生物反應(yīng)器是生物技術(shù)領(lǐng)域中用于細(xì)胞培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和生物制藥等過程的關(guān)鍵設(shè)備。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，將實驗室規(guī)模的生物反應(yīng)器放大到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，是生物制品商業(yè)化進程中的重要一步。這里介紹幾種常見的生物反應(yīng)器規(guī)模放大策略，帶您了解這一過程中的挑戰(zhàn)與解決方案。
一、什么是生物反應(yīng)器規(guī)模放大？
生物反應(yīng)器規(guī)模放大，是指在保持生物過程穩(wěn)定性和產(chǎn)物質(zhì)量的前提下，將實驗室小規(guī)模生物反應(yīng)器的操作參數(shù)和設(shè)計放大到中試規(guī)模、甚至工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的過程。這一過程涉及到反應(yīng)器的設(shè)計、操作條件的優(yōu)化、過程控制策略的調(diào)整等多個方面。
二、生物反應(yīng)器規(guī)模放大的挑戰(zhàn)
1. 混合效率：隨著反應(yīng)器體積的增大，混合效率成為一大挑戰(zhàn)，直接影響細(xì)胞的生長和代謝。
2. 傳質(zhì)和傳熱：大規(guī)模反應(yīng)器中，傳質(zhì)和傳熱問題更加突出，影響反應(yīng)器的性能。
3. 氧氣傳遞：大規(guī)模反應(yīng)器中，氧氣的傳遞效率降低，可能導(dǎo)致細(xì)胞缺氧。
4. 過程控制：隨著規(guī)模的增大，過程控制變得更加復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的要求更高。
三、生物反應(yīng)器規(guī)模放大策略
1. 尺度放大策略
（1）幾何相似放大：保持反應(yīng)器的形狀和尺寸比例不變，直接按比例放大。這種方法適用于簡單幾何形狀的反應(yīng)器，但可能導(dǎo)致混合效率下降。
（2）體積放大：通過增加反應(yīng)器體積來實現(xiàn)規(guī)模放大，同時調(diào)整反應(yīng)器的設(shè)計，以保持混合效率。
2. 參數(shù)優(yōu)化策略
（1）操作參數(shù)優(yōu)化：包括攪拌速度、通氣量、溫度、pH值等，這些參數(shù)需要根據(jù)放大后的反應(yīng)器特性進行調(diào)整。
（2）培養(yǎng)基優(yōu)化：隨著規(guī)模的增大，培養(yǎng)基的成分和濃度可能需要調(diào)整，以適應(yīng)大規(guī)模培養(yǎng)的需求。
3. 過程控制策略
（1）過程模擬：利用計算機模擬技術(shù)，對生物反應(yīng)過程進行模擬，預(yù)測放大后的反應(yīng)器性能。
（2）先進控制技術(shù)：采用PID控制、模糊控制、模型預(yù)測控制等先進控制技術(shù)，提高過程控制的精度和穩(wěn)定性。
4. 反應(yīng)器設(shè)計改進策略
（1）多級攪拌：通過設(shè)置多級攪拌系統(tǒng)，提高混合效率，適用于大規(guī)模反應(yīng)器。
（2）內(nèi)置氣體分布器：優(yōu)化氣體分布器的設(shè)計，提高氧氣的傳遞效率。
（3）流態(tài)化床反應(yīng)器：采用流態(tài)化床技術(shù)，提高傳質(zhì)和傳熱效率。
四、案例分析
以哺乳動物細(xì)胞CHO細(xì)胞培養(yǎng)為例，從小試到工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模放大過程中，可以采用以下策略：
1. 在小試階段，使用搖瓶或小規(guī)模攪拌式反應(yīng)器進行細(xì)胞培養(yǎng)。
2. 進入中試階段，采用規(guī)模較大的攪拌式反應(yīng)器，同時對操作參數(shù)進行優(yōu)化。
3. 在工業(yè)化生產(chǎn)階段，采用大型攪拌式反應(yīng)器或流態(tài)化床反應(yīng)器，結(jié)合自動控制技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)模放大。
生物反應(yīng)器規(guī)模放大是生物技術(shù)領(lǐng)域的一項重要技術(shù)挑戰(zhàn)。通過采用合適的放大策略，我們可以在保持生物過程穩(wěn)定性和產(chǎn)物質(zhì)量的同時，實現(xiàn)從小試到工業(yè)化生產(chǎn)的跨越。隨著生物技術(shù)的不斷進步，生物反應(yīng)器規(guī)模放大策略將不斷完善，為生物制品的商業(yè)化生產(chǎn)提供有力支持。在這個過程中，生物工程師們將繼續(xù)探索更加高效、穩(wěn)定的放大方法，推動生物制藥行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
細(xì)胞規(guī)模化擴大生產(chǎn)工藝中,DO值是指反應(yīng)器內(nèi)的溶氧參數(shù)。溶氧值在微生物發(fā)酵罐和細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)酵罐中都顯得尤為重要。楚怡 BioCore-SUB 一次性生物反應(yīng)器動物細(xì)胞培養(yǎng)不銹鋼罐 采用梅特勒/漢密爾頓系列溶氧值檢測探頭并與氧氣、氮氣、CO2、空氣等四氣體轉(zhuǎn)速級控制系統(tǒng)結(jié)合PID進行關(guān)聯(lián)補償?？梢詼?zhǔn)確控制溶氧值，精度達±1%。
PH傳感器對細(xì)胞培養(yǎng)來說很重要，楚怡生物反應(yīng)器的所使用的PH傳感器為進口梅特勒系列的數(shù)字智能傳感器，它不僅具有耐高溫殺菌、適應(yīng)CIP清洗、耐腐蝕等特點，此類數(shù)字傳感器還采用數(shù)字的方式將測量信號輸送至變送器，從而能夠使捕捉到的信息及時、準(zhǔn)確地反饋給處理系統(tǒng)。通過配合PID控制系統(tǒng)可以使罐內(nèi)的PH值精度控制在±0.01；
介于國外 生物反應(yīng)器采購成本高昂，售后服務(wù)不便，型號固定、貨期長等因素，我國自主研發(fā)設(shè)備生產(chǎn)的發(fā)酵罐目前已廣泛應(yīng)用于菌種篩選、菌種生產(chǎn)、種子制備等環(huán)節(jié)，一些國內(nèi)發(fā)酵罐專業(yè)生產(chǎn)商甚至可根據(jù)客戶要求的尺寸進行定制化操作 ,比如楚怡除生產(chǎn)固定型號規(guī)格外，還可以根據(jù)客戶要求定制不同級別、規(guī)格的生物反應(yīng)器 主要用于微生物培養(yǎng)、種子制備、浮細(xì)胞培養(yǎng)、貼壁細(xì)胞培養(yǎng)、微載體培養(yǎng)等，實現(xiàn)了廠商直供，一罐多用，滿足不同的用戶需求。蘇州阿爾法生物還同時提供免費的安裝服務(wù)、免費技術(shù)支持、免費操作指導(dǎo)等服務(wù)。
