科学者が化合物の合成または変換に微生物を使用する方法を発見して以来、バイオリアクターは単純なフラスコから、バイオプロセスの制御と監視のための多くのオプションを備えた高度な機械へと進化してきました。バイオリアクターは、必要なすべての栄養で細胞をサポートし、適切な pH レベルとガスバランスを維持する必要があります。したがって、物質移動のアプローチは常に注目されています。
現在市場に出回っている最も一般的な発酵技術は、エネルギー入力に機械式スターラーまたは圧縮ガスを使用しています。どちらの技術も完璧ではありません。たとえば、機械的スターラーは、乱流と停滞レベルの高いゾーンの形成を促進します。これにより、培養液量全体に栄養素が不均一に分布し、発酵プロセス中に細胞によって生成された代謝産物が不均一に除去されます。
さらに、攪拌翼の連続的な動きは、細胞の培養にも悪影響を与えるせん断応力とその端部付近の局所的な過熱を引き起こします。対照的に、エアリフト バイオリアクターは、細胞への外傷を少なくし、よりエネルギー効率の高い培養プロセスを促進する気流を使用します。しかし、エアリフト バイオリアクターは高レベルの泡立ちがあり、出現する気泡の表面で培養細胞が死滅します。さらに、それらはバイオリアクターの使用量が制限され、粘性液体にはあまり効果がありません.
渦特性に着想を得て、センター オブ ヴォルテックス テクノロジーズ (ロシア、ノボシビルスク) のエンジニアは、ガス渦バイオリアクターの構築に実装された、物質移動と通気に対する根本的に異なるアプローチを開発しました (欧州特許番号 EP2746382 A1、2011)。 .ガス渦バイオリアクターは、上部の遠心活性化装置とプロペラを使用して、培地表面にある安定化ディスクを介して液相でガス渦の動きを促進する集中空気渦を作成します。さらに、バイオリアクターには、下部空気供給装置に接続された多孔質スパージャーがあり、直径 1～2 mm 未満の気泡を生成できます。このアプローチにより、界面接触面が大幅に増加し、液体媒体の 3 次元的な動きがもたらされます。
Center of Vortex Technologies のデータによると、ガス渦は液体 (粘性のあるものを含む) を穏やかかつ効率的に混合し、発酵中の泡立ちを防ぎ、リアクターの容積の 10 ～ 90% をバイオプロセスに使用できるようにします。機械式攪拌機がないことで、それに関連する問題が解消され、同時に攪拌システムのエネルギー消費が削減されます (機械式およびエアリフトの 1 ～ 4 kW/m3 と比較して、ガスボルテックス バイオリアクターでは 0.3 kW/m3 です)。バイオリアクター）。ガス渦バイオリアクターの通気攪拌システムは、バイオテクノロジーで使用されるすべての細胞タイプ (真核生物、原核生物、菌類) の培養に普遍的であると想定されています。
普遍的で費用対効果の高い栽培技術の開発
この作業では、組換え E. の培養のためのガス渦発酵技術の効率を調べます。大腸菌 菌株は、機械式バイオリアクターおよびシェーカーのフラスコと比較して評価されました。
E.Coli の最も重要なパラメーターの 1 つ 培養は酸素移動速度 (OTR) であり、次の式で表されます:
OTR =kLa(DO'−DO)
ここで、kLa は体積酸素物質移動係数、DO' は酸素飽和濃度、DO は液相中の酸素濃度です。体積酸素物質移動係数は、バイオリアクターへの酸素送達の効率を表し、総界面面積に直接依存します。動的亜硫酸法を使用して、ガス渦バイオリアクターは、機械的バイオリアクターと比較して 3.6 倍高い kLa を有することが示されました (18 ± 2.8 H-1 対 5 ± 0.1 H-1)。したがって、ガス渦と多孔質スパージャーの組み合わせは、水相の酸素溶解度を著しく高め、好気性発酵プロセスの改善に使用できます。
栄養要求性 E.E. の培養のための統一されたプロトコルを使用します。大腸菌 Mu-MLV逆転写酵素を発現するC600/pRT株では、ガスボルテックスアプローチが組換えタンパク質の収量をフラスコと機械的バイオリアクターと比較してそれぞれ1.7倍と3.5倍増加させることが示された。栄養要求株は物質移動効率に敏感であるため、ガスボルテックスバイオリアクターの使用がより有益である可能性があります.
各産業用大腸菌 菌株の生成には、培地の pH、攪拌速度、誘導点、およびインダクター濃度などのバイオプロセス パラメーターの徹底的な最適化が必要です。この研究では、大腸菌 BL21(DE3)/pFK2 株は、ラクタプチンの組換え類似体 (抗がん特性を持つヒト乳ペプチド) を発現し、ガス渦および機械式バイオリアクターにおけるバイオプロセス最適化の比較分析に使用されました。ガスボルテックスシステムを使用すると、スターラーバイオリアクターと比較して、組換えラクタプチン発現の生産性が最大 2 倍 (24% から 54%) 向上することが示されました。
ガス渦アプローチの明らかにされた物質移動の利点と消費電力の削減 (メーカーの仕様によると、一般的に使用されているバイオリアクターよりも 10 ～ 12 倍低い) により、このタイプのバイオリアクターをその後のユニバーサルの開発のための新しいベースプラットフォームとして提案することができます。費用対効果の高い栽培技術
この研究、ガス渦バイオリアクターにおける組換え大腸菌株培養の効率の分析は、Anna V. Savelyeva、Anna A. Nemudraya、Vladimir F. Podgornyi、Vladimir A. Richter および共同研究者によって最近出版されました。ジャーナル バイオテクノロジーと応用生化学 .
