会员登陆

已注册过tools.eppendorf.cn网站会员可直接登录

会员注册

BioFlo 320 过程性能的评价

Bill Kelleher1, Chandrasekhar Nori2, Kevin Voll3, Khandaker Siddiquee3, and Ma Sha3
1 Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
2 Eppendorf Manufacturing Corporation, Enfield, CT, USA
3 Eppendorf, Inc., Enfield, CT, USA

 

简介
通常搅拌发酵罐和生物反应器一直被认为是专为各类培养(包括悬浮培养和贴壁培养)所设计的,如哺乳动物细胞、昆虫细胞、酵母、植物细胞和微生物。可靠的设计提供了可放大性和再现性,是过程开发和生产过程中节约成本的关键。然而,玻璃或不锈钢高温高压灭菌系统通常和一次性使用设备是分开设置的。

 

为了满足提高生物反应过程操控的灵活性及降低成本等需求,近年来Eppendorf 公司开发了一款新型的生物反应过程控制器 — BioFlo 320,如图1 所示。BioFlo 320 是一个先进的生物过程控制站,同时兼容可高温高压灭菌系统及一次性系统。

 

 

设计说明
Eppendorf 最新款生物过程产品 — BioFlo 320 集设计与实用于一体。工业化的设计、可高温高压灭菌及一次性使用罐体、智能传感器、以太网连接以及强大的软件系统,仅仅列举的这些特性,就已经使BioFlo 320 在众多竞争者中脱颖而出了。BioFlo 320 还配备了不同类型的搅拌桨,包括Eppendorf 公司独家设计的填充床式搅拌桨和细胞提升式搅拌桨。

 

混合时间
混合时间是描述一个发酵罐质量及混合效率的重要指标之一[1]。适当的混合能使溶氧传递,营养物质均匀分布,还能使pH、温度在发酵罐内保持均一。因此,适当的混合能提供最佳的培养环境。混合时间的测定采用文献中报道的pH 干预恢复法[2],结果如表3 所示。为了在不同体积发酵罐间保持可测量性,所有混合时间都在叶端速度0.6 m/s 下测定。

 

氧传递 — 不锈钢碟形底部罐体
OTR 是指氧气在发酵罐中从空气到液体的转移速率。OTR 是选择、设计、放大生物过程系统的重要依据[3]。氧气通常是好氧发酵过程的限制性因素,因此OTR 通常作为一个发酵罐发酵能力的参考依据。最常见的是用化学方法 — 亚硫酸钠法测定OTR,即在最大搅拌速率、发酵罐最大发酵体积时,在高通气量下(如每分钟1 发酵罐体积,1 vvm)测定OTR。图3 为四种尺寸的发酵罐在1 vvm通气量下测定的OTR 值。但事实上,高密度发酵在发酵过程中需要补氧,因此总通气量远大于1 vvm。BioFlo 320 拥有性能卓越的高流速热质量流量控制器(TMFC),能精确提供高达每分钟20 升(20 SLPM)的通气,实现了在不补氧的条件下得到较高的OTR。所有的实验都是在配备两个平叶搅拌桨及安装挡板的不锈钢碟形底部发酵罐中进行。

 

除了计算OTR,氧传递还可以表示体积传质系数kLa。kLa对确定通气效率以及量化操作变量对溶氧的影响具有重要的作用[3]。图4 为BioFlo 320 发酵罐在与测定OTR 相同的实验条件下测得的kLa 值。kLa的计算如Truesdale, Downing, Lowden 所描述的公式所示[4]

 

氧传递 —— 水套式罐体
一般细胞培养条件不允许高速搅拌,因此不能充分利用反应器的OTR 优势。在细胞培养条件下的氧传递只能用kLa作为象征性表示。BioFlo 320 生物反应器的kLa 是在固定搅拌桨的叶端速度0.6 m/s 及一反应罐工作体积的去离子水实验条件下测得的。kLa 分别在两种通气条件下计算,环形大泡分布器和微泡分布器,结果如图5 所示。

 

耗水速率
定义:
当以50 W/L 热量输入时,保持发酵罐内部温度为30°C,冷却水温度为5°C 时的用水量。在这项测试中,选择了最常用于放热发酵,需进行快速热量转移达到冷却目标的1 L 和10 L 不锈钢碟形底部发酵罐。

 

结果:
1 L 不锈钢碟形底部发酵罐=1 L/min
10 L 不锈钢碟形底部发酵罐=1.5 L/min

 

发酵罐加热和冷却性能
冷却性能:保持发酵罐内部温度为37 °C,冷却水温度为5 °C,需要输入的热量(W/L)。
最高温度:在最大搅拌速率及无通气条件下(0.0 VVM),能达到的最高可控温度。
发酵罐加热速率:在最大搅拌速率及无通气条件下,100%热量完全输出时,发酵罐内部温度从30 °C 升高到60 °C 的速率。
发酵罐冷却速率:在最大搅拌速率及无通气条件下,100%热量完全输出并且冷却水温度为5 °C,发酵罐内部温度从37 °C降低到20 °C 的速率。

 

 

结论
BioFlo 320 发酵罐的特点揭示了其优秀的生物过程工程参数,包括:
> 合理的设计及不同尺寸罐体间卓越的放大性能
> 在发酵及细胞培养条件下皆有高效的氧气传递
> 各尺寸罐体皆有较短的混合时间
> 在生物过程应用中具有优良的加热及冷却性能

 

参考文献
[1] Mayr B, Horvat P, Moser A. Engineering approach to mixing quantification in bioreactors. Bioprocess Engineering 1992; 8(3-4):137-143.
[2] Siddiquee K, Sha M. Large-scale production of human mesenchymal stem cells in BioBLU® 5c single-use vessels.
Eppendorf Application Note No. 334 2014. http://www.nbsc.com/files/334_Mesenchymal_Stem_Cells_5c.pdf
[3] Garcia-Ochoa F, Gomez E. Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes: An overview. Biotechnology Advances 2009; 27:153–176.
[4] Truesdale GA, Dowing AL, Lowden GF. The solubility of oxygen in pure water and sea water. Journal of Applied Chemistry 1955; 53-62.