大規模哺乳動物細胞培養中pCO2的控制策略

來源：廣州市艾貝泰生物科技有限公司 2024年10月15日 15:01

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

　　CO2是有氧呼吸的產物之一，同時作為底物參與回補反應。哺乳動物細胞培養中，CO2的來源包括細胞呼吸產生的CO2、培養基中NaHCO3的分解和控制pH 值加入的CO2和 NaHCO3/Na2CO3等。動物細胞培養大多使用碳酸-碳酸氫鹽( H2CO3-HCO3-) 緩沖系統，因此CO2 存在如圖1的平衡反應，K1和 K2 為反應平衡常數( 37 ℃ ) ，kLaCO2為CO2體積傳質系數，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) 。

　　高pCO2的產生原因

　　1、工藝本身的非最優化控制，如 pH 控制策略不當，培養基選擇不合適，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的設定導致大規模反應器CO2去除能力不足

　　3、放大培養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、控制培養過程中酸和/或堿的添加量

　　3、優化培養基配方，在相同 pH 條件下，培養基中 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、平衡好工藝表現和工藝穩定性之間的關系，不能只追求小規模反應器中的高細胞密度和高產量，同時也要考慮放大過程 pCO2等的挑戰

　　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在小規模反應器中通常不作在線控制，在放大后極易出現波動和升高，導致工藝放大的不確定性。細胞培養特別是高密度細胞培養工藝放大中，如何實現氧氣供應和CO2逸出的平衡，挑戰依然很大。為了減小放大過程中高pCO2的風險，在工藝條件的優化方面，合理的pH 控制策略可以避免規模間pCO2差異。在大規模參數的控制方面，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，優化空氣/氮氣和氧氣的流速和比例，以增加CO2逸出。最后，新型pCO2 預測模型聯合在線CO2 傳感器的使用，可以實現pCO2的在線檢測和反饋控制。隨著模型預測控制( Model predictive control，MPC)的發展，通過預測工藝參數未來的軌跡，再反饋給系統采取行動，以實現工藝與歷史工藝表現一致，也將是細胞培養中pCO2 控制的發展趨勢。

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