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生物反应器培养和摇瓶培养的区别

 更新时间:2023-02-07 点击量:1017
生物反应器培养和摇瓶培养的区别
      使用摇瓶在二氧化碳培养箱进行细胞培养,是细胞培养的基本方法。随着现代生物科学研究发展进步,使用生物反应器进行商业化生产也变得越来越普遍,生物反应器的应用逐渐满足小规模半生产能力的需求。
      同样是进行细胞培养,什么情况下使用摇瓶培养?什么情况下使用生物反应器培养呢?与摇瓶培养相比生物反应器有哪些优势呢?下面小编就总结一下从摇瓶转向生物反应器培养的 5 个理由:
一、生物反应器培养可获得更高的收益率
这是从摇瓶转向生物反应器的主要原因之一—您通常可以在更短的时间内获得更多目的产物。这可以是总生物量或特定产品的产量。比如:大肠杆菌(野生型,例如 K12)在摇瓶和生物反应器中生长的直接比较。1 个工作容积为 3L 的台式生物反应器相当于一个带有 18 个 5L 烧瓶的 3 层培养箱摇床。估计产值基于以下计算:细胞干重 CDW 与 OD600 转换为 ~0.36g/OD 单位(大肠杆菌、酵母)。1L OD 40 = 6.7L 的 OD 6。

摇瓶和台式生物反应器的产量比较:
摇瓶和台式生物反应器的产量比较:
摇瓶,分批过夜外径600 ~ 4-6
生物反应器,隔夜分批外径600 ~ 14-20
生物反应器,1 天补料分批外径600 ~ 40
生物反应器,2 天补料分批外径600 ~ 230
 
 请注意,所使用的值只是一个相对指示,取自多个来源。实际上,有几个因素会影响您的结果,包括:
A.应变(尤其是克隆,这可能会产生不需要的副作用,例如剪切敏感性)
B.优化程度
C.培养基质
D.运行条件 
二、实时生物过程信息
生物反应器的控制系统可以完成更多工作,比如:PH、DO 、液位、温度、气体、压力等。
摇瓶和生物反应器中典型培养参数的比较:
范围摇瓶生物反应器
温度
搅拌速度
喂养(✓ )
酸碱度(✓)
氧分压2(✓)
气体流量(✓)
出口 O 2和 CO 2气体值(✓)
气体混合
(✓)
生物质(✓)(✓)
氧化还原
(✓)
压力
(✓)
用于混合的单独气体控制
(✓)
电导率
(✓)
浊度
(✓)
表:生物反应器参数与培养箱摇床参数的比较。(✓)涉及需要额外设备的参数。
三、适应性
   摇瓶和生物反应器之间的一个主要区别是使用生物反应器提高了适应性。这不仅仅是可以测量和控制的单个参数的数量。测量值的质量和范围以及控制能力通常在摇瓶中受到更多限制。通常,温度等关键参数的控制会同时应用于所有摇瓶。对于许多筛选应用程序来说,这可能并不重要,但对于优化研究来说却是个问题。
适应性发挥作用的内容包括:
1.摇瓶系统的测量范围可能更受限制,例如 pH 范围
2.添加在线分析仪以获得额外信息的机会仅限于生物反应器
3.纠正单个摇瓶偏差的机会可能有限,例如,如果一个摇瓶需要更多的氧气转移,则只能更改所有摇瓶的摇床速度
4.用于离线分析的取样体积可能受限于小型摇瓶,并且需要对整体生长有害的处理,例如无菌风险、温度变化和暂时缺乏混合。
5.就摇床内的物理变化以及使用其他软件与任何总体生物过程平台解决方案集成而言,添加非标准参数更加困难。
 四、更好的控制
这是从摇瓶转变为生物反应器的价值的关键因素。这可以是使用生物过程软件提供的分阶段策略控制单个参数或完整的过程控制。摇瓶可以实现一些有用的控制策略,但它们要么范围有限,要么需要额外的设备。
生物反应器的控制策略:
1.温度变化感应
2.通过改变二氧化碳浓度促进生长
3.较大限度地减少蒸发造成的液体损失来延长培养时间
4.随着生物量的增加增加混合和充氧
5.通过改变底物诱导和/或延长持续时间
6.对于生物反应器,所有相同的可能性都存在,但新的可能性进一步扩展,即
7.分批补料或连续模式下的多次补料
8.用于 pO 2控制的多参数级联
9.在广泛的值范围内进行全面的双侧 pH 控制
10.按时间、事件和软传感器计算的结果进行分阶段控制
11.使用连续和灌注方法延长持续时间
五、 规模扩大培养
    由于过去十年产量的急剧增加,少量培养物可以包含高细胞密度或产品浓度。这使得摇瓶培养成为早期试验等应用的小规模生产的可行选择。然而,在预期扩大到商业水平的情况下,小型生物反应器可以为建立正确的标准提供良好的基础。主要体现在以下几个方面:
搅拌级反应器 (STR's) 仍然是生产规模生物反应器常见的形式,实验室规模的生物反应器多数使用这种反应器叶轮叶尖速度和体积传质等关键放大标准与生物反应器相关,但与摇瓶不直接相关小型生物反应器的控制策略和优化通常可以通过简单的按比例变化应用于更大规模培养密度将具有可比性,并且任何限制性问题(例如有毒产物的积累或剪切敏感性)都将在工作台规模上被发现。通常可以使用相同的控制器和仪器,但会因涉及探头长度和位置等因素的规模而发生变化,可以从本地控制器中提取更丰富的信息,传递给生物过程软件,并用于放大标准的分析。
      总而言之,细胞规模化扩培选用生物反应器的主要意义在于:
1.生物反应器中可能改进的混合和通气允许更高的细胞密度。对于给定的培养体积,这可以等同于更快的结果或更多的材料。
2.可能的测量和控制程度总是会更大。标准传感器和外围设备可以使生物反应器更适应用户要求。这增加了可用于分析和反馈到流程开发的数据量。
3.搅拌罐生物反应器的设计意味着它们通常比同等工作体积的摇床和培养箱摇床更紧凑。由于生物反应器通常产生更高的产量,因此可能只需要一个较小的系统。
4.自动喂养策略的范围更大。例如,很少使用袋子或摇瓶进行连续培养。
     如果实验中需要较大的培养密度、培养规模放大/缩小开发,那么可以选择台式生物反应器。
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