通常，對(duì)于像新冠疫苗這類需求量較大的藥物，會(huì)使用工作體積為100 – 2000 L甚至更大的生物反應(yīng)器來(lái)滿足生產(chǎn)。而對(duì)于前期的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、工藝開(kāi)發(fā)和早期臨床試驗(yàn)，通常只會(huì)使用規(guī)模較小的反應(yīng)器（多為微小型臺(tái)式反應(yīng)器）。將生物反應(yīng)器從研發(fā)和早期臨床試驗(yàn)中使用的小體積（1-20 L）擴(kuò)大到商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中使用的更大體積（100 – 2000 L）甚至更大），并且不顯著改變培養(yǎng)物的生理狀態(tài)或細(xì)胞生物學(xué)特性是關(guān)鍵。
 

進(jìn)行哺乳動(dòng)物細(xì)胞放大培養(yǎng)時(shí)，需要考慮物料混合時(shí)間，氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和二氧化碳去除速率等關(guān)鍵因素。在《Scale-Up Analysis for a CHO Cell Culture Process in Large-Scale Bioreactors》研究中，科學(xué)家對(duì)CHO細(xì)胞在大型生物反應(yīng)器（5000L）的放大培養(yǎng)進(jìn)行了分析。
 

首先，在一臺(tái)5000 L生物反應(yīng)器中進(jìn)行了混合實(shí)驗(yàn)（無(wú)細(xì)胞）。相同配置下，5000 L反應(yīng)器與臺(tái)式5 L和20 L反應(yīng)器相比，5000 L生物反應(yīng)器具有更低的氧轉(zhuǎn)移系數(shù)、更長(zhǎng)的混合時(shí)間和更低的二氧化碳去除率。

生物反應(yīng)器中預(yù)測(cè)（黑條）和實(shí)際測(cè)得（白條）氧轉(zhuǎn)移系數(shù)的比

生物反應(yīng)器中混合時(shí)間的預(yù)測(cè)（線）和測(cè)量（符號(hào)）值

同時(shí)氧轉(zhuǎn)移閾值分析表明，5000 L反應(yīng)器的配置最大只能支持每毫升7 x 10（6）個(gè)細(xì)胞的活細(xì)胞密度。

生物反應(yīng)器溶解氧比較

為了解決上述影響，采用經(jīng)驗(yàn)方程預(yù)測(cè)5000 L生物反應(yīng)器不同參數(shù)下的混合時(shí)間、氧轉(zhuǎn)移系數(shù)和二氧化碳去除率。結(jié)果表明，在改善氧氣轉(zhuǎn)移系數(shù)和二氧化碳去除率上，增加底部通氣速率比增加功率輸入更有效。

二氧化碳去除率與通氣速率、功率變化關(guān)系
（功率：5.2 W/m³ - 叉、24 W/m³ - 菱形、100 W/m³ - 三角形）

 

補(bǔ)料分批發(fā)酵下生物反應(yīng)器中液體體積的增加，大容積下的物料混合成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。研究表明，5000 L生物反應(yīng)器中與混合時(shí)間、二氧化碳去除速率相關(guān)的工程參數(shù)可能需要優(yōu)化，從而降低工藝放大時(shí)不同風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)的可能性。

 

參考文獻(xiàn)：

1. Xing Z, Kenty BM, Li ZJ, Lee SS. Scale-up analysis for a CHO cell culture process in large-scale bioreactors. Biotechnol Bioeng. 2009 Jul 1;103(4):733-46. doi: 10.1002/bit.22287. PMID: 19280669.

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