生物反應(yīng)器在生物技術(shù)，工藝開發(fā)和研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其主要應(yīng)用包括：

1. 細(xì)胞株開發(fā)：臺式生物反應(yīng)器可用于評估各個細(xì)胞株的性能，包括生長和表達(dá)效率，這有助于確定最適合進(jìn)行進(jìn)一步工藝開發(fā)和放大的候選細(xì)胞株。

2. 工藝開發(fā)：臺式生物反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于工藝開發(fā)的早期階段，包括了參數(shù)優(yōu)化和工藝放大兩方面，首先在較小規(guī)模上優(yōu)化溫度，pH，DO等工藝控制參數(shù)，然后再進(jìn)行工藝放大研究，降低放大至較大體積的生物反應(yīng)器中可能存在的成本和風(fēng)險。更復(fù)雜的工藝開發(fā)包括了增強(qiáng)型工藝，例如灌流培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)。

3. 培養(yǎng)基優(yōu)化：臺式生物反應(yīng)器可以用于優(yōu)化培養(yǎng)基和補(bǔ)料策略，以改善細(xì)胞生長、活力和蛋白質(zhì)表達(dá)，有助于實現(xiàn)高效，穩(wěn)定且成本可控的大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)。

4. 工藝表征：臺式生物反應(yīng)器可進(jìn)行工藝縮小研究，在較小規(guī)模上模擬較大生物反應(yīng)器的條件，有助于了解和解決工藝放大過程中可能出現(xiàn)的限制性因素，如氧氣傳質(zhì)、混合效率、CO2分壓和剪切力。

5. 質(zhì)量源于設(shè)計（QbD）：可以在臺式生物反應(yīng)器規(guī)模實施QbD開發(fā)原則，系統(tǒng)地研究和優(yōu)化關(guān)鍵工藝參數(shù)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

6. 臨床樣品制備：符合GMP要求的臺式生物反應(yīng)器系統(tǒng)，可用于臨床前研究或早期臨床試驗中的小規(guī)模生產(chǎn)，以快速、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)小批量的治療性產(chǎn)品。

Reference:cell culture bioprocess engineering, second edition

生物制藥中，CHO細(xì)胞作為常用的重組蛋白的表達(dá)體系，優(yōu)化其生長和產(chǎn)物表達(dá)效率至關(guān)重要，然而生物反應(yīng)器中CHO細(xì)胞卻面臨著多方面的生理壓力，包括培養(yǎng)條件、營養(yǎng)供應(yīng)和環(huán)境參數(shù)有關(guān)的各種因素，因此需要反應(yīng)器提供良好的工藝參數(shù)控制，以維持合適的細(xì)胞生長微環(huán)境。

· 營養(yǎng)限制：CHO細(xì)胞的能量和生物合成嚴(yán)重依賴葡萄糖，葡萄糖濃度過低會導(dǎo)致細(xì)胞新陳代謝壓力和活力降低；氨基酸是蛋白質(zhì)合成所必需的，特定氨基酸含量不足會影響細(xì)胞生長和蛋白表達(dá)；細(xì)胞培養(yǎng)基中的生長因子、維生素和微量元素的不足也會影響 CHO 細(xì)胞的生理機(jī)能。

· 溫度：溫度波動會影響細(xì)胞的新陳代謝，對于細(xì)胞生長和蛋白表達(dá)通常所需最適溫度不同，需要制定針對性控制策略。

· pH值波動：pH 值的變化會導(dǎo)致培養(yǎng)基的酸化，影響分子的電離狀態(tài)，并影響細(xì)胞的新陳代謝，維持pH值在最佳范圍內(nèi)對細(xì)胞活力和表達(dá)至關(guān)重要。

· 溶解氧濃度：溶解氧濃度過低會導(dǎo)致供氧不足，造成細(xì)胞應(yīng)激，影響細(xì)胞生長和蛋白質(zhì)表達(dá)。

· 二氧化碳分壓：二氧化碳分壓影響了pH控制，細(xì)胞代謝和生理功能，需要加以及時的檢測和有效的控制策略。

· 滲透壓：代謝物積累或營養(yǎng)濃度過高導(dǎo)致的高滲透壓會對細(xì)胞造成壓力，這會影響細(xì)胞體積大小調(diào)節(jié)和整體細(xì)胞功能。

· 剪切力：生物反應(yīng)器中的攪拌和通氣產(chǎn)生的能量耗散會對細(xì)胞造成剪切應(yīng)力，過大的剪切應(yīng)力會損傷細(xì)胞結(jié)構(gòu)并影響其生產(chǎn)率。

· 代謝副產(chǎn)物：細(xì)胞新陳代謝產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物（如乳酸、氨）的積累會對細(xì)胞活力和蛋白表達(dá)產(chǎn)生不利影響。

· 細(xì)胞密度：高細(xì)胞密度和細(xì)胞聚集會導(dǎo)致營養(yǎng)和氧氣的限制，造成壓力，有效的混合和充分的氧氣供應(yīng)對防止這些問題至關(guān)重要。

理解細(xì)胞所處的生理壓力環(huán)境對于工藝條件優(yōu)化，增強(qiáng)細(xì)胞活率，獲得高表達(dá)產(chǎn)物和目標(biāo)質(zhì)量屬性非常關(guān)鍵。

在了解了細(xì)胞所處的生理壓力之后，遵循質(zhì)量源于設(shè)計（QbD）的指導(dǎo)原則，通過風(fēng)險評估的方式確定關(guān)鍵工藝過程參數(shù)（CPP）, 重要工藝過程參數(shù)（KPP）及非重要過程控制參數(shù)（Non-KPP），制定參數(shù)各自的設(shè)定空間（DS），并在操作范圍內(nèi)進(jìn)行控制，這整體上需要工藝過程分析技術(shù)（PAT）及生物反應(yīng)器所配置過程控制策略，以提供一致的工藝性能和產(chǎn)品質(zhì)量（CQA）。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

生物反應(yīng)器常用控制策略

· 開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用一組預(yù)定義的控制輸入或設(shè)定點(diǎn)，而不連續(xù)測量實際輸出，系統(tǒng)假定輸入將實現(xiàn)所需的輸出，而無需實時反饋。該控制策略的準(zhǔn)確度依賴于高精度及快速響應(yīng)的硬件配置。

· 閉環(huán)（反饋）控制：閉環(huán)控制使用傳感器持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)輸出，將其與所需設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，并實時調(diào)整控制輸入以保持所需的條件。這種方法能更好地適應(yīng)過程中的變化和干擾。該控制策略的準(zhǔn)確度依賴于控制器模式，參數(shù)的預(yù)設(shè)和調(diào)節(jié)。

· 前饋控制：前饋控制可預(yù)測系統(tǒng)中的干擾，并在干擾影響輸出之前調(diào)整控制輸入。它是對反饋控制策略的補(bǔ)充。

生物反應(yīng)器控制器策略的應(yīng)用

· PID控制：PID 控制是一種閉環(huán)控制策略的實現(xiàn)形式，通過比較設(shè)定值和實際值（誤差），使用比例、積分和微分項來計算控制輸出。比例部分使用增益（Gain）乘以誤差進(jìn)行輸出；積分部分累積 CV（控制輸出）隨時間變化的程度，以糾正誤差；微分部分分析參數(shù)過去的變化率，并將其推斷到未來，其動作單位為秒（你想推斷多遠(yuǎn)），可以讓回路在發(fā)生突發(fā)事件時迅速做出反應(yīng)，但很容易受到測量噪音的影響。

· PID同時可以結(jié)合死區(qū)（DB, Dead Band）來使用，例如pH的PID控制，細(xì)胞對于pH有一個適應(yīng)范圍，設(shè)定合適的DB值，避免酸，堿的反復(fù)添加和滲透壓的升高。

· 級聯(lián)控制：級聯(lián)控制涉及主控制器與子控制器，主控制器的輸出作為子控制器的設(shè)定值，從而更好地抑制干擾；子控制器可以為一個或多個，通過順序級聯(lián)或同時級聯(lián)，以滿足不同復(fù)雜程度工藝的需求。例如DO控制中，主控制器為DO PID控制器，子控制器為Air，O2，攪拌等控制器。

· Profile控制：為控制器的設(shè)定值設(shè)定隨時間變化的程序，控制器接受該設(shè)定值進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)控制。例如補(bǔ)料泵的控制中，根據(jù)預(yù)測的細(xì)胞密度增加情況調(diào)整補(bǔ)料速度供給率，從而實現(xiàn)對營養(yǎng)物質(zhì)濃度的前瞻性控制。

常見的細(xì)胞培養(yǎng)方式為補(bǔ)料分批工藝（Fed Batch），需要多級的種子擴(kuò)增步驟，主反應(yīng)器中也需生長至穩(wěn)定期進(jìn)行蛋白表達(dá)，因此所需設(shè)備成本高，占地空間大，生產(chǎn)效率較低且產(chǎn)品質(zhì)量一致性存在差異。

隨著灌流培養(yǎng)基，細(xì)胞截留設(shè)備及PAT技術(shù)等方面的發(fā)展，增強(qiáng)型工藝（Process Intensification）在生物制藥中逐漸得以應(yīng)用。根據(jù)對細(xì)胞和蛋白的截留，增強(qiáng)型工藝分為Concentrate Fed Batch, Dynamic perfusion及Continuous Perfusion等不同形式。

Reference：Perfusion Cell Culture Processes for Biopharmaceuticals

灌流工藝的開發(fā)通常在臺式反應(yīng)器中進(jìn)行，相比Fed Batch系統(tǒng)具有如下組成及特點(diǎn)：

· 反應(yīng)器從結(jié)構(gòu)設(shè)計到工藝驗證上應(yīng)能支持系統(tǒng)長時間無菌培養(yǎng)的要求。

· 反應(yīng)器的通氣及攪拌系統(tǒng)配置應(yīng)當(dāng)滿足高細(xì)胞密度培養(yǎng)對于傳質(zhì)和混合的要求，并進(jìn)行充分的表征，以評估放大過程中的限制性因素。

· 細(xì)胞截留裝置：支持切向流或聲學(xué)細(xì)胞截留裝置的無菌連接，截留裝置控制器可選擇接受生物反應(yīng)器控制，細(xì)胞在截留裝置中所受的生理壓力（剪切力，溫度變化，溶解氧濃度等）應(yīng)當(dāng)加以控制。

· PAT整合：系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)支持額外的電極整合，實時監(jiān)控細(xì)胞密度、活力、二氧化碳分壓等關(guān)鍵參數(shù)。

· 外置設(shè)備的拓展：可拓展外置天平等設(shè)備。

· 自動化控制系統(tǒng)：系統(tǒng)應(yīng)配置自動化灌流程序或配方，實現(xiàn)高精度自動化的灌流速率，反應(yīng)器液位及細(xì)胞密度控制，減少灌流工藝長時間培養(yǎng)過程中復(fù)雜的人為操作所帶來的風(fēng)險。

NestoBR是一款基于生物工藝進(jìn)行設(shè)計和研發(fā)的先進(jìn)型臺式生物反應(yīng)器系統(tǒng)，應(yīng)用于生物制藥及生物技術(shù)等方向的工藝研究和開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計滿足生物行業(yè)對于反應(yīng)器的高性能及法規(guī)方面的要求，可降低用戶實驗的批次失敗風(fēng)險，提高工藝開發(fā)能力，加速生命科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)穩(wěn)健化的技術(shù)轉(zhuǎn)移。

NestoBR產(chǎn)品特點(diǎn)

·緊湊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計：集成式工業(yè)控制器，直觀的用戶界面與交互；減少設(shè)備空間需求，易于使用。

·嚴(yán)格的材料選擇及處理：高硼硅玻璃，耐高溫，耐腐蝕；316L不銹鋼，表面拋光及鈍化處理，，易清洗，易清潔；墊圈采用EPDM材質(zhì)，符合cGMP要求。

·基于工藝?yán)斫獾漠a(chǎn)品設(shè)計：從細(xì)胞生所處的生長微環(huán)境出發(fā)，進(jìn)行功能設(shè)計，拓展工藝可操作空間，保障批次穩(wěn)定。

·豐富的高性能硬件配置：靈活的硬件配置方案，滿足不同細(xì)胞或工藝在培養(yǎng)體積、溫度控制、攪拌控制、通氣控制等工藝方面的差異化要求。

·高級自動化軟件架構(gòu)：ISA88批處理控制高級自動化軟件架構(gòu)，將物理硬件、操作程序和個性化工藝的緊密的結(jié)合，為控制系統(tǒng)提供安全性，穩(wěn)定性保障。

·符合cGMP法規(guī)要求： 根據(jù)用戶需求，提供從設(shè)計、測試、驗證、文件等一系列技術(shù)服務(wù)；系統(tǒng)設(shè)計與驗證遵循ISPE GAMP5。

·快速穩(wěn)定的自動化參數(shù)控制：控制系統(tǒng)配置不同的控制策略，實現(xiàn)快速，穩(wěn)定，靈活的工藝過程參數(shù)自動化控制

·完善的批次過程監(jiān)控與管理：系統(tǒng)配置趨勢圖，批次報告，用戶管理，審計追蹤功能

·滿足復(fù)雜工藝應(yīng)用需求：NestoBR提供長時間運(yùn)行的無菌保障，完善的設(shè)備表征數(shù)據(jù)，可集成PAT，外置設(shè)備與灌流裝置，可新增控制回路實現(xiàn)自動化灌流工藝操作。

·全面的安全性保障：提供生物反應(yīng)器在使用，批次，軟件，數(shù)據(jù)，工藝等方面全方位的安全保障。