细胞培养中的混合
时间：2024-05-22 阅读：424
混合不仅可以保证均匀的条件
而且在提高传质方面
也起着重要的作用
这对于向细胞提供氧气和剥离二氧化碳很重要
大型哺乳动物细胞培养的混合通常由轴向泵叶轮提供，如倾斜叶片或水翼叶轮。与径向流叶轮(如Rushton叶轮)相比，轴流叶轮达到相同混合效率所需混合转速更低，故其施加在细胞上的剪切应力较低。
在大型生物反应器中，通常在容器周围使用挡板，以诱导湍流。没有挡板的存在，叶轮提供的循环能量不能充分促进适当混合所需的湍流运动。挡板的缺失也会导致中心涡旋的形成，这可能导致气体在顶空和培养液之间不受控制的传输。另一种增加流动湍流的策略是将叶轮轴偏心安装。这主要用于挡板不方便的情况下，如单用途生物反应器的情况。然而，使用偏心安装的叶轮欲达到同心叶轮相同的混合次数需要大约两倍的功率输入。
混合与通过体积功率输入(P/V)的曝气有关，如式(1)所示。体积功率输入是一个重要的工程参数，常被用作放大时的标准，以确保可比较的培养同质性。体积功率输入可通过式(2)测量或计算，其中Np为无量纲功率数，N为混合速度，Di为叶轮直径，V为体积。根据所用叶轮的类型，可以使用各种相关关系来评估搅拌容器的功率数，通常作为流动状态(雷诺数)和展弦比的函数。当流动是紊流时，在有挡板的容器中，功率数变得与雷诺数无关。
式(1)
式(2)
对于生物反应器中的CHO细胞培养物，通常调整混合速度以获得10-80 W/m3范围内的P/V。设置混合条件时必须考虑的另一个关键因素是叶轮尖端速度。由于高的叶轮尖端速度(νt)产生高剪切应力区，因此最小化νt是有利的。
在增加的空气或氧气喷射流量时，需要较低的混合速度，以保持气体传质系数(kLa)恒定。这反过来又增加了混合时间，并可能在培养液中产生异质性，包括由于不同的局部气体传质系数而产生的显著的溶解氧梯度。在较大的容器中，混合时间明显更长，这一事实可能进一步加剧这一情况。
例如，混合时间从3 L台式生物反应器的10 s增加到工业规模生物反应器的120 s。随着混合时间的增加，pH、溶解氧、二氧化碳和营养物质的浓度梯度逐渐增大。这些梯度可能会产生重要影响，因为细胞可能会通过一个非最佳操作条件的区域(所谓的微环境)，从而导致整体培养性能的降低。特别是糖基化模式被发现受到不同溶解氧水平的影响。pH不均一性也对活细胞密度和产品滴度产生负面影响。在生物反应器中，由于存在良好的混合区域和增大的静水压力，在靠近叶轮的底部存在较高的气体传质系数。为改善混合，通常建议尽量减少培养体积，并在叶轮附近进行碱添加，以减少pH峰值。
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参考文献：
Lucas Lemire, Phuong Lan Pham, Yves Durocher, and Olivier Henry 《Practical Considerations for the Scale-Up of Chinese Hamster Ovary (CHO) Cell Cultures》
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