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      1. 有關細胞培養過程轉移的一切

        哺乳動物細胞培養生物過程在生物制藥工業中越來越重要。由于對產品質量的高要求,恒溫振蕩器作為生產單位可能會在某一點后成為限制因素。此外,由于無法在振動篩中進行實時監視和控制,因此zui終的過程轉移和按比例放大是必不可少的措施。

        典型的工藝周期

        通常通過解凍細胞,在溫育的振蕩器中將細胞培養至一定數量的細胞密度,然后將其轉移到生物反應器中來生產特定的產品。為了增加產品量,生物工藝zui終被按比例擴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。一個成功的過程轉移需要考慮許多不同的因素,包括生物學和物理參數。因此,這篇文章旨在闡明這些內容。

        使用實時監控了解您的生物過程

        細胞培養培養單位的選擇始終取決于應用。搖瓶機易于處理,一次性使用,可快速進行生物工藝準備。搖瓶機通常用于篩選目的或了解其初始階段的過程。另一方面,對于過程的詳細了解,通過實時監視和控制深入了解生物過程至關重要。搖床僅在有限的范圍內允許此操作,其中與該過程相關的信息仍是未知的黑匣子。這是因為分析樣品并獲取相應的數據可能需要長達數小時甚至數天的時間。

        不僅需要嚴格的實時控制來識別關鍵過程參數(CPP),這些參數對于控制細胞生物學非常重要,而且還必須滿足有關質量,功效和成本效益的監管標準。為了滿足這些監視要求,擁有一個自動化的生物反應器系統至關重要,該系統通過使用完全執行這些功能的軟件來確定實時控制,監視,數據記錄和管理的優先級。

        注意流程轉移的關鍵因素

        搖瓶機到生物反應器的工藝轉移和按比例放大的步驟并不總是那么容易和順暢。從曝氣到培養方法本身,細胞的環境完全改變。從曝氣到混合方法本身,細胞的環境完全  改變。細胞不再搖動而是被攪拌的事實導致生物反應器內混合的改變。哺乳動物敏感細胞的這種巨大變化導致剪切應力和泡沫問題,但如今由于添加消泡劑和細胞表面活性劑,這些問題得到了很好的控制。  

        除了上面提到的觀察結果外,幾乎沒有其他需要考慮的關鍵工程參數:

        1.氧氣轉移:

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

        2.培養基混合:

        另一個重要的影響參數是需要考慮的細胞培養液中的混合。因此,混合不充分會導致pH和營養梯度下降,這已被證明會顯著影響細胞生長和抗體生成。

        3. CO2累積:

        由于低功率輸入和曝氣速率,培養基中的CO2濃度升高,這對產品質量以及細胞生長和蛋白質生產產生負面影響。

        選擇合適的葉輪設計

        在每個生物過程中都存在一些挑戰,但是有可能克服這些挑戰。幸運的是,在上述所有關鍵因素(葉輪設計)的背后都有一個共同的分母。它通過分散氣泡來減輕負面影響,從而導致更好的氧氣轉移和CO2去除,進而導致更均勻的培養。但是,與此同時,葉輪在細胞的剪切應力中起著很大的作用,使操作員陷入了真正的困境。

        需要注意的一個關鍵方面是在葉輪附近產生的渦流的大小。渦流的大小越接近細胞的大小,就越有可能觀察到細胞的損傷。因此,優化的生物反應器設計包括一個葉輪,該葉輪可在較大的功率輸入下運行,同時保持足夠大的渦流尺寸,從而有效地實現了更好的氣體傳輸,混合和CO2去除,而不會損壞電池并擴大生物反應器的運行范圍。

        假定每個現代細胞培養生物反應器都應提供多質量流量控制器充氣系統,以實現精確的流量控制和氣體混合,或者可以利用CO2代替液態酸的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。

        從zui佳實踐中學習

        盡管科學界已經進行了很長時間的過程轉移,但缺乏同樣的專業知識卻令人震驚。因此,眾所周知的現象通常仍未得到業界的充分利用或充分利用。因此,對于那些已經采用了該技術的人來說,有時會感到困惑,對于那些想將過程從搖瓶機轉移到生物反應器中的新手來說,這尤其具有挑戰性。盡管您目前對流程轉移的了解程度很簡單,但是如果您需要指導或有興趣了解其他人如何成功地進行此流程,請查看具有代表性的生物流程轉移的說明性應用:“使用Minifors進行CHO栽培的流程轉移以蘇黎世應用科技大學為例。

        擴大配方

        即使到了今天,由于生物過程仍未得到適當的監控和詳細了解,因此擴大規模還是一個不穩定的過程。與過程相關的兩個非常重要的參數是攪拌和通氣。一方面,設置攪拌以實現均勻混合并將氧氣轉移到細胞中。另一方面,調節曝氣以為細胞提供足夠的氧氣,并消除過量的CO2。特別是在大型生物反應器中,過量的CO2注意力集中會帶來嚴重的問題。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,這會影響氣泡的大小。以下詳細討論了成功執行放大過程所需的具體工程參數。

        1. k L a –體積傳質系數

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

        a)動態除氣技術

        在初始步驟中,生物反應器系統處于靜止狀態,這會因突然停止氧氣供應而中斷。這會導致細胞消耗的溶解氧濃度降低。氧氣消耗完后,再次打開電源,氣體恢復到原來的狀態。

        b)靜態除氣技術

        在該技術中,在添加氮氣之后將氧氣從液體中排出。之后,將液體攪拌并再次充氣,并監測溶解氧的增加。

        c)亞硫酸鹽法

        該方法基于亞硫酸鈉與氧氣的反應,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(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

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

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