细胞大规模培养的类型和方法（12）

  ③无泡搅拌反应器

    无泡搅拌反应器是一种装有膜搅拌器的生物反应器，这种反应器的开发和应用在生产中同时解决了通气和均相化的要求。无泡搅拌反应器采用多孔的疏水性的塑料管装配成通气搅拌桨：由于选用多孔塑料管具有良好的氧通透性，从而实现无泡通气搅拌。由于这类反应器能提供动物细胞生长中所需的溶氧要求，产生的剪切力较小以及在通气中不产生泡沫，避免了在其它反应器中常见的某些弱点，如泡沫形成等，因而已广泛应用于实验室研究和中试工业生产。

 1）膜

    膜由聚丙烯或其它材料制成，它被加工成多孔的管。德国GBF就采用Aevurel系列的多孔塑料管，用于无泡搅拌反应器的通气搅拌器。

    由通气试验证明，Aevurel多孔管以2.6mm外径最为合适。

    在细胞培养的通气中，疏水的多孔管浸入培养基中进行搅拌通气。气体可能由空气和二氧化碳或氧气和二氧化碳组成。

    在多孔管内的气体压力不能超过鼓泡压力，即气泡在膜外表面出现的静止内压，对于不湿润的疏水膜，相对于水的气泡压力约在13×10²Pa。上述这一要求是容易实现的，即加在管上的压力应比管内流动压力和气泡压力的总和高出10%。在那种情况下，就可以形成管外的气液界面层。即使当多孔管运动的单独的气泡不出现，其传质的情况基本上与气体鼓泡相似。

 2）膜搅拌器

    在细胞培养基中鼓泡，考虑到剪切的因素必须是均匀地和小心地运行。因此多孔管呈环状或篮状缠绕起来并在培养基中缓慢转动。这就产生了大量的培养基均匀地穿透并拟均相地向细胞培养物提供气源。对于5L以下的反应器采用软管已足够了，它缠绕在玻璃载体上，安装于反应器顶盖的中央。这时可以采用磁力搅拌驱动的方法将旋转磁体装在容器的下面。

    对于较大的反应器，这种搅拌结构由膜框来代替。多孔管缠绕在两个夹板环上，然后安装在一个导向盘上，该盘悬浮安装在反应器的端盖上，由一个偏心的安装在搅拌轴上的盘驱动。因此框架本身并不自转，但是沿着环形轨迹围绕反应器的中心旋转。

 3）传质性能

    物质通过多孔膜的交换过程是由气液之间的浓度或分压差所引起的。在细胞密度很高时，可能产生氧和二氧化碳的相对流动。氧由膜的内壁向液相扩散，二氧化碳则由液相向膜的内壁扩散。膜的周围液相可以认为是均相混和，气相的浓度则由其位置而定。因此影响物质的传递能力与下列因素有关。

    对于液体，界面层的更新受瞬间膜的流动速度影响；

    对于气体，流动速度和气体的质量流速决定了孔内的交换过程和沿着中空纤维的内部浓度分布。

    总的传递物质的量取决于每一个液体体积所用的膜的表面，即取决于每一个培养基单位所拥有的中空纤维膜长度。

 4）材料的性能

    由于人或哺乳动物细胞的培养通常是长时间的（约几个星期的）培养过程，因此对通气管的寿命有很高的要求。膜材料不能有任何细胞毒害性并能够耐某些营养成分如上清和氨基酸的侵蚀。在膜的表面不能覆有细胞或其它沉积物，以免影响气体传递状态。膜材料的可用性，只能通过实际的细胞培养实验来测定。

    在经过一次实验后，如在高压灭菌前能除去所有贴附的蛋白质。那么膜就可以再次使用。在此之前膜不能干燥。应采用1mol/L碳酸氢钠(NaHCO₃)溶液仔细地清洗之后，膜材料彻底地干燥，从而使疏水性质得以恢复。一般经过数次的清洗和灭菌，膜的操作性能仍能保持。

 5）反应器和过程开发

    用膜环和膜框通气的反应器几何尺寸高径比为1。对于大型的容器，高径比应小于1，这是由于膜的高度限制。反应器应装有独立的膜压力控制装置和独立膜内和罐盖下的通气装置。反应器应当有稳定地混和氮气、氧气、二氧化碳和空气的气体混和装置以满足溶氧和pH的控制要求。搅拌控制应在0～100r/min范围内可调。

    小型反应器通常在一定的转速下工作。溶氧的调节还可以通过氧分压的变化来加以调节。

    具有多孔疏水转动膜的细胞培养用无泡通气反应器，是深层通气之外的另一个非常好的手段。