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上游细胞培养关键工艺参数，你想要的全都有！

颇尔中国

2021.2.04

在悬浮细胞系的商业化生产中，一次性搅拌釜式生物反应器已成为普遍选择。目前市场上已有各种规格的生物反应器，涵盖了从数毫升到数千升的各种工作容积范围；并且，已采用不同的技术针对不同规模开发出了各种工艺。但是目前，技术转移和工艺放大仍为两大挑战，亟待解决。

技术的转移和工艺放大为商业化生产带来诸多的挑战，包括定义参数条件，如搅拌速率和气体鼓泡速率等。然而，这些工艺参数的线性放大都存在一定的困难。例如，氧传递和混合能力在不同规模下有所不同。控制生物反应器的关键参数（如温度、pH 值、pO₂、搅拌速率和压力等）对于在物理和化学环境中保持细胞正常生长从而优化细胞性能至关重要。

大多数哺乳动物细胞系在 37 ℃ 的生理温度下具有最佳生长状态。38 ℃以上的温度会迅速对细胞活性产生巨大影响，而更低的温度则会导致细胞代谢减慢。在生物反应器中务必保持均匀的恒定温度。这是由温度传感器、生物反应器上的水冷夹套和温度控制单元 (TCU) 控制的。温度传感器可读取培养基的实际过程值，然后向控制器发送信号，驱动 TCU 更改温度。TCU 可加热或冷却生物反应器罐周围夹套中循环的水或任何导热流体。通过与夹套接触，生物容器中培养基的温度达到平衡。

通常，哺乳动物细胞系在 7.0～7.4 的生理 pH 值范围下具有最佳生长状态。大多数培养基含有碳酸氢盐缓冲液，自然可以将 pH 值保持在该范围内。然而，由于细胞代谢，细胞在将葡萄糖转化为乳酸时会产生 CO₂ 和水。如果不采取任何措施，培养基在培养过程中会变得更具酸性。在培养之初，通过调节碳酸氢盐平衡，将 pH 值控制在 7.0～7.4 范围内。在鼓泡器中加入 CO₂ 可增大溶解的 CO₂ 的量，从而降低 pH 值。或者，在鼓泡器中加入空气，使溶解的 CO₂ 排出，从而提高 pH 值。当乳酸在培养基中累积时，在鼓泡器中加入空气不足以提高 pH 值。有时，可能需要将碱性溶液（如0.5-1mol/L的 NaOH 或 Na₂CO₃）泵送到生物反应器中。空气、CO₂ 或碱性溶液的添加由控制器自动管理，该控制器会将插入生物反应器中的 pH 探针测得的信号与设定的过程设定值进行比较。

O₂ 在培养基中溶解度较低，并迅速被细胞消耗。鼓泡器通常位于叶轮下方，通过鼓泡器可将用于鼓泡的空气、空气和 O₂ 的混合物，或纯 O₂ 添加到生物反应器中，以持续添加氧气。溶解氧 (DO) 水平由传感器监测。大多数哺乳动物细胞培养的 DO 水平约为空气中的氧的溶解饱和度的 20%～50%。空气/O₂ 的自动添加由控制器基于直接浸入培养液中的 DO 传感器所得过程值与特定过程所设目标设定值之间的读数差异进行管理。当传感器的读数高于设定值时，可以通过鼓泡器将氮加入到生物反应器中，使培养基中溶解的氧气排出。另一种更常见的方法是让细胞消耗氧气，直到达到设定值。当过程值低于设定值时，补充空气和 O₂ 混合物，将 DO 的过程值提高到设定值。

搅拌系统通常由叶轮、驱动机构（磁力驱动或直接驱动）和电机组成。其目标是将动力传递到培养基中，实现有效混合，并使生物反应器内的温度、DO 和 pH 值保持均匀。叶轮的类型、尺寸和位置以及鼓泡器的设计是保证均匀性的关键因素，同时可限制由流体力学和曝气引起的剪切力效应及其对细胞和过程的潜在影响。

由于大多数一次性生物容器都是由柔性塑料制成，它们无法长期承受数百毫巴的超压。压力由插入生物容器中的一次性探针监测。如果由于生物反应器使用不当（例如由于泡沫过多导致夹具封闭或排气过滤器堵塞）导致压力升高，可应用气体添加联锁策略。在生物制药生产过程中，上述所有关键参数均应受到严格保持和控制。应连续记录每个探针测得的信号，并将该数据与关键参数一同列入批次报告中，在批次放行前将报告提交至质量保证 (QA) 部门。