Как выбрать и купить лабораторный биореактор или ферментёр

Это третья статья в нашем цикле о биореакторах и ферментёрах. Здесь мы разберём основные режимы работы биореакторов.

Если Вы ещё не читали первую и вторую статьи об основных понятиях, различиях и ключевых узлах строения, рекомендуем начать с них:

Они создадут необходимый фундамент для понимания информации, которую мы рассматриваем в данном материале.

Перед тем как купить биореактор или лабораторный ферментёр, необходимо сформировать краткое техническое задание. Чем точнее описан процесс, тем меньше риск приобрести систему, которая подходит по объёму, но не справляется с кислородным запросом, охлаждением или стерилизацией. Выбор оборудования только по максимальному объёму и диапазону оборотов часто приводит к несоответствию реальным требованиям культуры.

🔬 ----

---

[Запросить подбор конфигурации →]

С чего начать выбор оборудования

Составление технического задания с указанием следующих параметров упростит выбор:

Тип культуры - бактерии, дрожжи, грибы, клетки млекопитающих, адгезионные клетки;
Целевой продукт - белок, метаболит, антитело, вакцина, биомасса;
Состав среды - синтетическая, комплексная, с сывороткой, химически определённая;
Рабочий объём - стартовый и конечный, с учётом подпитки и добавок;
Диапазоны параметров - pH, температура, растворённый кислород (DO);
Режим работы - batch, fed-batch, continuous, perfusion;
Способ стерилизации - автоклав, SIP, одноразовый контейнер;
Специальные требования - анаэробность, микроносители, высокий KLa, онлайн-аналитика.

Этот документ поможет поставщику подобрать конфигурацию, а покупателю - сравнить предложения по критическим параметрам, а не только по цене.

Критерий 1. Тип культуры и целевой продукт

Первый вопрос - что именно будет находиться в сосуде. От этого зависит конфигурация всей системы.

Бактерии и дрожжи

Для микробных культур обычно нужен ферментёр с:

широким диапазоном скорости перемешивания (100–1000 об/мин);
интенсивной подачей воздуха (до 1–2 vvm и выше);
эффективным охлаждением для отвода метаболического тепла;
контролем pH с автоматической коррекцией кислотой и щёлочью;
DO-каскадом для управления скоростью, расходом газа или обогащением O₂;
автоматической подпиткой субстратом;
датчиком пены и насосом пеногасителя.

Если культура анаэробная (например, Clostridium или метаногены), высокая аэрация не нужна, но могут потребоваться:

герметичность газовых соединений;
подача азота для вытеснения кислорода;
контролируемый отвод газа;
измерение давления;
безопасная работа с горючими (H₂, CH₄) или токсичными газами.

Микроскопические грибы

Для мицелиальных культур (Aspergillus, Penicillium, Trichoderma) следует дополнительно оценить:

образование мицелия и рост вязкости среды;
склонность культуры к наматыванию на вал мешалки;
интенсивное пенообразование;
чувствительность морфологии к сдвиговому напряжению;
возможность пробоотбора из неоднородной среды;
Высокие обороты могут улучшить кислородный перенос, но одновременно изменить морфологию грибной культуры — от пеллет к диспергированному мицелию — и повлиять на продуктивность. Важно, чтобы система позволяла контролировать и воспроизводить морфологию между экспериментами.

Клетки млекопитающих

Для культивирования клеток животных (CHO, HEK293, гибридомы, Vero) чаще требуется биореактор с:

мягкими импеллерами (слоновое ухо, морская звезда, питчблейд);
умеренной скоростью перемешивания (20–150 об/мин);
точной четырёхгазовой системой (воздух, O₂, N₂, CO₂);
контролем CO₂ в газовой фазе для регулирования pH;
каскадом DO с приоритетом газового смешения, а не оборотов;
возможностью fed-batch с программируемой подпиткой глюкозы и питательных веществ;
опциональной интеграцией перфузионного модуля (ATF, TFF, acoustic settler);
подробной регистрацией данных для валидации процесса.

Клетки млекопитающих чувствительны к сдвигу, поэтому выбор биореактора для клеточных культур требует особого внимания к геометрии мешалки и гидродинамике.

Адгезионные культуры

Для клеток, растущих на поверхности, необходимо определить способ предоставления площади:

Микроносители - стандартный мешалочный сосуд с суспензией носителей (Cytodex, SoloHill);
Packed-bed - неподвижный слой носителей с перфузией среды;
Листовые носители - многослойные кассеты или роллерные бутыли;
Волокна - полые волокна с перфузией;
Специальные картриджи - например, iCELLis или Quantum для крупномасштабной адгезионной культуры.

Стандартный суспензионный мешалочный сосуд подходит не для каждой адгезионной линии без дополнительной оснастки. Необходимо проверить совместимость выбранного оборудования с носителями и методом пробоотбора.

Критерий 2. Аэробный или анаэробный процесс

Для аэробной культуры важно сопоставить скорость потребления кислорода с возможностями системы его передачи.

Необходимо запросить у поставщика или оценить:

максимальный расход газа (л/мин) и диапазон регулирования;
доступные газы (воздух, O₂, N₂, CO₂);
тип расходомера (термический, ротаметр, массовый) и его точность на минимальном потоке;
диапазон скорости перемешивания и мощность привода;
тип импеллера (Rushton, питчблейд, морская звезда) и количество ярусов;
данные KLa, если они доступны;
условия, при которых измерен KLa (среда, температура, скорость, расход газа, рабочий объём);
возможность подачи чистого O₂ для повышения парциального давления;
допустимое избыточное давление в сосуде;
характеристики выхлопной линии (конденсатор, фильтр, анализатор).

Важно: данные KLa без указания среды, рабочего объёма, скорости, расхода газа, температуры и типа мешалки малоинформативны. Значение 200 ч⁻¹ на воде при 1000 об/мин может упасть до 80 ч⁻¹ в вязкой среде с клетками и пеногасителем при 300 об/мин.

Для анаэробного процесса необходимо проверить:

возможность продувки инертным газом перед инокуляцией;
герметичность соединений и уплотнений;
контроль остаточного кислорода (датчик DO с диапазоном 0–5%);
безопасный газоотвод с обратным клапаном;
совместимость материалов с восстановительными средами;
безопасность помещения при работе с горючими газами.

Критерий 3. Режим работы

Режим определяет конфигурацию насосов, ёмкостей и алгоритмов управления.

Для batch

Достаточно базовой конфигурации, если есть:

контроль температуры с нагревом и охлаждением;
pH с автоматической коррекцией;
DO для аэробного процесса;
перемешивание с регулированием скорости;
аэрация с контролем расхода;
пробоотбор.

Для fed-batch

Дополнительно нужны:

один или несколько перистальтических насосов с точностью ±2–5%;
программируемая подача по времени, pH, DO или внешнему сигналу (глюкоза, лактат);
стерильные ёмкости для растворов субстрата, глюкозы, аминокислот;
весы или контроль фактической подачи;
запас рабочего объёма (обычно стартовый объём составляет 50–70% от максимального);
алгоритмы каскадного управления и блокировки переполнения.

Для continuous

Потребуются:

стабильная подача свежей среды с контролем скорости;
контролируемый отвод культуры (overflow или насос);
поддержание уровня (датчик уровня, весы или контроль давления);
защита от переполнения и аварийной остановки подачи;
длительная асептическая работа (несколько недель);
аварийная сигнализация;
резервирование критических узлов (насосы, датчики).

Для perfusion

Кроме перечисленного, нужна совместимая система удержания клеток:

внешний фильтрационный модуль (ATF, TFF);
акустический сепаратор;
внутренний фильтр или сетка;
центрифугирование с возвратом клеток.

Само наличие нескольких насосов не делает биореактор перфузионным. Необходима интеграция модуля удержания с системой управления и балансом масс.

Критерий 4. Полный и рабочий объём

Выбор лабораторного биореактора следует делать по рабочему, а не полному объёму.

Необходимо определить:

стартовый объём культуры;
конечный объём после подпитки;
объём пены (может составлять 20–50% жидкости);
объём проб (несколько раз в сутки по 10–50 мл);
объём добавляемой кислоты, щёлочи и пеногасителя;
минимальное погружение датчиков pH и DO;
положение нижнего импеллера (обычно на 1–2 диаметра выше дна);
требуемый газовый объём над жидкостью.

Пример: если процесс начинается с 5 л, а в fed-batch добавляется ещё 3 л питания, сосуд с максимальным рабочим объёмом 5 л не подходит, даже если его полный объём составляет 7 или 10 л. Необходим сосуд с рабочим объёмом не менее 8 л.

Для R&D полезно выбирать линейку с несколькими сосудами (например, 3, 5, 7,5 и 15 л) или сменными объёмами на одной платформе управления, чтобы исследовать масштабирование без изменения программного обеспечения и алгоритмов.

Критерий 5. Скорость и тип перемешивания

Максимальные обороты - только один из параметров. Нельзя сравнивать биореакторы только по об/мин.

Необходимо уточнить у поставщика:

тип мешалки (Rushton, питчблейд, слоновое ухо, морская звезда);
количество ярусов (обычно 1-3);
диаметр импеллера (обычно 1/3 от диаметра сосуда);
направление потока (радиальное, аксиальное, смешанное);
мощность привода и крутящий момент;
возможность замены мешалки без изменения вала;
точность поддержания скорости (±1-5 об/мин);
минимальную стабильную скорость (важно для клеток);
совместимость с микроносителями.

Для клеток млекопитающих важна способность системы стабильно работать на низких оборотах (20–50 об/мин) без пульсаций. Для бактерий - достаточная мощность на высоких оборотах (600–1000 об/мин) при подаче газа и увеличении вязкости.

Серводвигатель и ПИД-регулирование помогают поддерживать заданную скорость при изменении нагрузки, но не отменяют необходимости правильно подобрать геометрию мешалки под тип культуры.

Не следует выбирать по оборотам: 300 об/мин с Rushton диаметром 80 мм создают совершенно иной режим, чем 300 об/мин с морской звездой диаметром 120 мм.

Критерий 6. Газовая система и контроль DO

Для простого аэробного микробного процесса может быть достаточно воздуха и каскада со скоростью перемешивания. Для клеточной культуры часто необходимы четыре газа:

Воздух — базовая аэрация, экономичен для поддержания DO;
O₂ — повышение DO без чрезмерного увеличения расхода и вспенивания;
N₂ — снижение DO при избыточной аэрации, вытеснение кислорода для анаэробных фаз;
CO₂ — регулирование pH без добавления кислоты, поддержание газовой среды для клеток млекопитающих.

Необходимо проверить у поставщика:

диапазон расхода каждого газа (например, 0–10 л/мин);
точность на минимальном потоке (критично для малых объёмов);
тип расходомера (термический массовый предпочтительнее ротаметра);
наличие автоматического смешения газов;
число независимых клапанов (минимум 4 для четырёхгазовой системы);
максимальное входное давление (обычно 2–4 бар);
требования к редуктору на баллоне;
наличие стерильных фильтров 0,2 мкм на входе и выходе.

Минимальный расход особенно важен для небольших рабочих объёмов (1–3 л) и чувствительных клеток. Расходомер с верхним пределом 50 л/мин может недостаточно точно регулировать подачу 0,05 л/мин.

Критерий 7. Нагрев и охлаждение

Система должна покрывать не только нагрев до заданной температуры, но и активное охлаждение в процессе культивирования.

Для расчёта теплового баланса учитывают:

температуру культивирования (обычно 25–37°C);
рабочий объём;
скорость роста культуры;
концентрацию биомассы (особенно для fed-batch с высокой плотностью);
температуру помещения (может быть 20–28°C);
температуру охлаждающей воды (обычно 15–20°C);
расход воды и площадь теплообменника;
длительность процесса;
выделение тепла мешалкой (до 50–200 Вт при высоких оборотах).

Для высокоплотной бактериальной культуры (>50 г/л биомассы) метаболическое тепловыделение может достигать 5–10 Вт/л. Без активного охлаждения температура будет расти, что приведёт к стрессу и снижению продуктивности.

Если установка требует охлаждающую воду, заранее следует проверить инженерные коммуникации лаборатории:

Давление выше допустимого (>4 бар) может повредить теплообменный контур;
Недостаточный расход (<2–5 л/мин) не обеспечит охлаждение;
Высокая температура воды (>25°C) снизит эффективность.

Альтернатива - охлаждаемый термостат с замкнутым контуром, но он требует отдельного места и увеличивает стоимость.

Критерий 8. Материал сосуда

Выбор материала определяется масштабом, стерилизацией, частотой смены продуктов и бюджетом.

Боросиликатное стекло;Визуальный контроль процесса, химическая стойкость, удобство для лаборатории, возможность автоклавирования, сравнительно доступная стоимость, прозрачность позволяет оценить пенообразование и морфологию;Хрупкость при ударах и термоударе, ручная сборка и герметизация, ограниченный объём (обычно до 20–30 л), необходимость подходящего автоклава, риск повреждения при переносе;R&D, скрининг штаммов, разработка процесса, учебные лаборатории Нержавеющая сталь;Механическая прочность, масштабируемость от пилота до производства, CIP/SIP без разборки, длительный срок службы (10–20 лет), пригодность для GMP и валидации, устойчивость к давлению и температуре;Высокая стоимость (в 3–10 раз дороже стекла), сложная инфраструктура (пар, CIP, дренаж), необходимость валидации очистки, меньшая гибкость при частой смене продуктов, отсутствие визуального контроля;Пилотные системы (50–500 л), промышленное производство, процессы с высокими требованиями к чистоте Single-use (одноразовый);Быстрый запуск без мойки и стерилизации, снижение риска перекрёстной контаминации, отсутствие валидации очистки, удобство при частой смене процессов, меньшая площадь и инфраструктура, подходит для токсичных или высокопатогенных продуктов;Постоянные расходы на расходные материалы, зависимость от поставки контейнеров, ограничения по давлению (обычно <0,5 бар), температуре (<40°C) и агрессивным средам, необходимость оценки экстрагируемых и вымываемых веществ, образование пластиковых отходов;Биофармацевтика (антитела, вакцины), токсичные продукты, процессы с частой сменой линий, клинические серии

Стекло оптимально для лабораторного биореактора на этапе разработки. Сталь выбирают для пилотных и производственных систем с регулярной загрузкой. Single-use особенно востребован в биофармацевтике, но не является автоматической заменой стеклянной или стальной системы.

Критерий 9. Стерилизация и очистка

Способ стерилизации определяет инфраструктуру, время подготовки и операционные расходы.

Автоклавирование

Для лабораторного стеклянного аппарата необходимо проверить:

габариты собранного сосуда с мешалкой и датчиками;
размеры дверцы автоклава и внутренней камеры;
объём камеры (должен быть больше объёма сосуда в 1,5–2 раза);
допустимость автоклавирования электродов pH и DO (некоторые выдерживают не более 50 циклов);
стерилизацию фильтров и шлангов (отдельно или вместе с сосудом);
наличие запасных уплотнений и прокладок;
время сборки и подготовки к запуску (обычно 2–4 часа).

Типичный режим автоклавирования — 121°C, 20–30 минут, 1 бар избыточного давления. Стеклянный сосуд остывает медленно; преждевременная разгрузка может вызвать термоудар и трещины.

CIP/SIP (мойка и стерилизация на месте)

Для стального оборудования следует оценить:

покрытие CIP всех продукт-контактных поверхностей;
отсутствие застойных зон и мёртвых объёмов;
качество сварных швов (полированные до Ra <0,8 мкм);
дренируемость сосуда и трубопроводов;
параметры SIP (обычно 121–134°C, пар 2–3 бар, 30–60 минут);
совместимость уплотнений с паром и моющими растворами;
валидационные документы (FAT, SAT, IQ/OQ).

Важно: не следует выбирать систему CIP/SIP «на будущее», если лаборатория не располагает паром, подготовленной водой (WFI или RO), дренажом и персоналом для обслуживания. Инфраструктура может стоить дороже самого реактора.

Одноразовый контейнер

Single-use системы поставляются предстерилизованными гамма-облучением или паром.

Необходимо проверить:

сертификат стерильности и SAL (Sterility Assurance Level, обычно 10⁻³);
данные о вымываемых веществах (extractables & leachables);
совместимость с используемой средой (некоторые среды с DMSO или высоким pH несовместимы);
срок хранения контейнера (обычно 2 года);
стоимость одного контейнера и наличие на складе.

Критерий 10. Датчики и автоматизация

Базовый комплект обычно включает pH, DO и температуру. В зависимости от задачи могут потребоваться:

датчик уровня (ёмкостный или проводимости);
датчик пены (оптический или проводимости);
мутномер или датчик оптической плотности (OD);
анализатор O₂/CO₂ в выхлопе (масс-спектрометр или ИК);
онлайн-анализ глюкозы, лактата, глутамина (биосенсоры);
весы для контроля подпитки и ёмкостей;
контроль давления в сосуде;
датчик биомассы (диэлектрическая спектроскопия, Raman).

Для сравнения моделей следует задать поставщику вопросы:

Какие датчики входят в базовую комплектацию?
Кто является производителем электродов (Mettler Toledo, Hamilton, InPro)?
Можно ли стерилизовать их вместе с сосудом?
Как выполняется калибровка (ручная или автоматическая)?
В каком формате экспортируются данные (CSV, Excel, LIMS)?
Есть ли запись действий оператора и аварий (audit trail)?
Поддерживается ли удалённый доступ?
Можно ли создавать собственные каскады и алгоритмы?
Доступна ли электронная подпись (21 CFR Part 11)?
Какие функции требуют отдельной лицензии?

Хорошая автоматизация сокращает ручной труд, повышает воспроизводимость и упрощает масштабирование. Но избыточная аналитика на этапе скрининга может быть неоправданной.

Критерий 11. Инженерные коммуникации и размещение

До заказа необходимо проверить инфраструктуру лаборатории:

Электропитание — напряжение (220 или 380 В), частота, потребляемый ток, наличие заземления;
Охлаждающая вода — давление (обычно 1–4 бар), расход (2–10 л/мин), температура (15–20°C), качество (для избежания отложений);
Дренаж — слив конденсата, отработанной среды, CIP-растворов;
Газовые баллоны или централизованная разводка — воздух, O₂, N₂, CO₂;
Давление газа на входе — обычно 2–4 бар, требуется редуктор и манометр;
Вентиляция — отвод выхлопных газов, особенно при работе с CO₂ или патогенами;
Площадь стола — следует учитывать контроллер, ёмкости для подпитки, автоматику;
Высота помещения — для установки конденсатора, фильтров и загрузки сосуда;
Возможность переноса сосуда к автоклаву — вес стеклянного сосуда 5–7 л в сборе может достигать 10–15 кг.

Пример: BioCore QC с четырёхгазовой системой требует размещения и безопасного подключения источников CO₂, O₂, N₂ и воздуха. Баллоны должны быть закреплены, помещение — проветриваемым.

BioCore QF использует воздушную подачу и охлаждающую воду. Для его работы необходимо обеспечить требуемое входное давление газа (обычно 2–3 бар), редуктор, манометр и воду в пределах допустимого давления (<4 бар).

Недооценка требований к инфраструктуре — частая причина задержки запуска оборудования.

--

-

--

-

📊 ---

---

[Оставить заявку →]

---

--

Баланс по биомассе:
dX/dt = (μ - D) · X

при D < μmax система приходит к стационару, где μ = D: удельная скорость роста задаётся расходом насоса;
при D > μmax клетки вымываются.

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

Баланс по биомассе:
dX/dt = (μ - k_d - D_bleed) · X

В стационаре:
D_bleed = μ - k_d

Управление bleed задаёт целевую VCD; сигнал - ёмкостный датчик биомассы или офлайн-подсчёт.

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

FAQ: частые вопросы о режимах работы биореакторов

В чём принципиальная разница между continuous и perfusion?

В судьбе клеток. В хемостате клетки покидают аппарат, D ≤ μ, VCD для CHO ограничена 2-5×10⁶ кл/мл. В перфузии клетки удерживаются и возвращаются, D может составлять 1-2 объёма/сут, VCD достигает 50-150×10⁶ кл/мл. В терминологии ICH Q13 «непрерывное производство» биопрепаратов практически всегда подразумевает перфузию, а не хемостат.

Обязателен ли bleed в перфузии?

Для стационарной перфузии - да. Без слива VCD растёт неограниченно. Процесс с полным удержанием клеток и продукта - это concentrated fed-batch.

ATF или TFF?

ATF: меньше засорение (реверсивный поток), меньше сдвиг (диафрагменный насос). TFF: проще, дешевле, лучше с одноразовыми, но быстрее падает коэффициент просеивания. Для длительных процессов CHO при 30-100×10⁶ кл/мл базовый выбор - ATF.

Насколько выше расход среды в перфузии?

В 2-4 раза на кг продукта. Реактор 1000 л при 1 VVD потребляет ~1 м³/сут, за 40 суток - 40 м³. Управление по CSPR снижает расход на 20–30%.

Возможно ли внедрить перфузию на существующем fed-batch-производстве?

Полный переход требует перепроектирования и повторного регистрационного действия. Реалистично - интенсификация через N-1 perfusion: перфузионное оборудование на предпоследней стадии посевного каскада, производственный процесс сохраняет fed-batch, длительность сокращается на 25-50%.

Какие показатели - ранние индикаторы засорения мембраны?

Снижение коэффициента просеивания и рост трансмембранного давления. Косвенный предиктор - падение жизнеспособности: при 100×10⁶ кл/мл снижение на 5% высвобождает ДНК и дебрис, резко ухудшающий фильтруемость.

🧩 Собираете конфигурацию под конкретную культуру?

Сопоставим требования процесса с узлами установки: рабочий объём, тип мешалки и импеллера, спаргер и газовые линии, датчики pH и DO, охлаждение, насосы и способ стерилизации.

[Получить консультацию по конфигурации →]

Поможем выбрать лучшее решение для вашей лаборатории

Оставьте свои контакты, чтобы
получить консультацию эксперта