Волновые биореакторы и наращивание посевной культуры

Волновой биореактор — это частично заполненный мешок на платформе, качающейся на несколько градусов с частотой в единицы циклов в минуту. Движение гонит вдоль мешка бегущую волну, и волна делает сразу две вещи: перемешивает жидкость без мешалки и непрерывно обновляет границу газ–жидкость на свободной поверхности. Кислород входит из газового пространства через эту поверхность. Ни барботёра, ни мешалки, ни уплотнения вала, ни отражательных перегородок здесь нет.

Что даёт и чего стоит отсутствие пузырьков

Выигрыш в том, что снят основной механизм повреждения в барботируемой культуре. Как разобрано в статье системы газоснабжения биореакторов, суспензионные клетки страдают главным образом от схлопывания пузырька на поверхности, а не от сдвига у мешалки, — значит, аппарат, переносящий кислород без образования пузырьков, мягок по своей природе. Пенообразование слабое, потребность в защитном поверхностно-активном веществе ниже, а механическая простота позволяет сделать весь тракт единым предстерилизованным расходником, который нечего мыть и незачем пропаривать.

Плата — потолок. Площадь границы раздела в качающемся мешке ограничена свободной поверхностью, а её величину задают габарит мешка и уровень заполнения; умножить её так, как барботёр умножает площадь дроблением газа на пузырьки, невозможно. Угол, частота качания и степень заполнения — единственные рукоятки, и у каждой есть практический предел: круче или быстрее — и волна опрокидывается, захватывая воздух вместо того, чтобы переносить больше кислорода. Достижимый kLa качающегося мешка поэтому заметно ниже, чем у барботируемого аппарата с мешалкой того же объёма, и это свойство геометрии, а не недоработка конструкторов. Мешки существуют и на сотни литров, но кислородный потолок означает работу при плотностях, которые производственный аппарат счёл бы низкими. Это не изъян, а назначение машины.

Зачем вообще нужна посевная линия

Производственный биореактор нельзя запустить из криопробирки. Клеткам нужна минимальная жизнеспособная плотность посева, иначе роста не будет вовсе — при слишком сильном разведении удлиняется лаг-фаза или культура срывается, — поэтому каждая ступень наращивания увеличивает объём лишь в ограниченное число раз. Путь от замороженной пробирки с несколькими миллионами клеток до рабочего объёма в две тысячи литров проходит поэтому через цепочку сосудов, каждый из которых растёт по нескольку суток, и каждая перегрузка между ними — шанс на контаминацию и на сдвиг состояния клеток.

Именно в этой цепочке и стоят качающиеся мешки. Они заменяют качалочные колбы и малые аппараты с мешалкой средних ступеней замкнутым одноразовым сосудом с мягким перемешиванием, не требующим валидации очистки между продуктами, и позволяют одной ступени перекрыть диапазон объёмов, на который иначе ушло бы две. Кислородный предел здесь неважен: посевную культуру растят ради числа клеток, а не ради накопления продукта при высокой плотности.

Та же логика питает и интенсифицированные посевные линии: ступень N-1, качающаяся или с мешалкой, работающая в перфузионном режиме, набирает плотность много выше периодической, и засев производственного реактора из неё укорачивает производственный цикл и поднимает съём с объёма, не трогая сам производственный аппарат.