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>>细胞截留技术大比拼

细胞截留技术大比拼

[比较各种灌流式培养技术中不同细胞截留系统的技术特点]

作者:Christian Hetzel博士 文章来源:德国K?nigsinter市IUL仪器设备公司  点击数:6466  发布时间:2011-01-10

药物中的细胞成分是以高浓度在相对比例较小、最经济的生物反应器中进行培育的。此时,所使用的灌流系统必须具有细胞截留功能,以便尽可能地截留来自生物反应器的有用介质。最佳的细胞截留系统应该具有很高的灌流能力,并且具有很高的细胞截留能力。另外,细胞截留时还应尽可能地不影响细胞的活性。该系统还应该是一个坚固耐用的系统,在与外部反应器连接时,能够在最短的停留时间内把截留的细胞回输到培养反应器中。同时,从工业化生产的角度出发,该系统还应保证有很好的按比例放大的可能性。

市场上所有的细胞截留系统在小尺寸、小规格的情况下效果很好;但按比例放大之后,随着规格、尺寸的增大,其细胞截留的功能差异非常明显。市场中常见的此类设备有:旋转过滤器、沉降器、声波沉降器、错流过滤器、离心机和交错切向流动技术系统(简称为ATF系统)。


从工业化生产的角度出发,该系统还应保证有很好的按比例放大的可能性

离心机:有很好的放大性

在采用离心细胞截留装置的药剂灌流系统中,生物细胞反应器中的介质在离心泵的作用下被泵出,并在离心力的作用下将细胞分离,截留后浓缩,回输到生物细胞反应器中。该装置具有很好的细胞截留性能,可以使反应器中细胞浓度保持中等,而且在大批量的灌流生产过程中,有着很好的按比例放大性能。但相比较而言,其采购费用和运行费用比其他所有系统都要高。

这种方法的缺点是,在离心式细胞截留系统中,细胞在反应器之外的滞留时间长达10min之久,这对细胞的活性有着严重的影响。同时,由于离心原理所产生的剪切力也对细胞的活性有着严重的损害。

沉降器:简单又坚固的系统

另一种常用的细胞截留系统是沉降器。这是一种结构简单、坚固耐用的系统。它利用地心引力使细胞沉淀,并截留细胞。它把含有细胞的介质输入到沉降器中,细胞在重力的作用下沉淀下来,并被回输到生物细胞反应器中。没有细胞的介质悬浮在沉降器的上部。细胞在该系统中的滞留时间最长可达20min,这么长的时间超出了可控制的时间范围。细胞的截留情况中等,按比例放大的性能较好,可放大到日产100L的产能。在沉降器系统中不会出现污垢,但用户几乎没有对生产流程进行优化的可能性。

声波沉降器:中等产能最经济的选择

沉降器系统的更进一步的研发成果是声波沉降器(凝胶过滤色谱柱)。在该系统中,含有细胞的介质被输送到共振腔中,在声波的作用下增强了细胞沉淀的效果。按照这种方法截留的细胞被很快地回输到培育器中,处理后的介质中残留的细胞含量大约为5%。该系统不出现污垢,对保持细胞活性非常有利,同时也保障了细胞截留的效果。细胞在该系统中的滞留时间也减少到3~10min。声波沉降器的价格相对比较经济,产能1~250L,既可用于科研工作,也适合于在生产过程中使用。理论上,该系统按比例放大可以实现日产量1000L,但迄今为止还没有一台如此大规模的声波沉降器投入实际生产。


利用声波沉降器截留细胞的示意图

旋转过滤器:经济性方案

所谓的旋转过滤器,是一个安装在生物反应器中央的圆柱形过滤器。过滤器中没有细胞的液体介质由虹吸管吸入。该系统所产生的运行费用很低,细胞截留效果中等。在工业化生产实践中,这种旋转过滤器已经在日产千升的药剂灌流设备中得到了应用,但进一步按比例放大的实现难度也很大。该过滤器的规格与所用生物反应器尺寸相当。但旋转过滤器有一个缺点:长时间使用后有堵塞的可能性。次外,污垢也是它需要解决的一大难题。

错流过滤器:

截留性好,抗污能力差


错流过滤器:截留性好,抗污能力差

在错流过滤器系统中,来自生物反应器的液体介质被泵送到过滤器内,并切向沿着滤膜流动。滤膜能够只把液体介质吸收进去,使液体介质透过滤膜。在这种错流过滤器中,细胞的截留效果非常好,但它也像旋转过滤器一样在污垢清理方面存在较大的问题。该系统的另一个问题是作用在细胞上较大的剪切力。其原因是切向流动时的流动系数是法向流动的500倍。这就使得错流截留系统在大批量生产过程中很难得到应用。另外,在产能超过100L/d时,所需的过滤面积也只有利用空心纤维才能够实现。空心过滤纤维有很大的过滤面积,但同样对污垢和堵塞的抵抗能力很差。


错流过滤器的工作原理

ATF系统:最理想的生产系统

交错切向流动系统ATF在过滤细胞时使用的同样是空心纤维。这种ATF系统有唯一的一个与生物反应器连接的接口。它利用空心纤维、在垂直重力的作用下从反应器中吸取含有细胞的液体介质,并按相同的途径把细胞回输给培育器。在过滤过程中,液体介质的流动方向在空心纤维过滤膜的作用下沿两个方向运动;并能对离开过滤膜的细胞进行冲洗。从侧向,可以吸走没有细胞的液体介质。细胞在这种ATF系统中最长的停留时间约1~2min。由于该系统剪切力低、过滤面积较大且不易堵塞,它能够达到迄今为止密度最大的细胞过滤:每毫升2×108个细胞。


ATF系统的工作原理示意图

虽然这种ATF系统的采购成本相对较低,但是由于使用了空心纤维滤膜,因此其使用运行费用比其他系统要高。由于ATF系统保障了很高的沉降过滤性能,并有高达2000L的按比例放大性能,因此它在生产实践中非常受欢迎。

如何选用各种系统

在科研应用中,由于旋转式过滤器和声波沉降器具有较低的采购成本和较低的使用运行费用,而不失为一种不错的选择。若生产过程中对细胞密度的要求很高,声波沉降器是最佳选择。对于细胞密度高、同时也需要很好地按比例放大时,ATF系统会是您最佳的解决方案。尽管离心式细胞截留系统的价格较高,但在大批量灌流生产过程中,它却是最合适的工艺方法。