波浪式生物反应器的表征：停留时间分布
时间：2024-06-19 阅读：530
近年来治疗性抗体
在现代医学中
发挥着越来越重要的作用。
由于这些抗体的高剂量要求，因此人们对旨在提高生物制造能力的技术开发越来越感兴趣。
这些技术大多集中于哺乳动物细胞培养，因为它们能够进行翻译后修饰，这是获得具有生物学功能的抗体所必需的。生物制造领域的大多数发展都与生物反应器性能的提高有关。
目前有几种生物反应器可用于贴壁或悬浮培养。其中，一次性反应器近年来受到越来越多的关注，波浪式生物反应器是其中最有趣的一种。在该系统中，诱导细胞培养物的波动(波浪)运动，保证良好的混合和氧传递，而不会对细胞造成剪切损伤。此外，该反应器不需要任何清洗或灭菌过程，因此操作简单，能最大限度防止交叉污染。
波浪式生物反应器摇摆的创新机制，需要更好的表征反应器操作。这将使有关波浪式生物反应器的专有技术可以与更常见的生物反应器(如搅拌槽式反应器(STR))相媲美。
在这种表征中最重要和广泛使用的工具之一是停留时间分布(RTD)的测量和分析。简而言之，RTD函数E(t)用于测量“流体元素”(仍可确定浓度等连续性质的小体积流体)的各种组分在反应器内停留的时间。通过与理想反应器的RTD进行比较，如连续搅拌槽反应器(CSTR，入口示踪物完美地混合到反应器的本体中)和柱塞流式反应器(PFR，其中没有混合，流体元素以相同的顺序离开)，有可能评估在真实反应器中的混合，并确定可能偏离理想行为的性质，这是许多操作问题产生的原因。实验示意图见图1。
图1：实验装置示意图
(a)波浪和(b)搅拌槽生物反应器的实验设置
(1)烧杯与水;(2)进口;(3)出口;(4)取样烧杯;(5)蠕动泵。
评估波浪式反应器的停留时间分布(RTD)，以表征其混合和流动特征，并与理想模型和商业STR进行比较是现有较为常用的方法。测定RTD一般会使用亚甲蓝脉冲输入法对RTD进行测量，在三种哺乳动物细胞培养常见的流速下，通常为低(L: 3.3 × 10-5 m3/h)，中(I: 7.9 × 10-5 m3/h)和高(H: 1.25 × 10-4 m3/h)进行培养。定期取样，在660 nm处测定吸光度值。
最终结果表明，在L流量下，连续实验的波浪式生物反应器行为近似于STR，对于I和H流量，来自波浪式生物反应器数据的最小二乘法拟合表明与理想模型有相当大的偏差。此外，波浪式生物反应器和STR的平均停留时间(tr)与穿行时间(τ)的比较为它们行为的不理想性提供了可能的解释。对于STR，在所有测试的流速中，tr都低于τ，这表明反应器内部出现了死区(运行过程中进入培养物的示踪物由于搅拌和流速的影响进入到无法流出的角落区域)。在波浪式生物反应器中，在流速H下观察到相同的结果。然而，对于流L和I，偏离理想行为可能是反应器内部短路(示踪物从进口2进入后未经混合直接由出口3出去)发展的结果，如tr高于τ所示。目前的研究表明，流速的选择将强烈影响波浪式生物反应器的行为。使用低流量似乎是一种更接近理想模型(CSTR)的选择。
图2：波浪生物反应器中停留时间分布
与搅拌池生物反应器(STR)中停留的时间分布的比较。
L: 3.3 × 10-5 m3/h，I: 7.9 × 10-5 m3/h，H: 1.25 × 10-4 m3/h。
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• 增加部分联动设计，更适用细胞治疗客户应用场景；
• 使用气体质量流量计 (MFC) 对气体进行精准计量。
参考文献：
WAVE BIOREACTOR CHARACTERIZATION: RESIDENCE TIME DISTRIBUTION DETERMINATION. M. Elisa Rodrigues, A. Rita Costa, Mariana Henriques, Joana Azeredo, Rosário Oliveira IBB-Institute for Biotechnology and Bioengineering, Centre of Biological Engineering, Universidade do Minho, Campus de Gualtar 4710-057, Braga, Portugal
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