利用质量流量控制解决生物反应器通气的缩放挑战
本文最初于 2021 年 6 月 29 日发表在 Fluid Handling Pro 上。 请在此处阅读原文。
图示了质量流量控制器将气体通入生物反应器的过程
生物反应器通气系统的设计旨在向细胞培养物中引入氧气，同时去除二氧化碳以防止毒性积聚。各种生物反应器的特征和组件对于优化这些过程至关重要，包括通气装置、搅拌器、挡板和反应器形状，它们都影响质量传递。
本文关注生物反应器中通气装置的使用，并讨论微型和大型通气装置的技术挑战，以及将脉冲调制通气作为挑战的解决方案。
背景：调节生物反应器中的氧气和二氧化碳水平
较小的生物反应器可以有效地分配氧气并除去二氧化碳，无需通气装置。然而，对于较大的生物反应器，由于较低的表面积与体积比，二氧化碳会积累并阻止氧气渗透。因此，通气装置是必要的，用于引入氧气和去除二氧化碳。
通常情况下，同时具有微型和大型通气装置的系统是有用的，因为它们可以适应各种工艺需求。例如，大型通气装置产生的较大气泡可以有效地从溶液中去除溶解的二氧化碳，但是这些大气泡需要强烈的搅拌来打破它们并释放氧气。
虽然这对于坚韧的细胞系可能没有问题，但搅拌可能会损伤较为脆弱的哺乳动物细胞。在这种情况下，可以先使用功率较低的大型通气装置去除二氧化碳，然后再使用串联的微型通气装置产生较小的气泡，更有效地输送氧气。
挑战：气泡特性决定氧气传递和二氧化碳脱除速率
气泡的形成和大小显著影响氧气在生物反应器中的分散。气泡的特性受多个因素影响，例如孔径大小和分布、通气装置材料、流速、液体和气体特性以及压力。例如，微型通气装置通常产生较小、球形的气泡，而大型通气装置产生的气泡稍大且形状不规则。
微型通气装置产生微米级大小的球形气泡，在其移动过程中，表面张力是主导力。因此，它们在反应器中停留时间较长，有助于氧气传递，但不适合去除培养基中的二氧化碳。大型通气装置产生直径平均为1-4毫米的气泡，受表面张力和浮力共同影响，其形状和运动受到影响。这些气泡停留时间较短，但较大的气泡不容易溶解。然而，大型通气装置可能产生较大、不对称的气泡，其行为受惯性力支配。这些气泡容易在不溶解或去除二氧化碳的情况下崩溃。
气泡的形状和大小决定细胞所受的剪切应力量、从系统中去除二氧化碳的效率，以及向细胞传递氧气的总体传递速率。因此，优化生物反应器中的通气装置非常重要，以确保氧气气泡大小和分布均匀，并且不会损伤细胞。
解决方案：使用质量流量控制器进行脉冲调制喷射
脉冲调制通气是一种通过调整气泡大小和释放速率来调节通气的方法。低流量的质量流量控制器将氧气缓慢地引入多孔通气装置盘中。在达到临界点之前，盘中的气体不会立即释放。当气压达到临界点时，气泡会被轻轻地释放到生物反应器中。
使用这种通气方法，氧气的质量流量可以调整，以控制气泡进入生物反应器的释放速率。通气装置盘上的孔径足够小，可以预测地形成气泡。因此，这种生物反应器通气技术可以适用于不同尺寸的容器，其氧气传递速率与气体流量成正比。