Bioreattori orbitali, oscillanti e a serbatoio agitato – I vantaggi di ciascuno

In precedenza abbiamo scritto articoli che confrontano i bioreattori monouso con i bioreattori multiuso in acciaio inossidabile o in vetro.

In precedenza abbiamo scritto articoli che confrontano i bioreattori monouso con i bioreattori multiuso in acciaio inossidabile o in vetro. Potete leggere quando conviene passare al monouso, i vantaggi del monouso nel bioprocesso su piccola scala e gli impatti ambientali dei bioreattori monouso e multiuso. In questo articolo confrontiamo le seguenti tecnologie di miscelazione: bioreattori orbitali, oscillanti e a serbatoio agitato. A Interphex 2021 abbiamo avuto l’opportunità di parlare con gli ingegneri di Kuhner Shaker dei loro nuovi bioreattori orbitali, con MicroDigital Co. dei loro bioreattori oscillanti monouso Cel Bic e con Eppendorf dei suoi bioreattori a serbatoio agitato. Ciascuna di queste tecnologie di bioreattore può essere utilizzata con bioreattori monouso o riutilizzabili, e differisce principalmente per il metodo di aerazione e di miscelazione della coltura, allo scopo di massimizzare il trasferimento di ossigeno dall’ambiente del bioreattore alle cellule in crescita.

Bioreattori a serbatoio agitato

I bioreattori a serbatoio agitato sono il classico del settore. Sono generalmente cilindrici, contengono almeno uno sparger per immettere il gas nel terreno di coltura e utilizzano una girante per miscelare la coltura cellulare e frantumare/distribuire le bolle di gas in tutto il bioreattore. Questi bioreattori possono essere monouso o in acciaio inossidabile. I reattori monouso vanno da circa 15 mL a 2000 L, e i bioreattori riutilizzabili possono arrivare a 50.000 L.

Vantaggi

I bioreattori a serbatoio agitato sono spesso utilizzati per scalare un bioprocesso dalla R&S alla scala di produzione. Poiché sono collaudati da tempo e i più comunemente disponibili, la matematica, la fisica e la biologia del trasferimento di massa sono ben note. Questi principi di miscelazione noti rendono molto efficiente il trasferimento di gas nei bioreattori a serbatoio agitato. Sono inoltre molto flessibili su un ampio intervallo di condizioni operative, il che significa che possono essere utilizzati per coltivare cellule di mammifero sensibili con basse sollecitazioni di taglio, oppure per far crescere certi funghi che richiedono temperature estreme e pressioni elevate.

Svantaggi

Sebbene lo sparging consenta il trasferimento di ossigeno attraverso volumi maggiori e abbia un ingombro più piccolo, non è efficiente quanto il trasferimento di ossigeno attraverso lo spazio di testa. Un altro svantaggio è la sollecitazione di taglio introdotta dalle giranti, che deve essere ridotta al minimo quando si agitano colture di mammifero. Le giranti introducono inoltre schiuma nei bioreattori e devono essere trattate con agenti antischiuma. Infine, le giranti e gli sparger nei bioreattori in acciaio inossidabile devono essere puliti a fondo per evitare la contaminazione.

Bioreattori oscillanti

I bioreattori oscillanti (o a onde) sono anch’essi abbastanza comuni. Sono generalmente grandi sacche di plastica monouso che poggiano piatte su una piattaforma che oscilla dolcemente (<100 rpm). Questi bioreattori forniscono ossigeno alla coltura cellulare attraverso lo spazio di testa e miscelano il brodo mediante la piattaforma oscillante. I bioreattori oscillanti sono usati più comunemente nei laboratori. Poiché sono molto efficienti ma hanno un grande ingombro, possono essere usati anche per piccoli volumi di produzione o per inoculare bioreattori a serbatoio agitato più grandi.

Vantaggi

I bioreattori oscillanti grandi, piatti e a 2 dimensioni hanno un rapporto superficie/volume molto elevato, per un trasferimento di massa dell’ossigeno molto efficiente. Sono inoltre più delicati dei bioreattori a serbatoio agitato perché aerano completamente la coltura senza bisogno di giranti. Infine, poiché i bioreattori oscillanti non usano sparger né giranti e sono più spesso monouso, sono semplici da pulire e comportano un rischio quasi nullo di contaminazione incrociata.

Svantaggi

I bioreattori oscillanti grandi e piatti non scalano bene. Vanno in genere da soli 5 a 100 L, con dimensioni limitate dalla velocità di trasferimento dell’ossigeno attraverso lo spazio di testa.

Bioreattori orbitali

I bioreattori orbitali poggiano su una piattaforma che miscela muovendosi con un movimento circolare, semplice come un cerchio 2D o complesso come un otto 3D. Come i bioreattori oscillanti, forniscono il gas interamente attraverso lo spazio di testa.

Vantaggi

Il movimento vorticoso porta il brodo di coltura cellulare sulle pareti del bioreattore, dando origine a uno strato di fluido molto sottile che aderisce alla parete del recipiente. Questo consente il massimo trasferimento di ossigeno senza bisogno di un grande ingombro. Il trasferimento di massa dipende interamente dal flusso di gas attraverso lo spazio di testa, quindi i bioreattori orbitali scalano bene in modo lineare.

Questo approccio alla miscelazione attenua anche la sollecitazione di taglio, rendendolo particolarmente adatto alle colture di cellule di mammifero.

Bioreattori orbitali, non beute per agitazione

Le beute per agitazione sono un’opzione economica e facile da usare per la coltura cellulare in un laboratorio su piccola scala. Non scalano bene, perché mancano della dotazione completa di sensori di un bioreattore e non possono monitorare, controllare e rispondere alle condizioni ambientali. I bioreattori orbitali sono completamente dotati di sensori e scalabili.

Svantaggi

Sebbene i bioreattori orbitali risolvano molti dei problemi associati allo sparging e alla miscelazione con giranti, sono una tecnologia molto più recente. La matematica dello scale-up e del trasferimento di massa dell’ossigeno è molto meno conosciuta rispetto a quella degli altri tipi di bioreattore.

Quale tipo di bioreattore dovrei usare?

I bioreattori a serbatoio agitato hanno dimostrato di scalare bene, possono essere controllati con precisione e funzionano secondo principi di trasferimento di massa noti. I bioreattori oscillanti hanno il trasferimento di massa più efficiente, ma l’ingombro diventa rapidamente un problema durante lo scale-up. I bioreattori orbitali sono una tecnologia più recente, ma con il potenziale di offrire elevata efficienza e rese elevate, oltre a uno scaling lineare.

A seconda dei volumi di produzione necessari e del piano di scale-up, i diversi tipi di bioreattore saranno probabilmente più o meno vantaggiosi nelle diverse fasi di sviluppo. Scegliere bioreattori ottimizzati per ogni fase di sviluppo è una strategia solida. Tuttavia, può essere praticabile scegliere invece un bioreattore non adatto alle fasi iniziali ma in grado di scalare facilmente dal laboratorio alla scala di produzione.

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