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廣州市艾貝泰生物科技有限公司

大規(guī)模哺乳動物細胞培養(yǎng)中pCO2的控制策略

時間:2024-10-15 閱讀:291
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哺乳動物細胞對環(huán)境變化高度敏感,大小規(guī)模反應器中工藝表現(xiàn)不一致成為放大的主要挑戰(zhàn),其中高二氧化碳分壓( pCO) 問題給大規(guī)模反應器中細胞生長、代謝、蛋白產(chǎn)量與質量及糖型等關鍵質量參數(shù)帶來嚴重影響。而相關文獻指出pCO2通常在30 ~ 80 mmHg 較合適。


CO2是有氧呼吸的產(chǎn)物之一,同時作為底物參與回補反應。哺乳動物細胞培養(yǎng)中,CO2的來源包括細胞呼吸產(chǎn)生的CO2、培養(yǎng)基中NaHCO3的分解和控制pH 值加入的CO2和 NaHCO3/Na2CO3等。動物細胞培養(yǎng)大多使用碳酸-碳酸氫鹽( H2CO3-HCO3) 緩沖系統(tǒng),因此CO2 存在如圖1的平衡反應,K1和 K2 為反應平衡常數(shù)( 37 ℃ ) ,kLaCO2為CO2體積傳質系數(shù),CTR為CO2傳質速率( Carbon dioxide transfer rate) ,還可以用CO2逸出速率表示( CO2 stripping rate) ,CER為CO2轉化速率( Carbon dioxide evolution rate) 。

圖片



高pCO2的產(chǎn)生原因

1、工藝本身的非優(yōu)化控制,如 pH 控制策略不當,培養(yǎng)基選擇不合適,過量堿液添加,細胞密度過高等

2、工藝放大過程中,反應器的選擇和過程參數(shù)的設定導致大規(guī)模反應器CO2去除能力不足

3、放大培養(yǎng)的過程中氣體流速降低、混勻時間增加、反應器高徑比增大都會影響CO2的逸出

控制策略

1、設計合理的 pH 控制范圍

2、控制培養(yǎng)過程中酸和/或堿的添加量

3、優(yōu)化培養(yǎng)基配方,在相同 pH 條件下,培養(yǎng)基中 NaHCO3含量越高,對應的pCO2越高,理論關系式為: pCO2= HCO3- /( 0.030 7 × 10( pH - pk2) )

4、平衡好工藝表現(xiàn)和工藝穩(wěn)定性之間的關系,不能只追求小規(guī)模反應器中的高細胞密度和高產(chǎn)量,同時也要考慮放大過程 pCO2等的挑戰(zhàn)

5、選用合適的反應器類型( 攪拌槳/擋板、反應器高徑比和鼓泡器孔徑大小等) ,通氣策略( 底部/表層空氣流速和 DO 關聯(lián)等)以及攪拌轉速以期達到適宜的CO2逸出速率

6、在等P/V放大的過程中,在保證基本kLa的前提下可以適當提高通氣速率


總結


pCO2在小規(guī)模反應器中通常不作在線控制,在放大后極易出現(xiàn)波動和升高,導致工藝放大的不確定性。細胞培養(yǎng)特別是高密度細胞培養(yǎng)工藝放大中,如何實現(xiàn)氧氣供應和CO2逸出的平衡,挑戰(zhàn)依然很大。為了減小放大過程中高pCO2的風險,在工藝條件的優(yōu)化方面,合理的pH 控制策略可以避免規(guī)模間pCO2差異。在大規(guī)模參數(shù)的控制方面,首先在反應器設計和選擇時,需要考慮攪拌槳/擋板和安裝位置,確保反應器中良好的混合;其次可使用大孔鼓泡器,優(yōu)化空氣/氮氣和氧氣的流速和比例,以增加CO2逸出。最后,新型pCO預測模型聯(lián)合在線CO傳感器的使用,可以實現(xiàn)pCO2的在線檢測和反饋控制。隨著模型預測控制( Model predictive control,MPC)的發(fā)展,通過預測工藝參數(shù)未來的軌跡,再反饋給系統(tǒng)采取行動,以實現(xiàn)工藝與歷史工藝表現(xiàn)一致,也將是細胞培養(yǎng)中pCO控制的發(fā)展趨勢

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