有关细胞培养过程转移的一切

哺乳动物细胞培养生物过程在生物制药工业中越来越重要。由于对产品质量的高要求,恒温振荡器作为生产单位可能会在某一点后成为限制因素。此外,由于无法在振动筛中进行实时监视和控制,因此zui终的过程转移和按比例放大是必不可少的措施。

典型的工艺周期

通常通过解冻细胞,在温育的振荡器中将细胞培养至一定数量的细胞密度,然后将其转移到生物反应器中来生产特定的产品。为了增加产品量,生物工艺zui终被按比例扩大到不同的单位尺寸。但是,这样的一系列步骤说起来容易做起来难。一个成功的过程转移需要考虑许多不同的因素,包括生物学和物理参数。因此,这篇文章旨在阐明这些内容。

使用实时监控了解您的生物过程

细胞培养培养单位的选择始终取决于应用。摇瓶机易于处理,一次性使用,可快速进行生物工艺准备。摇瓶机通常用于筛选目的或了解其初始阶段的过程。另一方面,对于过程的详细了解,通过实时监视和控制深入了解生物过程至关重要。摇床仅在有限的范围内允许此操作,其中与该过程相关的信息仍是未知的黑匣子。这是因为分析样品并获取相应的数据可能需要长达数小时甚至数天的时间。

不仅需要严格的实时控制来识别关键过程参数(CPP),这些参数对于控制细胞生物学非常重要,而且还必须满足有关质量,功效和成本效益的监管标准。为了满足这些监视要求,拥有一个自动化的生物反应器系统至关重要,该系统通过使用完全执行这些功能的软件来确定实时控制,监视,数据记录和管理的优先级。

注意流程转移的关键因素

摇瓶机到生物反应器的工艺转移和按比例放大的步骤并不总是那么容易和顺畅。从曝气到培养方法本身,细胞的环境完全改变。从曝气到混合方法本身,细胞的环境完全  改变。细胞不再摇动而是被搅拌的事实导致生物反应器内混合的改变。哺乳动物敏感细胞的这种巨大变化导致剪切应力和泡沫问题,但如今由于添加消泡剂和细胞表面活性剂,这些问题得到了很好的控制。  

除了上面提到的观察结果外,几乎没有其他需要考虑的关键工程参数:

1.氧气转移:

由于哺乳动物细胞的培养过程是有氧的,因此氧转移到细胞中是非常关键的因素。为了确保有足够的氧气供应,需要控制搅拌速度,气体流速和气体成分。由于哺乳动物细胞没有细胞壁,因此可能需要保持低功率输入,从而导致培养物中的不均匀性。

2.培养基混合:

另一个重要的影响参数是需要考虑的细胞培养液中的混合。因此,混合不充分会导致pH和营养梯度下降,这已被证明会显着影响细胞生长和抗体生成。

3. CO2累积:

由于低功率输入和曝气速率,培养基中的CO2浓度升高,这对产品质量以及细胞生长和蛋白质生产产生负面影响。

选择合适的叶轮设计

在每个生物过程中都存在一些挑战,但是有可能克服这些挑战。幸运的是,在上述所有关键因素(叶轮设计)的背后都有一个共同的分母。它通过分散气泡来减轻负面影响,从而导致更好的氧气转移和CO2去除,进而导致更均匀的培养。但是,与此同时,叶轮在细胞的剪切应力中起着很大的作用,使操作员陷入了真正的困境。

需要注意的一个关键方面是在叶轮附近产生的涡流的大小。涡流的大小越接近细胞的大小,就越有可能观察到细胞的损伤。因此,优化的生物反应器设计包括一个叶轮,该叶轮可在较大的功率输入下运行,同时保持足够大的涡流尺寸,从而有效地实现了更好的气体传输,混合和CO2去除,而不会损坏电池并扩大生物反应器的运行范围。

假定每个现代细胞培养生物反应器都应提供多质量流量控制器充气系统,以实现精确的流量控制和气体混合,或者可以利用CO2代替液态酸的pH控制回路。但是,这些功能的讨论不在本文的讨论范围之内。

从zui佳实践中学习

尽管科学界已经进行了很长时间的过程转移,但缺乏同样的专业知识却令人震惊。因此,众所周知的现象通常仍未得到业界的充分利用或充分利用。因此,对于那些已经采用了该技术的人来说,有时会感到困惑,对于那些想将过程从摇瓶机转移到生物反应器中的新手来说,这尤其具有挑战性。尽管您目前对流程转移的了解程度很简单,但是如果您需要指导或有兴趣了解其他人如何成功地进行此流程,请查看具有代表性的生物流程转移的说明性应用:“使用Minifors进行CHO栽培的流程转移以苏黎世应用科技大学为例。

扩大配方

即使到了今天,由于生物过程仍未得到适当的监控和详细了解,因此扩大规模还是一个不稳定的过程。与过程相关的两个非常重要的参数是搅拌和通气。一方面,设置搅拌以实现均匀混合并将氧气转移到细胞中。另一方面,调节曝气以为细胞提供足够的氧气,并消除过量的CO2。特别是在大型生物反应器中,过量的CO2注意力集中会带来严重的问题。因此,重要的是要考虑曝气和搅拌速率,叶轮和喷射器的位置,这会影响气泡的大小。以下详细讨论了成功执行放大过程所需的具体工程参数。

1. k L a –体积传质系数

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k L a系数表示气体从气相转移到液相的效率。这取决于生物反应器的设计和操作条件。而且,它还受到叶轮设计,曝气和搅拌速率的影响。k L a值越高,培养系统的通气性能越好。存在几种用相应的溶解氧探针确定该系数的方法。一些zui突出的方法如下。

a)动态除气技术

在初始步骤中,生物反应器系统处于静止状态,这会因突然停止氧气供应而中断。这会导致细胞消耗的溶解氧浓度降低。氧气消耗完后,再次打开电源,气体恢复到原来的状态。

b)静态除气技术

在该技术中,在添加氮气之后将氧气从液体中排出。之后,将液体搅拌并再次充气,并监测溶解氧的增加。

c)亚硫酸盐法

该方法基于亚硫酸钠与氧气的反应,其中亚硫酸盐借助金属离子被氧化为硫酸钠。然后确定氧气的消耗量。

为了确定  k L a  系数(h -1 ),除了氧气传输速率OTR(mg O 2 * L-1 * h-1)外,平衡氧气浓度c O 2 *(mg / L)  并且需要知道 溶解氧浓度c O 2(mg / L)。  

2.电源输入

该工程参数与流体动力应力相关,流体动力应力影响细胞的生长及其生产力,特别是对剪切敏感性较高的生物的生产力。确定功率输入的zui突出技术是基于扭矩的测量。此方法非常易于应用,因此是zui常用的方法。通过使用扭矩传感器,在搅拌器轴上测量扭矩,然后可以确定功率输入。必须指出,提供无振动的环境测量非常重要。Ť 他  下面示出了式如何  输入功率,P(W) 可以通过确定的旋转搅拌器速度来计算,N(分钟-1)和液体中的扭矩(N * m),以及空容器中的扭矩(N * m)。