细胞大规模培养的类型和方法（11）

  ② 通气搅拌生物反应器

    各种搅拌槽生物反应器的主要区别在于搅拌器的结构，根据动物细胞培养的特点，要求搅拌器转动时产生的剪切力小，温和性能好，环绕这两项要求，已开发了不少形式的搅拌器。迄今为止，每年仍有不少这方面的论文和专利陆续发表。但在已开发的各种形式的搅拌器，New Brunswick Scientfic Co开发的笼式通气搅拌器基本上能符合上述两项要求。

  1）笼式通气搅拌生物反应器

    笼式通气装置最早于1984年英国科学家Spier发明。笼式通气装置的特点主要是可以避免在向培养基中通气时，气泡不会直接损伤细胞。同时在采用微载体系统培养时，微载体不会被由于通气所产生泡沫而裹扶在气液界面。采用400目(38μm)的不锈钢丝网制成的笼结构，微载体也不会贴附在丝网的表面。因此由一个多孔的通气装置在笼内通气以满足培养时溶氧的需要。实验的结果表明培养过程最为麻烦的泡沫也得到了控制，比没有此结构时少得多。采用Cytodexl微载体培养BHK细胞在这个反应器中达到了与静止的大方瓶单层培养相同的结果。

    在Spier研究成果的基础上，美国新布朗斯威克（NBS）公司研究人员开发一种改进的笼式通气搅拌装置，于1987年前后作为商品推向国际市场。安装有这类装置的细胞培养生物反应器有1.5L，2.5L，5L的CellGen和15L，30L以至于1000L的Microlift。作为对最初设计的笼式通气搅拌装置的重大改进，在NBS装置中分别为笼式的通气腔和笼式的消泡腔。气液交换在由200目（75μm）不锈钢丝网制成的通气腔内实现。在鼓泡通气过程中所产生的泡沫，经管道进入液面上部的由200目（75μm）不锈钢丝网制成的笼式消泡腔内，泡沫经丝网破碎分散成气、液两部分，达到深层通气而避免产生泡沫的结果。该反应器已成功地用于各国的科研和中试生产。在细胞生长期，搅拌器转速一般保持在30～60r/min范围内。当三个导流筒随搅拌同步转动时，由于离心力的作用，在搅拌器中心管内产生负压，迫使搅拌器外培养基流入中心管，沿管螺旋上升，再从三导流筒口排出，绕搅拌器外缘螺旋下降，使培养基和悬浮的细胞或附着细胞的微载体反复循环。由流体搅拌加流体循环，使反应器内流体混和相当好。经用塑料球示踪法和光导法，分别测定流体的循环时间和混和时间与搅拌器转速。

    搅拌器运转时，产生的剪切力有多大？经用热线风速仪测定2.5L和5L罐的时均速度和脉动速度分布，两种尺寸罐的两种速度分布线相似。从5L罐的时间速度和脉动速度分布可以看出，除在导流筒转动平面处时均速度和脉动速度分布有较小的梯度外，远离此平面的区域速度分布线相当平坦，速度梯度很小。由此可以预断，对比其它构型生物反应器来说，CelliGen罐内剪切力是比较小的。我们曾在1.5L、2.5L、5L CelliGen罐用微载体培养系统培养Vero细胞和乙脑病毒以及CHO细胞都获得了满意的结果。由实践说明，CelliGen罐能满足微载体系统培养动物细胞的要求。

 2）双层笼式通气搅拌器生物反应器（Cellcul-20）

    虽然CelliGen罐有许多优点，但经原理和实践分析，CelliGen罐还存在如下缺点：

  1)气路系统不能就地灭菌，只能把罐体放在消毒锅内高压灭菌。这种灭菌方式不能用于大型生物反应器。
  2)氧传递系数小，不能满足培养高密度细胞时的耗氧要求。
  3)笼式通气搅拌器结构复杂，拆卸清洗困难。

    针对以上缺点，并参照其它反应器装置，在放大设计生物反应器，尚需作如下改进：

  1)改变气路系统，使能就地灭菌。
  2)采用具有静止密封的磁力驱动装置，机械加工精度要求不高，不泄漏，不易造成污染。
  3)将单层笼式通气搅拌器改为双层笼式通气搅拌器，以扩大丝网交换面积，使氧传递系数提高。
  4)改进罐体拆装和附属配件等。

    根据上述改进，研制的20L双层笼式通气搅拌器生物反应器，与控制系统、管路系统、蒸汽灭菌系统组装成完整的动物细胞培养装置CellCul-20反应器用于悬浮培养杂交瘤细胞，生产单克隆抗体和用于微载体培养Vero细胞和乙脑病毒，都取得了满意的结果。