通常，對于像新冠疫苗這類需求量較大的藥物，會使用工作體積為100 – 2000 L甚至更大的生物反應器來滿足生產(chǎn)。而對于前期的實驗室研發(fā)、工藝開發(fā)和早期臨床試驗，通常只會使用規(guī)模較小的反應器（多為微小型臺式反應器）。將生物反應器從研發(fā)和早期臨床試驗中使用的小體積（1-20 L）擴大到商業(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)或細胞生物學特性是關鍵。
 

進行哺乳動物細胞放大培養(yǎng)時，需要考慮物料混合時間，氧轉移系數(shù)和二氧化碳去除速率等關鍵因素。在《Scale-Up Analysis for a CHO Cell Culture Process in Large-Scale Bioreactors》研究中，科學家對CHO細胞在大型生物反應器（5000L）的放大培養(yǎng)進行了分析。
 

首先，在一臺5000 L生物反應器中進行了混合實驗（無細胞）。相同配置下，5000 L反應器與臺式5 L和20 L反應器相比，5000 L生物反應器具有更低的氧轉移系數(shù)、更長的混合時間和更低的二氧化碳去除率。

生物反應器中預測（黑條）和實際測得（白條）氧轉移系數(shù)的比

生物反應器中混合時間的預測（線）和測量（符號）值

同時氧轉移閾值分析表明，5000 L反應器的配置最大只能支持每毫升7 x 10（6）個細胞的活細胞密度。

生物反應器溶解氧比較

為了解決上述影響，采用經(jīng)驗方程預測5000 L生物反應器不同參數(shù)下的混合時間、氧轉移系數(shù)和二氧化碳去除率。結果表明，在改善氧氣轉移系數(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、功率變化關系
（功率：5.2 W/m³ - 叉、24 W/m³ - 菱形、100 W/m³ - 三角形）

 

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

 

參考文獻：

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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