转自：楚天人
前 言
近年来，一次性技术因其便捷、高效、安全的特点，在生物制药工艺中占据的地位越发重要。生物制药工艺的上游阶段，使用一次性生物反应器可以大大缩短建设和生产时间，减少占地面积和公用工程负担，提高了生产线的灵活性。同时，一次性生物反应器在避免污染和交叉污染方面有优秀的表现。
一次性生物反应器应用于上游细胞培养阶段，为了维持高密度的细胞耗氧需求，反应器必须具有良好的传质效果以及稳定的DO控制，同时在生产阶段使用的大规模反应器对CO2去除效率也有较高要求。
本文使用楚天思优特BioTrue系列50L-1000L一次性生物反应器，在反应器传质效率、CO2去除效率和DO控制表现等核心控制性能方面，开展了系列系统研究。
一、KLa传质
OUR为Oxygen Uptake Rate, OTR为Oxygen Transfer Rate；稳态条件下OTR和OUR相等，反映在反应器上为稳定的DO值。
细胞的氧气消耗速率qO2在0.05～0.5*10^ - 12mol/cell/h，对于Fed-batch工艺X为20～40M的细胞密度时，可根据上述公式计算得到OUR。
OTR是KLa和传质推动力∆c的乘积，∆c是饱和状态下氧浓度和实际氧浓度的差值，最纯氧条件下，液体饱和氧浓度为1mM；实际氧浓度常为空气饱和状态下的50%即0.1mM，根据OTR与OUR相等，可以得出反应器的KLa约需要1～20/h。
在工艺放大以及工艺转移中，KLa是一个重要的参数。依据CHO细胞培养常用的单位体积功耗比和通气速率进行组合，并在不同的工作体积中重复，确认每个型号设备的传质性能。本次实验使用动态法进行KLa测定，先将DO校准至100%空气饱和度，测定之前使用氮气将DO降至10%，设定预设的通气和搅拌速率，直到DO上升到90%，在每个组合下重复此步骤。测试溶液以及相关参数如下表：
表1 测试溶液和参数
KLa结果如下图所示
图1 30%工作体积 K La
图2 100%工作体积 K La
30%工作体积KLa≥3.6/h，100%工作体积KLa≥7.8/h，结果显示一次性生物反应器配合使用SUT一次性培养袋的传质效果良好，无论是低工作体积作为种子罐还是高工作体积作为生产罐，均能满足细胞耗氧需求。
二、CO2去除
在CHO细胞规模培养过程中，随着细胞密度的升高，培养体系内CO2和渗透压会逐渐累积，培养体系内的CO2分压会影响细胞的生长、代谢，同时也影响产物糖基化而降低产品质量。所以对于生物反应器，CO2的去除是一个重要的性能参数，CO2的去除效率和生产规模呈负相关。
测试溶液中添加了碳酸氢钠以达到与培养基类似的pH缓冲效果，在KLa测试前，首先通入CO2控制pH为7.0±0.1，在KLa测试过程中记录pH变化，以此模拟培养基体系下的CO2去除效率。实验结果如下图所示：
图3 30%工作体积二氧化碳逃逸率
图4 100%工作体积二氧化碳逃逸率
结果显示30%工作体积CO2 Stripping≥0.13/h，100%工作体积CO2 Stripping≥0.35/h，CO2去除效率与通气量成正比，而气泡破裂产生的剪切力是损伤细胞的主要因素，需要在CO2去除效果和气泡剪切力之间做合适的选择。
三、DO控制
一次性生物反应器使用了大量的PAT技术，在众多的过程控制中，DO的控制尤为困难，控制DO并将其保持在一定水平以上是至关重要的。正确调整DO控制器的比例值(Proportional Integral Value)对于生物反应器中的最佳细胞培养条件尤为重要。
使用一种化学除氧剂亚硫酸钠模拟细胞耗氧过程，在金属铜离子的催化下，Na2SO3亚硫酸钠与氧气反应生成Na2SO4（反应式如下）
通常DO控制范围为40-60%，P/V选择40，通气策略采用Macro-sparger Air和Micro-sparger O2的组合，DO设定值为40%，使用反应器配备的314D泵头连续流加Na2SO3，通过增加泵速模拟在PID控制下DO稳定。通过修改PID参数，DO控制趋于稳定，见下图：
图5 50L DO趋势
图6 200L DO趋势
图7 1000L DO趋势
优化反应器的PID控制参数使通气与DO变化趋势平稳，梯度递增Na2SO3添加泵速，从图中可以看出通气量相应增加，此时DO变化仍然稳定无波动，可以为细胞生长提供一个稳定的DO环境。
四、小结
在细胞培养过程中，低DO水平使细胞缺氧凋亡，而将DO维持在过高水平时会加速过氧化物的形成，对DNA、蛋白和脂质等产生损伤，也会导致细胞生长变差，一个稳定的DO环境尤为重要。pCO2则对活细胞密度峰值、培养周期、生长速率和抗体的比生成速率都具有显著的影响。
楚天BioTrue一次性生物反应器，50L到2000L线性放大，拥有稳定先进的硬件，灵活高度定制的控制系统，满足不同细胞培养工艺需求。同时楚天思优特提供整套配套性能卓著的一次性培养袋、取样袋等生物培养耗材，自有优化膜材配方和自主膜材生产制造。生物安全性上，膜材无添加抗氧化剂168，生物相容性好，无细胞毒性；力学性能上，膜材厚度380-400μm，抗拉伸强度达到120N，高于一般产品30-40%的强度，长期细胞培养安全系数更高。楚天思优特SUT一次性生产解决方案为客户提供完整稳定的供应链方案，助力您的细胞培养制药生产安全保障运行。
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楚天思优特生物技术（长沙）有限公司
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