典型的工藝周期

通常通過解凍細(xì)胞，在溫育的振蕩器中將細(xì)胞培養(yǎng)至一定數(shù)量的細(xì)胞密度，然后將其轉(zhuǎn)移到生物反應(yīng)器中來生產(chǎn)特定的產(chǎn)品。為了增加產(chǎn)品量，生物工藝zui終被按比例擴(kuò)大到不同的單位尺寸。但是，這樣的一系列步驟說起來容易做起來難。一個(gè)成功的過程轉(zhuǎn)移需要考慮許多不同的因素，包括生物學(xué)和物理參數(shù)。因此，這篇文章旨在闡明這些內(nèi)容。

使用實(shí)時(shí)監(jiān)控了解您的生物過程

細(xì)胞培養(yǎng)培養(yǎng)單位的選擇始終取決于應(yīng)用。搖瓶機(jī)易于處理，一次性使用，可快速進(jìn)行生物工藝準(zhǔn)備。搖瓶機(jī)通常用于篩選目的或了解其初始階段的過程。另一方面，對(duì)于過程的詳細(xì)了解，通過實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制深入了解生物過程至關(guān)重要。搖床僅在有限的范圍內(nèi)允許此操作，其中與該過程相關(guān)的信息仍是未知的黑匣子。這是因?yàn)榉治鰳悠凡@取相應(yīng)的數(shù)據(jù)可能需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間。

不僅需要嚴(yán)格的實(shí)時(shí)控制來識(shí)別關(guān)鍵過程參數(shù)（CPP），這些參數(shù)對(duì)于控制細(xì)胞生物學(xué)非常重要，而且還必須滿足有關(guān)質(zhì)量，功效和成本效益的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足這些監(jiān)視要求，擁有一個(gè)自動(dòng)化的生物反應(yīng)器系統(tǒng)至關(guān)重要，該系統(tǒng)通過使用執(zhí)行這些功能的軟件來確定實(shí)時(shí)控制，監(jiān)視，數(shù)據(jù)記錄和管理的優(yōu)先級(jí)。

注意流程轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素

從搖瓶機(jī)到生物反應(yīng)器的工藝轉(zhuǎn)移和按比例放大的步驟并不總是那么容易和順暢。從曝氣到培養(yǎng)方法本身，細(xì)胞的環(huán)境改變。從曝氣到混合方法本身，細(xì)胞的環(huán)境  改變。細(xì)胞不再搖動(dòng)而是被攪拌的事實(shí)導(dǎo)致生物反應(yīng)器內(nèi)混合的改變。哺乳動(dòng)物敏感細(xì)胞的這種巨大變化導(dǎo)致剪切應(yīng)力和泡沫問題，但如今由于添加消泡劑和細(xì)胞表面活性劑，這些問題得到了很好的控制。  

除了上面提到的觀察結(jié)果外，幾乎沒有其他需要考慮的關(guān)鍵工程參數(shù)：

1.氧氣轉(zhuǎn)移：

由于哺乳動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)過程是有氧的，因此氧轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中是非常關(guān)鍵的因素。為了確保有足夠的氧氣供應(yīng)，需要控制攪拌速度，氣體流速和氣體成分。由于哺乳動(dòng)物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，因此可能需要保持低功率輸入，從而導(dǎo)致培養(yǎng)物中的不均勻性。

2.培養(yǎng)基混合：

另一個(gè)重要的影響參數(shù)是需要考慮的細(xì)胞培養(yǎng)液中的混合。因此，混合不充分會(huì)導(dǎo)致pH和營(yíng)養(yǎng)梯度下降，這已被證明會(huì)顯著影響細(xì)胞生長(zhǎng)和抗體生成。

3. CO2累積：

由于低功率輸入和曝氣速率，培養(yǎng)基中的CO2濃度升高，這對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及細(xì)胞生長(zhǎng)和蛋白質(zhì)生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。

選擇合適的葉輪設(shè)計(jì)

在每個(gè)生物過程中都存在一些挑戰(zhàn)，但是有可能克服這些挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，在上述所有關(guān)鍵因素（葉輪設(shè)計(jì)）的背后都有一個(gè)共同的分母。它通過分散氣泡來減輕負(fù)面影響，從而導(dǎo)致更好的氧氣轉(zhuǎn)移和CO2去除，進(jìn)而導(dǎo)致更均勻的培養(yǎng)。但是，與此同時(shí)，葉輪在細(xì)胞的剪切應(yīng)力中起著很大的作用，使操作員陷入了真正的困境。

需要注意的一個(gè)關(guān)鍵方面是在葉輪附近產(chǎn)生的渦流的大小。渦流的大小越接近細(xì)胞的大小，就越有可能觀察到細(xì)胞的損傷。因此，優(yōu)化的生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)包括一個(gè)葉輪，該葉輪可在較大的功率輸入下運(yùn)行，同時(shí)保持足夠大的渦流尺寸，從而有效地實(shí)現(xiàn)了更好的氣體傳輸，混合和CO2去除，而不會(huì)損壞電池并擴(kuò)大生物反應(yīng)器的運(yùn)行范圍。

假定每個(gè)現(xiàn)代細(xì)胞培養(yǎng)生物反應(yīng)器都應(yīng)提供多質(zhì)量流量控制器充氣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)精確的流量控制和氣體混合，或者可以利用CO2代替液態(tài)酸的pH控制回路。但是，這些功能的討論不在本文的討論范圍之內(nèi)。

從實(shí)踐中學(xué)習(xí)

盡管科學(xué)界已經(jīng)進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的過程轉(zhuǎn)移，但缺乏同樣的專業(yè)知識(shí)卻令人震驚。因此，的現(xiàn)象通常仍未得到業(yè)界的充分利用或充分利用。因此，對(duì)于那些已經(jīng)采用了該技術(shù)的人來說，有時(shí)會(huì)感到困惑，對(duì)于那些想將過程從搖瓶機(jī)轉(zhuǎn)移到生物反應(yīng)器中的新手來說，這尤其具有挑戰(zhàn)性。盡管您目前對(duì)流程轉(zhuǎn)移的了解程度很簡(jiǎn)單，但是如果您需要指導(dǎo)或有興趣了解其他人如何成功地進(jìn)行此流程，請(qǐng)查看具有代表性的生物流程轉(zhuǎn)移的說明性應(yīng)用：“使用Minifors進(jìn)行CHO栽培的流程轉(zhuǎn)移以蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)為例。

擴(kuò)大配方

即使到了今天，由于生物過程仍未得到適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控和詳細(xì)了解，因此擴(kuò)大規(guī)模還是一個(gè)不穩(wěn)定的過程。與過程相關(guān)的兩個(gè)非常重要的參數(shù)是攪拌和通氣。一方面，設(shè)置攪拌以實(shí)現(xiàn)均勻混合并將氧氣轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中。另一方面，調(diào)節(jié)曝氣以為細(xì)胞提供足夠的氧氣，并消除過量的CO2。特別是在大型生物反應(yīng)器中，過量的CO2注意力集中會(huì)帶來嚴(yán)重的問題。因此，重要的是要考慮曝氣和攪拌速率，葉輪和噴射器的位置，這會(huì)影響氣泡的大小。以下詳細(xì)討論了成功執(zhí)行放大過程所需的具體工程參數(shù)。

1. k L a –體積傳質(zhì)系數(shù)

k L a系數(shù)表示氣體從氣相轉(zhuǎn)移到液相的效率。這取決于生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和操作條件。而且，它還受到葉輪設(shè)計(jì)，曝氣和攪拌速率的影響。k L a值越高，培養(yǎng)系統(tǒng)的通氣性能越好。存在幾種用相應(yīng)的溶解氧探針確定該系數(shù)的方法。一些zui突出的方法如下。

a）動(dòng)態(tài)除氣技術(shù)

在初始步驟中，生物反應(yīng)器系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，這會(huì)因突然停止氧氣供應(yīng)而中斷。這會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞消耗的溶解氧濃度降低。氧氣消耗完后，再次打開電源，氣體恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

b）靜態(tài)除氣技術(shù)

在該技術(shù)中，在添加氮?dú)庵髮⒀鯕鈴囊后w中排出。之后，將液體攪拌并再次充氣，并監(jiān)測(cè)溶解氧的增加。

c）亞硫酸鹽法

該方法基于亞硫酸鈉與氧氣的反應(yīng)，其中亞硫酸鹽借助金屬離子被氧化為硫酸鈉。然后確定氧氣的消耗量。

為了確定  k L a  系數(shù)（h -1 ），除了氧氣傳輸速率OTR（mg O 2 * L-1 * h-1）外，平衡氧氣濃度c O 2 *（mg / L）  并且需要知道 溶解氧濃度c O 2（mg / L）。  

2.電源輸入

該工程參數(shù)與流體動(dòng)力應(yīng)力相關(guān)，流體動(dòng)力應(yīng)力影響細(xì)胞的生長(zhǎng)及其生產(chǎn)力，特別是對(duì)剪切敏感性較高的生物的生產(chǎn)力。確定功率輸入的zui突出技術(shù)是基于扭矩的測(cè)量。此方法非常易于應(yīng)用，因此是zui常用的方法。通過使用扭矩傳感器，在攪拌器軸上測(cè)量扭矩，然后可以確定功率輸入。必須指出，提供無振動(dòng)的環(huán)境測(cè)量非常重要。? 他  下面示出了式如何  輸入功率，P（W） 可以通過確定的旋轉(zhuǎn)攪拌器速度來計(jì)算，N（分鐘-1）和液體中的扭矩（N * m），以及空容器中的扭矩（N * m）。