制藥工業的飛速發展，特別是蛋白質治療藥物，如單克隆抗體、酶、細胞因子、反應器融合蛋白等，非治療性過程疫苗、細胞治療、基因治療和生物仿制藥的審批上市，對生物反應器的應用需求日益增加。生物反應器通過維持細胞等生物適宜的環境以提供良好的生長條件確保溫度、pH、有效的底物、營養物質和溶解氧的運輸來支持這個自然過程，使細胞能進行生長和表達。生物反應器的設計中獲得確保細胞生長和表達的上述參數是至關重要的，特別在實驗室規模轉移到生產規模，必須關注考慮到規模間差異的影響。

細胞培養的限制因素之一--氧氣

溶氧（DO)是溶解氧（Dissolved Oxygen）的簡稱，是表征水溶液中氧的濃度的參數，是溶解在水中的游離態氧。水中溶解氧含量的變化情況：一種是使DO下降的耗氧作用（OUR），包括細胞生長、代謝、表達的耗氧；另一種是使DO增加的溶氧作用（OTR），有空氣中氧的溶解，曝氣手段等。這兩種作用的相互消長，使水中溶解氧含量呈現變化。影響水中溶解氧的含量的環境因素有溶液溫度，壓力，培養液濃度等因素。

在哺乳動物細胞生物反應器中，特別是在高細胞密度下操作時，通氣是一個關鍵組成部分。氧是難溶氣體，在1atm，20ºC時，氧在純水中的溶解度約為0.25mmol/L。細胞對氧氣的需求包括：

葡萄糖代謝，細胞生長和蛋白表達

細胞對物質需求量看出，相較其它主要的營養成分，如果不及時增加溶解氧則氧氣總是最先被耗盡。哺乳細胞的耗氧速率(Oxygen Uptake Rate, OUR)約為10-13mol/cell-h，在10x10⁶cell/ml細胞密度的培養基中，幾秒鐘后培養液中溶氧將降為零，氧氣供應不足是未達到所需細胞培養濃度的常見原因之一。故細胞對氧氣的高需求量和氧氣在培養基中的低溶解度，溶解氧傳遞成為細胞培養關注的關鍵參數。

細胞培養時將除菌后的空氣進入反應器中，使之分散成細小的氣泡，盡可能增大氣泡接觸面積和接觸時間，以促進氧的溶解。為了確保足夠的氧氣供應強度，必須正確設計生物反應器，并提供適當的混合和曝氣模式。K_La參數用于表征氧氣傳質。
 

體積氧傳質系數K_La

K_La以數字方式顯示了通過容器中的分布器引入的氧氣通過混合器在介質中消散和分布的效率，該概念源于雙膜理論，假設兩相之間的傳質是通過兩相之間的邊界層發生的。

組分在相之間的擴散速率取決于傳質系數，對于液體，該系數通常寫為“k_L”，兩相之間的接觸面積，通常稱為“a”。我們得到體積氧傳質系數K_La，作為控制氧氣從氣相轉變為液相的速率的參數。用以下公式來描述：

 dC/dt = K_La ∙ (C*-CL) = OTR – OUR

CUR激流式反應器如何提高K_La

接液面積

CUR激流式反應器中的液體形成類似渦柱流，細胞能隨液流沿內壁向上爬升，形成的渦柱流擴大了氣液交換面積，并且大部分培養基都在罐內壁一側，另一側形成液膜，即能形成通氣面和沖刷面雙面液膜。配合錐形底部設計有效增大氣液交換效率。

轉速

在相同工作體積下，隨著轉速上升，湍能耗散率和氣液交界面面積均呈增大趨勢，湍能耗散率有助于K_L提高，氣液交界面a也增加，故隨著轉速上升，K_La也是呈增大趨勢。

體積 

由于相同體積培養液在錐低形反應罐中具有較高的液面高度，從而氣體在培養液中的停留時間增加，即增加了供氧能力。

CUR激流式反應器的K_La測試

基于通過亞硫酸鈉溶液的氧化來測定曝氣容器中的氧氣轉移速率：

2Na₂SO₃ + O₂ = 2Na₂SO₄

當氧氣進入溶液時，它立即在亞硫酸鹽的氧化反應中被消耗，因此亞硫酸鹽的氧化速率相當于OTR，溶解氧濃度為零，K_La可由下式計算：

OTR =K_La（C*-C) =QM/2V

Q-流加Na₂SO₃溶液的速度（L/h)

M-加入NaSO₃溶液的濃度

V-反應器內液體體積（L）

利用溶氧電極測定C/C*后，可按以下公式方便地計算K_La值。

K_La=QM/[2VC*(1-C/C*)]

各規格CUR（CUR2.5、CUR5、CUR50）在滿載體積、0.01vvm通氣條件下的體積溶氧系數（K_La）

測試結果表明，在同一通氣量條件下：

• 隨著振蕩轉速的提高，K_La測試值整體呈上升趨勢；

• 生物反應器規格增大，在測定的轉速范圍內K_La測試值呈上升趨勢；

• 在相同的轉速增幅下（5rpm增幅），CUR50在三者中的KLa測試值增幅最大。
   

不同類型反應器在各轉速下的K_La

文獻中對不通氣條件下，激流式反應器的K_La比對平底式反應器、攪拌式反應器試驗數據結論描述如下圖，充分證實CUR激流式反應器的交界面傳氧機制對提高K_La有顯著優勢。_【1】

KLa of different bioreactors in different rotation or mixing speed

▲激流式生物反應器   ♦平底式反應器   ■攪拌式反應器


 

CUR反應器在氧氣傳遞方面優勢

氣液交接面積大，效率高，傳質效果好

只需頂部通氣無需底通即可滿足生長需要

利于CO₂的溢出

倒置截頭圓錐形罐體，比表面積大，流場穩定

參考文獻 

【1】白力, 張淑香, 唐寅, 郭美錦, 張嗣良. 錐底生物反應器的動物細胞培養[J]. 華東理工大學學報（自然科學版）, 2008, (3): 338-341.