动物细胞培养反应器

动物细胞培养生物反应器随着基因工程的发展，通过动物细胞的培养所生产出多种疗效高的药物、灵敏的诊断试剂及生物技术制品，目前在这一方向上正发展成为一支高新技术产业。

由于动物细胞与微生物细胞有很大的差异，对体外培养有严格的要求，如动物细胞对剪切非常敏感，反应器的设计不能像微生物细胞那样高的剪切力，因此，传统的微生物细胞反应器应该经过改造才能适用动物生物反应器，根据动物细胞的特点，开发新型的生物反应器显得十分重要和迫切。

一、动物细胞培养过程（一）动物细胞培养概论动物细胞培养（cell culture）是从动物体内取出细胞并分散成单个细胞，模拟体内的生长环境，在无菌、适温和丰富的营养条件下，使细胞在体外继续生存、生长、增殖并维持结构和功能的一门技术。

体外培养可分为原代培养（primary culture，亦称初代培养）和传代培养（subculture，亦称继代培养）。

原代培养是指从机体内取出的细胞进行初次培养的过程。

培养的细胞大约增殖10代左右称为原代细胞（primary cell）；从原代培养的细胞继续转接培养称为传代培养。

动物细胞体外培养的历史可追溯到1907年，美国生物学家哈里森Harrison在无菌条件下，以淋巴液为培养基成功地在试管中培养了蛙胚神经组织达数周，并观察到细胞突起的生长过程，创立了体外组织培养法。

1923年，法国学者卡勒尔设计的卡氏培养瓶用于培养鸡胚的心肌组织取得成功，也使得多种动物组织培养获得成功。

20世纪80年代以来，随着基因工程技术和细胞融合技术的迅速发展，人们已经能够把特定的外源基因通过PCR扩增，并转染到动物细胞内，得到高质量的表达，由此可生产各种特殊的生物制品。

德国生物技术公司Hauser用一个含人的IFN-β基因的科斯质粒pCOSIFN-βNDA（36000碱基对）与质粒pHC792COS/tk+DNA（含有单疱疹病毒的tK基因）通过磷酸钙沉淀技术，共转移进入小鼠LK-细胞，从而得到含干扰素基因的能分泌干扰素的细胞克隆。

动物细胞大规模培养用生物反应器（bioreactor）简介动物细胞培养技术能否大规模工业化、商业化，关键在于能否设计出合适的生物反应器（bioreactor）。

由于动物细胞与微生物细胞有很大差异，传统的微生物反应器显然不适用于动物细胞的大规模培养。

首先必须满足在低剪切力及良好的混合状态下，能够提供充足的氧以供细胞生长及细胞进行产物的合成。

一、生物反应器分类目前，动物细胞培养用生物反应器主要包括：转瓶培养器、塑料袋增殖器、填充床反应器、多层板反应器、螺旋膜反应器、管式螺旋反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器、流化床反应器、中空纤维及其它膜式反应器、搅拌反应器、气升式反应器等。

按其培养细胞的方式不同，这些反应可分为以下三类：1.悬浮培养用反应器：如搅拌反应器、中空纤维反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器、气升式反应器；2.贴壁培养用反应器：如搅拌反应器（微载体培养）、玻璃珠床反应器、中空纤维反应器、陶质矩形通道蜂窝状反应器；3.包埋培养用反应器：如流化床反应器、固化床反应器。

二、搅拌罐生长反应器这是最经典、最早被采用的一种生物反应器。

此类反应器与传统的微生物生物反应器类似，真对动物细胞培养的特点，采用了不同的搅拌器及通气方式。

通过搅拌器的作用使细胞和养分在培养液中均匀分布，使养分充分被细胞利用，并增大气液接触面，有利于氧的传递。

现已开发的有：笼式通气搅拌器、双层笼式通气搅拌器、桨式搅拌器、海般式搅拌器等。

三、气升式生物反应器1979年首次应用气升式生物反应器成功的进行了动物细胞的悬浮培养。

气升式生物反应器的话优点：罐内液体流动温和均匀，产生剪切力小，对细胞损伤较小；可直接喷射空气供氧，因而氧传递率较高；液体循环量大，细胞和养分都能均匀分布于培养液中；结构简单，利于密封并降低了造价。

常用的气升式反应器有三种：内循环式气升式、外循环式气升式、内外循环式气升式生物反应器。

动物细胞生物反应器的优化与应用动物细胞生物反应器是一种用于生产生物制品（如蛋白质、抗体、疫苗等）的装置，其主体为培养细胞的反应器容器，内部也包含了诸如传质与扰动等方面的细节。

但是，在实际操作中，存在着许多与反应器操作有关的问题，例如生物体积限制问题、浓度分布问题、混合问题及氧输送问题等。

这些问题的存在也导致了生产效率的下降、产品产率的降低以及产品质量的下降，因而，如何优化动物细胞生物反应器，成为了当前的研究课题之一。

一、动物细胞培养的基本概念动物细胞培养是指将动物细胞在无菌的环境下通过培养基、生长因子等物质的提供，使其在体外生长、分化与繁殖的过程。

由于体外环境的变化，许多人体内细胞在体外无法生长，因此需借助动物细胞生物反应器，进行体外细胞培养。

二、优化动物细胞生物反应器的策略1. 拓扑优化：拓扑设计是指将容器内的液体进行物理上合理的摆放，以保证器内生物体积的最大，因而也可以达到对于样品分布的优化。

例如，采用最优的基础形状，避免流体对角度的变化以避免边界性影响。

2. 内部流体和氣流优化：反应器内部的流体混合对于细胞均一、培养条件等方面影响较大。

因此，通过改善混合机制、流动顺序和方向，可以较大的优化反应器的培养质量。

3. 气体输送的优化：动物细胞的培养同样需要氧气供应；因此，气体输送的优化也相当重要。

根据需求，需要提供最优化的氧气含量以保证细胞的生长。

4. 扰动优化：扰动对于细胞是一种有益的刺激，可有效激活运动量小的细胞，并促发它们的计数和分化。

因此，通过鼓励适当的扰动力度，可有效提高细胞的生长及繁殖效率。

三、动物细胞生物反应器的应用案例1. 大规模生产生物制品：动物细胞生物反应器可生产各种生物制品，并且通过优化反应器整体和更改取样协议，生产效率可大大提高。

2. 规模化生产活体免疫细胞：通过结合干细胞技术和生物反应器技术，可用于在大规模生长活体免疫细胞，例如用于移植高等教育。

3. 细胞治疗：利用动物细胞生物反应器生产大量可用于细胞治疗的干细胞和多潜能干细胞，也可用于细胞爆破和制备临床质量的单细胞悬浮液。

动物细胞生物反应器研究发展摘要：现如今，随着社会经济的飞速发展，动物细胞培养在当今生物制品生产中已越来越重要，而动物细胞培养的最主要设备就是生物反应器。

生物反应器是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，是1种生物功能模拟机，是实现产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。

关键词：动物细胞；生物反应器；研究发展引言动物细胞生物反应器是模拟动物的体内环境并在体外进行生物培养的系统，它是一个集机械、流体、控制、生物等多学科的高新技术产品。

其控制的参数主要有温度、溶解氧（ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ，ＤＯ）、ｐＨ、流体动力学、营养物质、代谢产物的浓度等。

最终目的是为了达到细胞高密度增长，高效地产出具有医药价值的酶、单抗、疫苗等目标产物。

相比于传统的生物制品生产工艺，生产周期长、操作繁琐、工作量大、易污染等诸多缺陷，生物反应器系统具有更好的稳定性和安全性，大量节省劳动力、生产场地和能源消耗，降低生产成本，具有明显优势。

1生物反应器培养动物细胞的优势1.1扩大病毒产量生物反应器的推广能改变动物细胞的培养方式，在增加动物细胞密度的基础上，有效提高病毒滴度，利于扩大病毒产量。

PAＲK等在200L生物反应器中悬浮培养BHK-21细胞，第3天即得到每毫升7．65×106个细胞的活细胞密度。

该细胞为口蹄疫病毒疫苗制造的连续细胞系，充分提升了口蹄疫疫苗的生产潜力。

1.2降低成本生物反应器的推广推动了口服疫苗的进程，有利于在确定的培养条件下快速、重复性地展开生产，发挥更高的成本效益。

LESELLIEＲ等为降低英国牛结核病发病率，选择对携带传染源牛分枝杆菌的欧洲獾进行结核病的疫苗接种。

在广阔的地理范围内，采用口服方式能充分发挥疫苗的最佳疗效。

但口服减毒卡介苗的常规生产多基于液体培养基表面的薄膜生长，利用生物反应器开展培养，所得浓度能远远超过同条件下的薄膜生长，在简化制作工序的同时，更加强了操作的循环性，实现成本节约。

细胞培养反应器的操作模式动物细胞大规模培养的生物反应器操作模式，一般分为分批式操作（batch）、流加式操作（Fed-batch）、半连续式操作（semi-continuous）、连续式操作（continuous）和灌流式操作（perfusion）五种操作模式。

1.批式操作（batchculture）批式操作是动物细胞规模培养进程中较早期采用的方式，也是其它操作方式的基础。

该方式采用机械搅拌式生物反应器，将细胞扩大培养后，一次性转入生物反应器内进行培养，在培养过程中其体积不变，不添加其它成分，待细胞增长和产物形成积累到适当的时间，一次性收获细胞、产物、培养基的操作方式。

该方式的特点:(1)操作简单。

培养周期短，染菌和细胞突变的风险小。

反应器系统属于封闭式，培养过程中与外部环境没有物料交换，除了控制温度、pH值和通气外，不进行其他任何控制，因此操作简单，容易掌握；(2)直观的反应细胞生长代谢的过程。

由于培养期间细胞的生长代谢是在一个相对固定的营养环境，不添加任何营养成分，因此可直观的反应细胞生长代谢的过程，是动物细胞工艺基础条件或"小试"研究常用的手段；(3)可直接放大。

由于培养过程工艺简单，对设备和控制的要求较低，设备的通用性强，反应器参数的放大原理和过程控制，比较其它培养系统较易理解和掌握，在工业化生产中分批式操作是传统的、常用的方法，其工业反应器(Genetech)规模可达12000L。

分批培养过程中，细胞的生长分为五个阶段：延滞期、对数生长期、减速期、平稳期和衰退期。

分批培养的周期时间多在3~5天，细胞生长动力学表现为细胞先经历对数生长期（48~72h）细胞密度达到最高值后，由于营养物质耗劫或代谢毒副产物的累积细胞生长进入衰退期进而死亡，表现出典型的生长周期。

收获产物通常是在细胞快要死亡前或已经死亡后进行。

经过改进的搅拌式生物反应器，目前仍是大规模培养动物细胞用以生产各种药物的主要设备，也是早期用以生产单抗的主要途径。