生物反应器放大的基本原则

生物反应器放大的基本原则

生物反应器放大的目的是增加产量，同时保持相似的产品产量和质量。这意味着可比的细胞生产力（目标产物收率）、细胞密度和生存力以及细胞代谢必须跨尺度保存。为了实现这一点，必须保持尽可能多的操作参数不变。与规模无关的变量，如温度、pH值、溶解氧设定值和营养进料策略，可在工艺放大过程中轻松保持恒定（表1.）。

然而，与规模相关的参数，如搅拌、叶轮尖端速度、混合时间、雷诺数和通气流速，不可能在整个放大过程中同时保持恒定。因为它们对搅拌速度、叶轮直径和容器直径有不同的依赖性。

最终，这些参数会影响操作成本、培养异质性、气体转移特性和施加于细胞的剪切应力。

一般来说搅拌罐生物反应器的体积功率输入通常保持在10–80w/m3的范围内，但其他因素，包括混合速度、混合时间、叶轮尖端速度和雷诺数根据生产规模而具有不同的值。如表2.中所示，在规模上搅拌速度随着增加而降低。

表1.尺度自变量及尺度应变量

表2. 不同生产规模对应相关参数的典型值

然而，由于叶轮尺寸增加，叶轮尖端速度和雷诺数遵循相反的趋势。最后，由于容器直径的增加，混合时间也随着规模的增加而增加。

几何相似性

几何相似性通常是放大生物反应器的首要标准。如果反应器罐体直径增加，所有其他长度（反应器罐体高度、叶轮直径和叶轮宽度）都会以相同的比例系数增加。

通常，用于细胞培养的生物反应器容器的高径比（H/D）在台式生物反应器中为1–2，在中试和工业规模生物反应器中为2–3。保持H/D会影响与表面和体积相关的因素，如热传递、气体传递和混合。由于在容器壁上发生热交换，单位体积的热传递随着体积的增加而减少。恒定的H/D纵横比会显著降低表面积与体积之比（Ac/V），从而导致用于充氧和二氧化碳汽提的表面曝气作用降低。这对于剪切敏感型细胞至关重要，因为气体传输速率的重要性以及对混合速度和气体喷射流速的限制。

动态相似性和放大标准

当所有相关力的比率在不同尺度上保持不变时，存在动态相似性，从而导致类似的流场。在放大过程中，必须根据哪些因素对细胞培养性能影响最大来选择标准。由于相互依存性，当一个关键参数保持不变时，其他因素可能会在增加后出现显著变化。在数量上，可能导致在较小规模上没有遇到的问题。关键的相互依赖的变化可以在表3.中看到用于搅拌容器的一些最常见的放大标准。

例如，在放大过程中保持恒定的体积功率输入将转化为最大剪切速率的增加（来自较大的尖端速度）和搅拌速度的降低。反过来，降低搅拌速度将导致混合时间增加，从而可能导致不希望的环境异质性。在放大过程中，恒定的叶轮尖端速度或恒定的雷诺数（即类似的流体力学状态）也意味着混合速度降低。

表3. 几何相似生物反应器

放大参数的相互依赖关系

在剪切敏感细胞的情况下，可以使用恒定的叶轮尖端速度；然而，体积功率的降低必须通过更高的气体流速来补偿，以保持可接受的氧传导速率，这可能导致细胞损伤。此外，保持恒定的叶轮尖端速度所需的较低混合速度将导致较大规模的较差混合。因此，对于产量的巨大差异，叶轮尖端速度可能不是合适的放大标准。

放大过程中恒定的混合时间将导致叶轮尖端速度的增加，这可能导致电池损坏以及功率的极大增加。氧转移，批量混合和适当的CO2汽提通常被认为是生物反应器放大过程中最重要的因素。因此，对于CHO细胞生物反应器培养物的放大，最常选择对气体转移和混合影响最小的标准。

参考文献：

Lucas Lemire, Phuong Lan Pham, Yves Durocher, and Olivier Henry 《Practical Considerations for the Scale-Up of Chinese Hamster Ovary (CHO) Cell Cultures》under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2021 R. Pörtner (ed.), Cell Culture Engineering and Technology, Cell Engineering 10, https://doi.org/10.1007/978-3-030-79871-01_2