Системы культивирования высокой плотности

Любая геометрия реактора в этом кластере — ответ на одну и ту же задачу, и задачу стоит сформулировать один раз. Кислород почти нерастворим в воде. Закон Генри задаёт равновесную концентрацию: среда в контакте с воздухом при 37 °C держит около 7 мг на литр, а обогащение газовой фазы поднимает этот потолок пропорционально и больше не делает ничего. Сосуд поэтому не может запасти кислород для плотной культуры — он способен только подавать его непрерывно, и подача есть скорость: OTR = kLa × (C* − C_L). Движущая сила мала и закреплена физикой, так что единственная реальная переменная — kLa, произведение плёночного коэффициента на удельную площадь границы раздела газ–жидкость. Отсюда и вид всех ответов: либо создать больше границы, либо быстрее прогонять жидкость мимо неё. Механика самой границы — барботёры, коалесценция, падение kLa от пеногасителя, повреждение клеток при схлопывании пузырька, накопление растворённого диоксида углерода — разобрана в статье системы газоснабжения биореакторов; здесь речь о том, что плотность делает с остальным процессом.

Почему у масштабирования нет правильного ответа

Геометрическое масштабирование переопределено. Сохраните удельную мощность — вырастет окружная скорость мешалки; сохраните окружную скорость — упадёт удельная мощность, а с ней и kLa. Время смешения растёт с объёмом при любом правиле, поэтому в большом аппарате есть градиенты — по растворённому кислороду, по pH, по концентрации подпитки, — которых нет в двухлитровом сосуде, и клетка в циркуляционном контуре живёт не в среднем режиме, а в колеблющемся. Удельный расход газа на единицу объёма с ростом аппарата падает, и именно это запирает диоксид углерода в больших ёмкостях. Ни одно правило не сохраняет всё сразу. Масштабирование поэтому начинается с выбора критерия, который держат, и продолжается прогнозом того, чем обойдутся отброшенные.

Куда смещается предел при высокой плотности

Если давить на плотность достаточно сильно, кислород перестаёт быть связывающим ограничением. Клетки млекопитающих на высокой глюкозе идут по пути аэробного гликолиза и выделяют лактат, катаболизм глутамина даёт аммоний. Оба ингибируют рост задолго до исчерпания питательных веществ: аммоний — на уровне единиц миллимоль, лактат — десятков, причём щёлочь, добавляемая на нейтрализацию молочной кислоты, дополнительно поднимает осмоляльность. Ради этого и существует перфузия. Это прежде всего технология вывода и лишь во вторую очередь кормления: непрерывный обмен среды удерживает ингибиторы ниже порога, что и позволяет выйти на плотности выше 10⁸ клеток в миллилитре, недостижимые в режиме с подпиткой.

Что ограничивает удержание клеток

Перфузия требует удерживать клетки, выпуская среду, и именно устройство удержания оказывается слабым звеном. Фильтрация на полых волокнах — в тангенциальном потоке или в варианте с переменным направлением, где поток каждый цикл разворачивается и сметает осадок с мембраны, — ограничена засорением: на стенке волокна нарастает гелевый слой из клеток, обломков и ДНК, трансмембранное давление растёт, а проницаемость по целевому белку падает, пока продукт не начинает удерживаться вместе с клетками. Реверс потока был придуман именно для того, чтобы это замедлить; отменить он этого не может. Ресурс устройства удержания, а не перенос кислорода, обычно и задаёт длительность перфузионной кампании.