控制生物反应器的关键参数2022-03-22

2020 年 3 月 24 日

控制生物反应器的关键参数，例如温度、pH、pO ₂、搅拌和压力对于将细胞维持在物理和化学环境中、优化其性能至关重要。

*温度

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大多数哺乳动物细胞系在 37 °C 的生理温度下具有最佳操作。超过 38 °C 的温度会迅速对细胞活力产生显着影响，而较低的温度会导致细胞代谢减慢。在生物反应器中保持均匀的恒温很重要。这由温度传感器、[生物反应器]上的水套和温度控制单元 (TCU) 控制。

温度传感器读取培养基的实际过程值，然后向控制器发送信号以驱动 TCU 发生变化。TCU 加热或冷却生物反应器罐周围的水或在夹套中再循环的任何传热流体。生物容器中培养基的温度通过与夹套的温度接触而达到平衡。
*酸碱度

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通常，哺乳动物细胞系在 7.0 - 7.4 范围内的生理 pH 值下具有最佳操作。大多数培养基含有碳酸氢盐缓冲液，以自然地将 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CO _2和水。

如果不采取任何措施，培养基会在培养过程中变得更加酸性。在培养开始时，通过发挥碳酸氢盐平衡将 pH 值调节在 7.0 - 7.4 范围内。将CO ₂添加到分布器中以增加溶解的CO ₂并降低pH。或者，在喷雾器中加入空气以汽提溶解的CO ₂并增加pH。当乳酸在培养基中积累时，在喷雾器中添加空气不足以增加 pH 值。

可能需要将NaOH 或_{Na2 CO3} 0.5 – 1 M等碱性溶液泵入生物反应器。空气、CO ₂或碱性溶液的添加由控制器自动管理，该控制器将插入生物反应器中的 pH 探针的信号测量值与过程的定义设定值进行比较。

*pO ₂

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O ₂难溶于培养基并很快被细胞消耗。它通过喷射空气、空气和O ₂的混合物或纯O ₂通过喷射器连续添加到生物反应器中，喷射器通常位于叶轮下方。

溶解氧 (DO) 的水平由传感器监测。大多数哺乳动物细胞培养的 DO 约为 20-50% 的空气饱和度。空气/O ₂的自动添加由控制器根据直接浸没在培养物中的 DO 传感器的过程值与特定过程设置的所需设定点之间的读数差异进行管理。当传感器读取到高于设定值的值时，可以通过喷雾器将氮气添加到生物反应器中，以将氧气从培养基中剥离出来。

另一种更常见的方法是让细胞消耗氧气直到达到设定点。当过程值低于设定值时，补充空气和 O ₂混合物以将 DO 的过程值增加到设定值。

*搅动

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搅拌系统通常由叶轮、驱动机构（磁性或直接）和电机组成。目标是向培养基中输入功率以产生有效的混合，并在生物反应器内获得温度、溶解氧和 pH 值的均匀分布。

叶轮的类型、尺寸和位置以及分布器的设计是保证均匀性的关键因素，同时限制了由于流体动力学和曝气引起的剪切应力效应及其对细胞和过程的潜在影响。

*压力

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由于大多数一次性使用的生物容器由柔性塑料制成，它们无法长时间抵抗数百毫巴的超压。通过使用插入生物容器内的一次性探针监测压力。

如果由于生物反应器的误用导致压力升高，例如由于过度发泡而导致的封闭夹或排气过滤器堵塞，则采用气体添加联锁策略。

通过生物制药制造，所有这些关键参数都得到严格维护和控制。来自每个探头的信号被连续记录，这些数据和关键参数包含在批次报告中，在批次发布之前提交给质量保证 (QA) 部门。

重要的是并行控制多个参数以维持合适的监测环境传播。在**[应用简报中了解更多信息：一次性生物反应器系统的表征和工程性能]

由 Marie-Laure Collignon 和 Alex Williams 合编。