分批式操作
定義與特點(diǎn):分批式操作是細(xì)胞規(guī)模培養(yǎng)中較早期采用的方式,也是其他操作方式的基礎(chǔ)。該方式采用機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器,將細(xì)胞擴(kuò)大培養(yǎng)后一次性轉(zhuǎn)入生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。在培養(yǎng)過(guò)程中,其體積不變,不添加其他成分,待細(xì)胞增長(zhǎng)和產(chǎn)物形成積累到適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后,一次性收獲細(xì)胞、產(chǎn)物和培養(yǎng)基。
優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)單,培養(yǎng)周期短,染菌和細(xì)胞突變的風(fēng)險(xiǎn)小。反應(yīng)器系統(tǒng)屬于封閉式,培養(yǎng)過(guò)程中與外部環(huán)境沒有物料交換,除了控制溫度、pH值和通氣外,不進(jìn)行其他任何控制,因此操作簡(jiǎn)單,容易掌握。
應(yīng)用:由于培養(yǎng)過(guò)程工藝簡(jiǎn)單,對(duì)設(shè)備和控制的要求較低,設(shè)備的通用性強(qiáng),反應(yīng)器參數(shù)的放大原理和過(guò)程控制比較易理解和掌握,在工業(yè)化生產(chǎn)中分批式培養(yǎng)操作是傳統(tǒng)的、常用的方法。
流加式操作
定義與特點(diǎn):流加式操作是在分批式培養(yǎng)的基礎(chǔ)上,采用機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器系統(tǒng),懸浮培養(yǎng)細(xì)胞或以懸浮微載體培養(yǎng)貼壁細(xì)胞。在培養(yǎng)過(guò)程中根據(jù)細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不斷消耗和需求,流加濃縮的營(yíng)養(yǎng)物或培養(yǎng)基,從而使細(xì)胞持續(xù)生長(zhǎng)至較高的密度,目標(biāo)產(chǎn)品達(dá)到較高的水平。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程沒有流出或回收,通常在細(xì)胞進(jìn)入衰亡期或衰亡期后進(jìn)行終止回收整個(gè)反應(yīng)體系,分離細(xì)胞和細(xì)胞碎片,濃縮、純化目標(biāo)蛋白。
優(yōu)點(diǎn):流加培養(yǎng)根據(jù)細(xì)胞生長(zhǎng)速率、營(yíng)養(yǎng)物消耗和代謝產(chǎn)物抑制情況,流加濃縮的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基。流加的速率與消耗的速率相同,按底物濃度控制相應(yīng)的流加過(guò)程,保證合理的培養(yǎng)環(huán)境與較低的代謝產(chǎn)物抑制水平。此外,流加培養(yǎng)過(guò)程須掌握細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和能量代謝動(dòng)力學(xué),研究細(xì)胞環(huán)境變化時(shí)的瞬間行為。
應(yīng)用:流加培養(yǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)是基礎(chǔ)培養(yǎng)基和流加濃縮的營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基。通常進(jìn)行流加的時(shí)間多在指數(shù)生長(zhǎng)后期,細(xì)胞在進(jìn)入衰退期之前,添加高濃度的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)??梢蕴砑右淮我部商砑佣啻螢榱俗非蟾叩募?xì)胞密度往往需要添加一次以上直至細(xì)胞密度不再提高;可進(jìn)行脈沖式添加也可以降低的速率緩慢進(jìn)行添加但為了盡可能的維持相對(duì)穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境后者采用較多;添加的成分比較多凡是促細(xì)胞生長(zhǎng)的物質(zhì)均可以進(jìn)行添加。
生物反應(yīng)器培養(yǎng)細(xì)胞半連續(xù)式操作
定義與特點(diǎn):半連續(xù)式操作是一種介于分批式和連續(xù)式之間的操作模式。在這種模式下部分培養(yǎng)基會(huì)被定期移除并替換為新鮮的培養(yǎng)基以維持細(xì)胞的生長(zhǎng)條件。這種操作模式有助于減少代謝廢物的積累并提供更穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境。
應(yīng)用:半連續(xù)式操作常用于需要長(zhǎng)時(shí)間維持細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)中如干細(xì)胞培養(yǎng)等。通過(guò)定期更換部分培養(yǎng)基可以有效地延長(zhǎng)細(xì)胞的生存期并保持其功能特性。
連續(xù)式操作
定義與特點(diǎn):連續(xù)式操作是一種持續(xù)流動(dòng)的培養(yǎng)模式其中新鮮培養(yǎng)基不斷流入反應(yīng)器而含有細(xì)胞和代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)基則不斷流出。這種操作模式可以提供更加穩(wěn)定和可控的生長(zhǎng)條件但同時(shí)也需要更復(fù)雜的設(shè)備和控制系統(tǒng)來(lái)維持恒定的流速和壓力等參數(shù)。
應(yīng)用:連續(xù)式操作適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)中如生物制藥生產(chǎn)過(guò)程中的某些步驟等。通過(guò)精確控制培養(yǎng)條件可以實(shí)現(xiàn)高效率的生產(chǎn)并降低生產(chǎn)成本。
灌流式操作
定義與特點(diǎn):灌流式操作是一種特殊類型的連續(xù)式操作其中培養(yǎng)基不僅持續(xù)流入還通過(guò)特定的裝置(如濾器)被循環(huán)使用以減少?gòu)U物排放并提高資源利用率。這種操作模式結(jié)合了連續(xù)式和半連續(xù)式的優(yōu)點(diǎn)能夠提供更加高效和經(jīng)濟(jì)的培養(yǎng)方案。
應(yīng)用:灌流式操作常用于環(huán)保領(lǐng)域和資源受限的情況下如廢水處理和生態(tài)修復(fù)等。通過(guò)循環(huán)利用培養(yǎng)基可以減少對(duì)新鮮水源的需求并降低運(yùn)營(yíng)成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的可持續(xù)貢獻(xiàn)。