Application of Hydrocyclone for Cell Separation in Mammalian Cell Perfusion Cultures
In the present work, the application of a hydrocyclone for cell separation in continuously perfused cultures of mammalian cells was investigated. The characterization of the hydrocyclone performance showed, that a pressure range of 0.85 to 1.40 bar is most suitable to achieve a reliable and stable separation process. Secondly, the effect of hydrocyclone operation on the cell viability and the separation efficiency was investigated for BHK and HeLa cells. Results showed, that different pressures applied by the hydrocyclone did not significantly affect the viability of cells separated leaving the hydrocyclone via the underflow retention port, where the viability ranged from 96 to 98% and from 98 to 99% for BHK und HeLa cells, respectively. On the other hand, cells leaving the hydrocyclone via the overflow filtration port showed a lower viability, e.g. 88% for BHK cells at 1.3 bar. The separation efficiency was always maintained above 85% for the selected pressure range. In addition, continuous operation of the hydrocyclone showed no measurable decrease in the viability of HeLa and CHO-ATIII cells. Subsequently, three different cell lines (HeLa, CHO-3D6, SP-2/0) were successfully cultivated using intermittent hydrocyclone operation and showing a cell viability above 95% for all cultivations. In addition, CHO-ATIII cells producing antithrombin III (ATIII) were continuously cultivated at different pressures generated by the hydrocyclone. A pressure of 0.85 bar was most suitable for cell growth and ATIII production. The total ATIII yield obtained at 0.85 bar was 3.6 and 49.3% higher compared to the total yield obtained at 1.10 and 1.30 bar, respectively. Finally, the hydrocyclone perfusion was compared to a conventional membrane perfusion. Both cultivations revealed nearly identical results with respect to viability, specific growth rate and specific ATIII productivity. The total ATIII production yielded 587 and 591 mg after 141 and 144 h for membrane and hydrocyclone perfusion, respectively.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Anwendung eines Hydrozyklons zur Rückhaltung von Säugerzellen in kontinuierlich perfundierten Kulturen untersucht. Die Charakterisierung des Hydrozyklonsbetriebs zeigte, dass ein Druckbereich vom 0.85 zu 1.40 bar am geeignetsten ist, um einen zuverlässigen und stabilen Separationsprozess zu erreichen. Darüber hinaus wurde der Effekt des Hydrozyklons auf die Zellviabilität und die Separationseffizienz für BHK- und HeLa-Zellen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch den Hydrozyklon generierten Druckabfälle die Viabilität der im Unterlauf-Retentat separierten Zellen entweder nicht oder nur unwesentlich reduzierten (von 96 bis 98% bzw. von 98 bis 99% für BHK- und HeLa-Zellen), während Zellen, die den Hydrozyklon vom Filtrat-Oberlauf verlassen, eine deutlich geringere Viabilität aufwiesen (88% für BHK-Zellen bei 1.3 bar). Über den gesamten untersuchten Druckbereich lag die Separationseffizienz immer über 85%. Bei einem kontinuierlichen Betrieb des Hydrozyklons wurde keine messbare Verminderung der Viabilität der untersuchten HeLa- und CHO-ATIII-Zellen beobachtet. Anschließend wurden drei verschiedene Zelllinien (HeLa, CHO-3D6, SP-2/0) unter Intervallbetrieb des Hydrozyklons erfolgreich kultiviert, wobei die Zellviabilität immer über 95% lag. Desweiteren wurden CHO-ATIII Zellen, die Antithrombin III (ATIII) produzieren, unter Intervallbetrieb des Hydrozyklons bei verschiedenen Druckabfällen kultiviert. Dabei erwies sich ein Druckabfall von 0.85 bar als geeignetster Wert für ein optimales Zellwachstum und eine hohe ATIII-Produktion. Die akkumulierte ATIII-Produktion war bei 0.85 bar 3.6% höher als bei 1.10 bar und 49.3% höher als bei 1.30 bar. Abschließend wurde der Hydrozyklon mit einer herkömmlichen Membranperfusion verglichen. Beide Kultivierungen verliefen mit fast identische Ergebnisse. Die Zellen zeigten die gleiche Viabilität von über 96%, die gleiche spezifische Wachstumsrate und zellspezifische ATIII-Produktivität. Die ATIII-Ausbeute betrug 587 bzw. 591 mg nach 141 und 144 h für die Membran- und die Hydrozyklonperfusion.
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