Monoclonal antibodies are widely used as diagnostic reagents and for therapeutic purposes, and their demand is increasing extensively. To produce these proteins in sufficient quantities for commercial use, it is necessary to raise the output by scaling up the production processes. This review describes recent trends in high-density cell culture systems established for monoclonal antibody production that are excellent methods to scale up from the lab-scale cell culture. Among the reactors, hollow fiber bioreactors contribute to a major part of high-density cell culture as they can provide a tremendous amount of surface area in a small volume for cell growth. As an alternative to hollow fiber reactors, a novel disposable bioreactor has been developed, which consists of a polymer-based supermacroporous material, cryogel, as a matrix for cell growth. Packed bed systems and disposable wave bioreactors have also been introduced for high cell density culture. These developments in high-density cell culture systems have led to the monoclonal antibody production in an economically favourable manner and made monoclonal antibodies one of the dominant therapeutic and diagnostic proteins in biopharmaceutical industry.
Park, Byong-Gon;Chun, Joo-Mi;Lee, Chang-Jin;Chun, Gie-Taek;Kim, Ik-Hwan;Jeong, Yeon-Ho
Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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v.5
no.2
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pp.123-129
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2000
A high cell density culture system for the anchorage dependent CHO cells was developed based on the combination of in removal of ammonium ion and microcarrier culture system, and semi-fed-batch feeding of glucose and glutamine was employed to the developed culture system. The glass bead was selected as an optimum microcarrier in terms of cell growth. An ammonium ion selective zeolite, Phillipsite-Gismondine, was packed in a dialysis menium ion. The semi-fed-batch operation was employer to the novel culture system for the high density cell culture, and the results showed the cell growth was improved by 32% and tPA productivity by 250%.
In order to produce ${\gamma}-linolenic$ acid by Mucor sp. KCTC 8405P. the fungus was cultivated in fed-batch culture with two phases. i.e., growth in yeast-like form and induction to hyphal growth by pH shift of the culture medium during cultivation. The synchronous growth of the fungus into the appropriate sizes was important for the high density cell culture of this dimorphic fungus. Dissolved oxygen concentration in the medium did not affect degree of unsaturation of fatty acids and ${\gamma}-linolenic$ acid content. Under the culture conditions applied in this experiment. the fungus was found to produce 100 g/l dry mycelia containing 40% of the lipids, where ${\gamma}-linolenic$ acid comprised about 9% of the total extractable fatty acids.
High-cell-density cultivation of yeast was investigated using the agricultural waste products corn steep liquor (CSL) and molasses. The Saccharomyces cerevisiae KV-25 cell mass was significantly dependent on the ratio between C and N sources. The concentrations of molasses and CSL in the culture medium were statistically optimized at 10.25% (v/v) and 16.87% (v/v), respectively, by response surface methodology (RSM). Batch culture in a 5-l stirred tank reactor using the optimized medium resulted in a cell mass production of 36.5 g/l. In the fed-batch culture, the feed phase was preceded by a batch phase using the optimized medium, and a very high dried-cell-mass yield of 187.63 g/l was successfully attained by feeding a mixture of 20% (v/v) molasses and 80% (v/v) CSL at a rate of 22 ml/h. In this system, the production of cell mass depended mainly on the agitation speed, the composition of the feed medium, and the glucose level in the medium, but only slightly on the aeration rate.
Low efficiency in microalgal biomass production was largely attributed to the low density of algal cell cultures. Though mutations that reduced the level of chlorophyll or pigment content increased efficiency of photon usage and thus the cell-culture density under high-illumination growth conditions (e.g., >$500{\mu}mol\;photon\;m^{-2}\;s^{-1}$), it was unclear whether algae could increase cell-culture density under low-illumination conditions (e.g., ${\sim}50{\mu}mol\;photon\;m^{-2}\;s^{-1}$). To address this question, we performed forward genetic screening in Chlamydomonas reinhardtii. A pool of >1,000 insertional mutants was constructed and subjected to continuous subcultures in shaking flasks under low-illumination conditions. Complexity of restriction fragment length polymorphism (RFLP) pattern in cultures indicated the degree of heterogeneity of mutant populations. We showed that the levels of RFLP complexity decreased when cycles of subculture increased, suggesting that cultures were gradually populated by high cell-culture density (HCD) strains. Analysis of the 3 isolated HCD mutants after 30 cycles of subcultures confirmed that their maximal biomass production was 50-100% higher than that of wild type under low-illumination. Furthermore, levels of chlorophyll content in HCD mutant strains were similar to that of wild type. Inverse polymerase chain reaction analysis identified the locus of insertion in two of three HCD strains. Molecular and transcriptomic analyses suggested that two HCD mutants were a result of the gain-of-function phenotype, both linking to the abnormality of mitochondrial functions. Taken together, our results demonstrate that HCD strains can be obtained through continuous subcultures under low illumination conditions.
Controlling the light energy and major nutrients is important for high cell density culture of cyanobacterial cells. The growth phase of Anabaena variabilis can be divided into an exponential growth phase and a deceleration phase. In this study, the cell growth in the deceleration phase showed a linear growth pattern. Both the period of the exponential growth phase and the average cell growth rate in the deceleration phase increased by controlling the light intensity. To control the light intensity, the specific irradiation rate was maintained above $10\;{\mu}mol/s/g$ dry cell by increasing the incident light intensity stepwise. The final cell density increased by controlling the nutrient supply. For the control of the nutrient supply, nitrate, phosphate, and sulfate were intermittently added based on the growth yield, along with the combined control of light intensity and nutrient concentration. Under these control conditions, both final cell concentration and cell productivity increased, to 8.2 g/l and 1.9 g/l/day, respectively.
The physiological characteristics of cultures of very high cell mass (e.g. 10g cell mass/L), termed“ultrahigh cell density cultures”is reviewed. A close relationship was found between the length of the optical path (OP) in flat-plate reactors and the optimal cell density of the culture as well as its areal (g m$\^$-2/ day$\^$-1/) productivity. Cell-growth inhibition (GI) unfolds as culture density surpasses a certain threshold. If it is constantly relieved, a 1.0cm OP reactor could produce ca. 50% more than reactors with longer OP, e.g. 5 or 10cm. This unique effect, discovered by Hu et al. [3], is explained in terms of the relationships between the frequency of the light-dark cycle (L-D cycle), cells undergo in their travel between the light and dark volumes in the reactor, and the turnover time of the photosynthetic center (PC). In long OP reactors (5cm and above) the L-D cycle time may be orders of magnitude longer than the PC turnover time, resulting in a light regime in which the cells are exposed along the L-D cycle, to long, wasteful dark periods. In contrast, in reactors with an OP of ca. 1.0 cm, the L-D cycle frequency approaches the PC turnover time resulting in a significant reduction of the wasteful dark exposure time, thereby inducing a surge in photosynthetic efficiency. Presently, the major difficulty in mass cultivation of ultrahigh-density culture (UHDC) concerns cell growth inhibition in the culture, the exact nature of which is awaiting detailed investigation.
Spin-filters are used as cell separation devices for achieving high cell density and high productivity in animal cell culture. We have proposed a model for the cell growth in a spin-filter perfusion culture and examined the effects on cell growth by several parameters including ammonia inhibition, specific growth rate, specific feeding rate, and cell retention. Results from computer simulation and sensitivity analysis indicate that the cell retention affects the cell growth mostly while there is a significant inhibition on cell growth by the ammonia accumulated during the culture. The specific feeding rate has minimal effects on cell growth, which is consistant with the fact that the cell growth with a step feeding is quite similar to that with a continuous feeding.
High cell density cultivation of microalga Dunaliella bardawil using nitrogen fed-batch cultures was studied in batch flask. Optimum environmental conditions include concentrated nutrients except NaCl and carbon sources, carbon sources, pH, light, agitation, nitrate and phosphate ions. Cell growth, consumption rates of nitrate and phosphate ions were monitored. Optimal conditions for higher cell density were found to be(in the range tested): 5 times concentrated media(1 times-10 times concentrated media) pH 8.0 (7.0-9.0) white light(blue and red light) 15mM of nitrate (0.94-15mM) 250mM $NaHCO_3$ and $CO_2$ gas. However, the addition of phosphate ions did not enhance the algal maximum cell density and specific growth rate. Nitrate was found to be effective for the cell growth. The maximum cell density of fed-batch culture using nitrate ions in $8.955{\times}106$cells/ml after 189hr incubation.
Recently, developments of large scale and high density cell culture methods have been the objects of many researches, because the demand of various pharmaceutical products produced by animal cell culture has been rapidly increasing. The cell culture equipment should have the requirements such as sufficient oxygen transfer and mixing, low shear stress and surface tension, and small foaming. In order to develop a proper bioreactor meeting these requirements simultaneously, a perfluorocarbon having high solubility of oxygen was sprayed into the medium as an oxygen carrier instead of air. Also, a new impeller was developed and combined together with the perfluorocarbon spraying system so as to design a new bioreartor for cell cultivation. The new impeller had better characteristics of mixing and oxygen transfer than the paddle and cell-lift impellers based on the same, shear rate. But, it was observed that the volumetric oxygen transfer coefficient of the new bioreactor decreased with increasing cell density during E. coli fermentation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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