较不同细胞株在悬浮培养中的生长和代谢差异，加速药物的发现和优化过程。
在药物研发过程中，悬浮细胞培养反应器可以快速筛选出高活性药物候选物。通过比较不同细胞株、化合物或基因工程改造的细胞株在悬浮培养中的生长和代谢差异，可以加速药物的发现和优化过程。这种方法能够为药物研发提供更多的选择和可能性，提高药物研发的效率和成功率。3. 疫苗生产简述：提供更稳定、均一的细胞生长环境，保证疫苗质量和产量，简化生产流程。
疫苗生产过程中，需要大量高质量的细胞株。悬浮细胞培养反应器可以提供更稳定、均一的细胞生长环境，从而保证疫苗的质量和产量。此外，通过基因工程改造的悬浮培养细胞系还可以生产多种疫苗成分，简化生产流程。例如，细胞悬浮培养技术在兽用疫苗生产中的应用，能够提高生物制品的产率和安全有效性，是当前国际上生物制品生产的主流模式。4. 基因工程药物生产简述：提供更均一、稳定的细胞生长环境，保证批量生产和质量一致性，通过优化培养条件和基因改造提高生产效率和产物质量。
基因工程药物的生产需要大量的细胞株和培养环境。悬浮细胞培养反应器可以提供更均一、稳定的细胞生长环境，保证基因工程药物的批量生产和质量一致性。此外，通过优化培养条件和基因改造，可以进一步提高细胞株的生产效率和产物质量。例如，在生物反应器悬浮培养关键技术中，包括高表达细胞株的改造、个性化培养基的定制、生产工艺的改进、生物反应器及配套设施的优化等四个方面，为基因工程药物生产提供了有力的支持。
三、悬浮细胞培养反应器的工作原理
1. 细胞悬浮培养原理简述
悬浮细胞培养是利用稳定的悬浮液作为培养基质进行细胞培养。这种培养方式操作难度相对较低，因为细胞在悬浮液中能够较为自由地生长和代谢，不需要像贴壁细胞那样依赖特定的表面进行生长。同时，悬浮培养对细胞的影响较小，能够减少因细胞与培养容器表面接触而产生的机械应力等不良影响。此外，悬浮培养便于规模化培养生产，由于细胞在悬浮液中分布较为均匀，可以通过增加培养体积等方式实现大规模的细胞培养，满足生物制药等领域对大量细胞的需求。2. 悬浮系的建立与继代培养简述
（1）悬浮系的制备方法：将疏松的愈伤组织放入液体培养基中，经过摇床不断振动，使细胞分散。通常适于愈伤组织生长的液体培养基也适用于同种植物细胞的悬浮培养，有时需要调节激素的浓度。一个成功的悬浮细胞培养体系必须满足三个条件：一是悬浮培养物分散性良好，细胞团较小，一般在 30～50 个细胞以下，实际培养中很少有完全由单细胞组成的植物细胞悬浮系；二是均一性好，细胞形状和细胞团大小大致相同，悬浮系外观为大小均一的小颗粒，培养基清澈透亮，细胞色泽呈鲜艳的乳白或淡黄色；三是细胞生长迅速，悬浮细胞的生长量一般 2～3 天甚至更短时间便可增加一倍。继代方法：用注射器或移管吸取一定量的含单细胞和小细胞团的悬浮培养物，并移到含有新鲜培养基的培养瓶里，继续进行培养。最佳时期：了解细胞数目增长变化 S 形曲线后，选择对数生长期和直线生长期进行继代。细胞生长曲线：在整个培养过程中，细胞数目不断发生变化，呈现出明显的由慢到快，再到慢，最后增长停止的细胞周期。细胞的生长呈 S 型曲线，包括滞后期、对数生长期、直线生长期、缓慢期和静止期。滞后期细胞很少分裂，其长短与接种量大小和继代时原种细胞所处的生长期有关；对数生长期细胞分裂活跃，细胞数目增加，增长速率保持不变；直线生长期细胞生长和发育最明显；缓慢期生长逐渐缓慢，培养液消耗尽，有毒代谢物质增多，氧气减少；静止期生长几乎处于停止状态，细胞数目增加极少，甚至开始死亡。3. 悬浮培养细胞的同步化简述
使同一培养体系中的细胞保持相对一致的细胞学和生理学状态，常用的处理方法有物理和化学方法。分选法：通过细胞体积大小分级，直接将处于相同周期的细胞进行分选，然后将同一状态的细胞继代培养于同一培养体系中。冷处理法：低温处理可以提高培养体系中细胞同步化的程度。饥饿法：先对细胞断绝供应一种进行细胞分裂所必需的营养成分或激素，使细胞停滞在 G1 期或 G2 期，经过一段时间的饥饿之后，当重新在培养基中加入这种限制因子时，静止细胞就会同步进入分裂。抑制法：通过向培养基中添加尿苷（1μg/ml），5 - 氟脱氧尿苷（2μg/ml）等化学抑制剂抑制细胞分裂，可使培养细胞同步化。有丝分裂抑制法：在指数生长期的细胞悬浮培养物中加入一定浓度的秋水仙素。![]()
四、悬浮细胞培养反应器的优势
1. 选择和悬浮驯化动物细胞系简述：对提高兽用疫苗生产效率和产品质量具有重要意义，要求细胞活力维持在 90% 以上。
在动物疫苗生产中，做好动物细胞系的选择和驯化至关重要。由于同一种细胞和准备扩增的病毒之间会产生相互作用，所以在大规模疫苗生产前，应让细胞系与目标病毒进行适应性选择。同时，细胞的生长特性决定了能否进行大规模增殖培养以及采用何种工艺。此外，悬浮细胞培养技术对细胞的繁殖效率、活力和生物稳定性要求较高，驯化是细胞悬浮的首要任务，最好能使细胞活力维持在 90% 以上。这样可以提高兽用疫苗的生产效率和产品质量。2. 最适培养基的选择简述：无血清培养基可降低污染和成本，个性化无血培养基加入特定生物活性物质促进细胞生长。
选择适宜的培养基是细胞悬浮培养技术的关键环节。一般情况下，动物细胞生长需要血清，但血清成分复杂、价格高昂且批次差异大，不利于疫苗生产。随着技术革新，无血清培养基逐渐替代血清培养基，降低了污染风险和生产成本。然而，单一的无血清培养基无法适用于多种细胞系培养，因此个性化无血培养基应运而生。在无血清培养基中加入转铁蛋白、胰岛素或纤连蛋白等特定生物活性物质，可以促进动物细胞快速繁殖生长。3. 选择恰当的生物反应器简述：作为关键设备，为细胞生长繁殖提供无菌环境，可逐级放大，影响疫苗生产成本。
生物反应器是细胞悬浮培养技术的关键设备，它利用细胞或酶作为生物催化剂，为细胞生长繁殖提供无菌环境。其最大优势是可逐级放大，而疫苗生产成本受生产细胞规模影响，所以生物反应器的选择直接关系到疫苗生产成本。在疫苗生产中，对生物反应器的要求包括生产效率高、可靠性强、成本低、安全性能强、活性强、便于控制质量和回收，同时具有较高的细胞密度。实际生产中常用的生物反应器有流床式、气升式和旋转式细胞培养系统等。4. 生产工艺的选择简述：不同生产工艺有各自特点和优势，可根据细胞和疫苗种类灵活选择。
生产工艺的选择决定了细胞悬浮培养技术的投入加工过程。按照培养方式不同，可分为分批式、流加式、半连续式、连续式以及灌流式操作等几种模式。不同的生产工艺具有各自的特点和优势，同时对应不同类型的生物反应器。在实际生产过程中，可以根据所培养细胞的不同和所生产的疫苗种类，灵活选择优化生产工艺。🎁
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