Заказать звонок
Биореакторы для микроорганизмов и культивирования клеток: ключевые отличия и выбор оборудования
Биореакторы для культивирования микроорганизмов и клеточных культур различаются конструкцией и условиями эксплуатации. Бактериям и дрожжам, как правило, требуется интенсивное перемешивание и достаточное поступление кислорода. Клетки животных более чувствительны к механическому воздействию, поэтому для их выращивания подбирают оборудование с соответствующими режимами работы.
Независимо от назначения биореактор обеспечивает контроль температуры, кислотности и газового состава среды. От правильного выбора установки зависит жизнеспособность культуры, стабильность технологического процесса и выход целевого продукта.
Рассмотрим основные различия между этими видами оборудования, их применение и характеристики, на которые следует обратить внимание при выборе.
Независимо от назначения биореактор обеспечивает контроль температуры, кислотности и газового состава среды. От правильного выбора установки зависит жизнеспособность культуры, стабильность технологического процесса и выход целевого продукта.
Рассмотрим основные различия между этими видами оборудования, их применение и характеристики, на которые следует обратить внимание при выборе.
Фундаментальные различия: микроорганизмы и клеточные культуры
Главное различие связано с биологическими особенностями выращиваемых объектов. От их строения, скорости роста и потребности в питательных веществах зависят требования к оснащению установки.
Размер и структура клеток
Бактерии, дрожжи и клетки животных отличаются по размерам и устойчивости к внешним воздействиям.
- Бактерии обычно имеют размеры порядка 0,5–5 мкм. Большинство видов обладает клеточной стенкой, которая обеспечивает механическую защиту;
- Дрожжи чаще достигают 3–10 мкм. Их клеточная стенка также помогает выдерживать изменения окружающей среды;
- Клетки животных обычно имеют размеры около 10–30 мкм. Отсутствие жесткой клеточной стенки делает многие культуры более уязвимыми к повреждениям;
- Растительные клетки нередко достигают 20–100 мкм и более. Несмотря на прочную клеточную стенку, крупные клетки и их скопления могут разрушаться при сильном механическом воздействии.
Приведенные диапазоны ориентировочные. Фактические размеры зависят от вида организма, клеточной линии и условий выращивания.
Требования к питательной среде
Для микробной ферментации часто используют среды на основе источников углерода, азота, минеральных солей и необходимых факторов роста. Состав подбирают под конкретный штамм и продукт биосинтеза.
Биореактор для культивирования животных клеток обычно работает с более сложными составами. Они могут содержать аминокислоты, витамины, факторы роста и другие компоненты, необходимые для поддержания жизнеспособности культуры.
Особое значение имеет накопление продуктов клеточного метаболизма. Например, повышение концентрации лактата или аммония способно отрицательно влиять на рост некоторых линий. Поэтому при продолжительном культивировании может потребоваться частичное обновление среды.
Биореактор для культивирования животных клеток обычно работает с более сложными составами. Они могут содержать аминокислоты, витамины, факторы роста и другие компоненты, необходимые для поддержания жизнеспособности культуры.
Особое значение имеет накопление продуктов клеточного метаболизма. Например, повышение концентрации лактата или аммония способно отрицательно влиять на рост некоторых линий. Поэтому при продолжительном культивировании может потребоваться частичное обновление среды.
Чувствительность к механическому воздействию
При выращивании бактерий и дрожжей интенсивное перемешивание часто необходимо для равномерного распределения питательных веществ и эффективной передачи кислорода. Однако слишком высокие нагрузки могут повредить и микробные культуры, особенно мицелиальные грибы.
Для клеток животных важнее ограничивать локальные сдвиговые напряжения и неблагоприятное воздействие газовых пузырьков. При этом недостаточное перемешивание также нежелательно: оно приводит к неоднородности среды и ухудшению снабжения клеток кислородом.
Таким образом, оптимальный режим определяют экспериментально, учитывая потребности конкретной культуры.
Подробнее о классификации биореакторов читайте в нашей статье Лабораторные биореакторы: классификация и критерии выбора.
Для клеток животных важнее ограничивать локальные сдвиговые напряжения и неблагоприятное воздействие газовых пузырьков. При этом недостаточное перемешивание также нежелательно: оно приводит к неоднородности среды и ухудшению снабжения клеток кислородом.
Таким образом, оптимальный режим определяют экспериментально, учитывая потребности конкретной культуры.
Подробнее о классификации биореакторов читайте в нашей статье Лабораторные биореакторы: классификация и критерии выбора.
Конструктивные отличия биореакторов
Биореакторы для культивирования микроорганизмов и животных клеток могут иметь одинаковую базовую конструкцию — герметичный сосуд, систему управления, датчики и устройства подачи газов. Различия заключаются прежде всего в исполнении отдельных узлов и допустимых режимах их работы.
Для микробных процессов широко применяют ферментеры с механическими мешалками и барботерами. Их конструкция позволяет обеспечивать интенсивный массообмен при высокой потребности культуры в кислороде.
В работе с животными клетками используют как мешалочные аппараты, так и волновые, мембранные и другие системы. Конкретное решение зависит от типа клеточной линии, необходимой плотности культуры и технологического режима.
Например, при перфузии свежая среда поступает в аппарат, а отработанная удаляется через систему, удерживающую клетки внутри. Это позволяет поддерживать высокую плотность жизнеспособной культуры при соответствующей настройке процесса.
В работе с животными клетками используют как мешалочные аппараты, так и волновые, мембранные и другие системы. Конкретное решение зависит от типа клеточной линии, необходимой плотности культуры и технологического режима.
Например, при перфузии свежая среда поступает в аппарат, а отработанная удаляется через систему, удерживающую клетки внутри. Это позволяет поддерживать высокую плотность жизнеспособной культуры при соответствующей настройке процесса.
Типичные процессы и продукты
Биореактор для микроорганизмов чаще используют при получении продуктов микробного синтеза. Клеточные установки востребованы в разработке биологических препаратов и клеточных технологий. Однако граница между направлениями не абсолютна — один и тот же продукт иногда можно получать с помощью разных биологических систем.
Что производят с использованием микроорганизмов
Микробная ферментация применяется для получения:
- Ферментов. Амилазы, протеазы и липазы используют в пищевой промышленности, производстве моющих средств и других отраслях;
- Антибиотиков. Пенициллины получают с использованием плесневых грибов, а ряд других антибиотиков — при культивировании соответствующих бактерий;
- Органических кислот. Например, лимонную кислоту промышленно производят с помощью грибов Aspergillus niger, молочную — с участием молочнокислых бактерий;
- Биоэтанола. Дрожжевая ферментация позволяет преобразовывать сахара в этиловый спирт;
- Рекомбинантных белков. Бактерии и дрожжи применяют, в частности, при производстве инсулина и отдельных вакцинных антигенов.
При получении биодизеля микробные технологии также могут использоваться, например для синтеза липидов или ферментов, необходимых в дальнейшем производственном процессе.
Что получают при культивировании животных клеток
Биореакторы для культивирования клеток применяют в фармацевтических и медицинских разработках:
- Моноклональные антитела. Для производства многих препаратов используют клеточные линии млекопитающих, в частности CHO;
- Вакцины. Культуры животных клеток служат основой для размножения определенных вирусов и получения некоторых вакцинных компонентов;
- Терапевтические белки. Клеточные системы востребованы при производстве белков, требующих сложных посттрансляционных модификаций, например отдельных факторов свертывания крови;
- Продукты клеточной терапии. Специализированные установки используют для размножения T-лимфоцитов, включая CAR-T, и выращивания некоторых типов стволовых клеток.
В последнем случае конечным продуктом могут быть сами жизнеспособные клетки, а не выделенное из культуральной жидкости вещество. Это предъявляет особые требования к обращению с культурой, контролю ее качества и сохранению функциональных свойств.
Как выбрать биореактор для микроорганизмов или клеток
Перед закупкой важно определить, насколько технические возможности оборудования соответствуют планируемому процессу. Для предварительного выбора удобно использовать следующий чек-лист.
- Уточните биологический объект. Укажите вид микроорганизма или конкретную клеточную линию. Для адгезионных клеток определите необходимость микроносителей;
- Определите целевой продукт. Учитывайте, требуется ли получить биомассу, внутриклеточный метаболит, секретируемый белок или жизнеспособные клетки;
- Оцените потребность в кислороде. Для аэробного культивирования запросите данные о возможностях газообмена, включая коэффициент массопереноса кислорода kLa, если он имеет значение для процесса;
- Проверьте допустимые механические нагрузки. Выясните, какие мешалки или другие способы перемешивания предусмотрены и подходят ли они для выбранной культуры;
- Определите способ выращивания. Периодический режим, подпитка или перфузия требуют разной комплектации, в том числе насосов и устройств удержания клеток;
- Согласуйте требования к измерениям. Помимо температуры и pH, могут потребоваться контроль растворенного кислорода, CO₂ и дополнительные средства анализа культуральной жидкости;
- Продумайте дальнейшее масштабирование. Проверьте возможность переноса процесса на установку большей вместимости без существенного изменения условий роста;
- Оцените особенности эксплуатации. Уточните требования к стерилизации, совместимость расходных материалов, порядок обслуживания и доступность запасных частей.
Не следует ориентироваться только на максимальную вместимость и мощность привода. Эти показатели не определяют эффективность биореактора без учета требований конкретного биопроцесса.
Заключение
При выборе биореактора необходимо учитывать особенности культуры, требования к условиям ее выращивания и задачи технологического процесса. Правильно подобранное оборудование позволяет поддерживать жизнеспособность клеток, обеспечивать стабильность культивирования и получать воспроизводимые результаты.
Компания «ЛАМЕС» предлагает современное оборудование для культивирования клеточных культур. Специалисты помогут подобрать подходящую модель, определить необходимую комплектацию и согласовать условия поставки. Обратитесь за консультацией, чтобы получить профессиональную помощь в выборе биореактора для вашей лаборатории.
Компания «ЛАМЕС» предлагает современное оборудование для культивирования клеточных культур. Специалисты помогут подобрать подходящую модель, определить необходимую комплектацию и согласовать условия поставки. Обратитесь за консультацией, чтобы получить профессиональную помощь в выборе биореактора для вашей лаборатории.
Часто задаваемые вопросы
Технически это возможно только при существенной модернизации: снижении оборотов мешалки, замене импеллера на более щадящий и установке дополнительных датчиков (например, CO₂). Однако на практике это неэффективно и рискованно для чувствительных культур. Лучше использовать оборудование, изначально спроектированное для клеточных линий.
Перфузия – это непрерывная подача свежей среды и одновременный отбор культуральной жидкости с удержанием клеток в реакторе (с помощью фильтров или центрифуг). Этот режим обеспечивает сверхвысокую плотность клеток и применяется в основном в биореакторах для животных клеток при производстве моноклональных антител.
Да, критически. Для фармацевтического производства оборудование должно иметь функцию автоматической стерилизации на месте (SIP), валидируемые датчики, систему аудита действий пользователей (User Management) и возможность экспорта данных в формате, защищенном от изменений (например, PDF с электронной подписью).