生物反应器中需要监测哪些重要因素？优化生物过程控制的基本参数

有效的生物反应器控制取决于对一组核心参数的监测。至少，您必须跟踪定义细胞环境的关键物理和化学变量：pH、温度、溶解氧 (DO) 和搅拌速度。这些构成了任何成功生物过程的基础，直接影响细胞生长、代谢活动和产品形成。

监测生物反应器不仅仅是收集数据；它是为了为您的细胞培养维持一个精确、动态的平衡。每个参数都相互关联，掌握这种相互作用是最大化产量、确保产品质量以及实现可扩展、可重复结果的关键。

环境控制的支柱

最基本的参数是那些为您的细胞创造稳定和适宜的物理和化学环境的参数。这些参数必须保持在狭窄的最佳范围内。

温度直接控制细胞内所有酶促反应的速率。即使是微小的偏差也会极大地影响代谢速率和蛋白质稳定性。

保持恒定的最佳温度是不可协商的。过高，蛋白质可能会变性，导致细胞死亡。过低，细胞代谢会急剧减慢，降低生产力。

培养基的pH值影响细胞生理学的几乎所有方面，包括酶功能、蛋白质稳定性和营养物质跨细胞膜的运输。

细胞代谢自然会产生酸性（例如乳酸）或碱性（例如氨）副产物，导致pH值漂移。主动控制，通常通过自动添加酸或碱，对于抵消这种漂移并保持稳定性至关重要。

搅拌有两个主要功能：确保培养物均匀，并增强氧气从气泡转移到液体培养基中。

如果没有适当的混合，pH、温度和营养物浓度可能会形成梯度，导致细胞性能不一致。搅拌打破这些梯度，确保所有细胞都处于均匀的环境中。

细胞消耗气体（如氧气）并释放其他气体（如二氧化碳）。管理这种交换至关重要，特别是对于好氧培养物。

对于好氧生物，氧气是关键的底物。溶解氧水平代表了供应给培养物的氧气速率（通过鼓泡）与细胞消耗氧气的速率之间的平衡。

如果溶解氧过低，细胞可能会进入厌氧状态，导致抑制性代谢产物的产生和生长减少。这个参数如此关键，以至于它经常被用于通过反馈回路控制其他变量，例如搅拌速度或气体流量。

鼓泡进入生物反应器的气体速率和组成直接控制氧气的可用性和二氧化碳的去除。这是您操纵溶解氧水平的主要工具。

先进的过程还利用废气分析，测量废气流中的氧气和二氧化碳。这提供了一个强大、非侵入性的窗口，可以实时了解培养物的代谢活动，从而计算氧气摄取率 (OUR) 和二氧化碳释放率 (CER)。

通常会监测和控制顶空压力，以提高氧气等气体的溶解度（根据亨利定律），并通过防止外部污染物进入来维持系统的无菌性。

虽然环境参数告诉您培养物的条件，但生物和代谢参数告诉您培养物的反应。

这是对您拥有多少生物量的直接测量。可以通过光密度 (OD) 进行间接测量以进行快速评估，或通过离线细胞计数直接测量以确定活细胞密度 (VCD) 和活力百分比。

监测关键营养物质（如主要碳源，例如葡萄糖）的浓度至关重要。这确保细胞不会因缺乏食物而受到限制，否则会阻碍生长和生产力。这对于设计和控制补料分批过程尤其重要。

细胞在代谢过程中会产生废物。乳酸和氨等关键代谢产物在高浓度时可能具有毒性，抑制生长甚至导致细胞死亡。监测它们的积累是了解培养物代谢健康的关键。

优化生物过程是一场平衡相互竞争因素的游戏。监测有助于您应对这些必要的妥协。

增加搅拌可以改善氧气传输和混合，但过度搅拌会产生高剪切力。这些机械力会损害甚至裂解敏感细胞，特别是在哺乳动物细胞培养中。目标是找到满足氧气需求的最低搅拌速度。

虽然低溶解氧是一个常见问题，但过高的溶解氧也可能造成损害。高氧浓度会导致活性氧 (ROS) 的形成，引起氧化应激和细胞损伤。理想状态是“最佳点”，即高到足以防止限制，但又不会高到引起毒性。

以非常高的营养浓度开始批次培养可以导致快速的初始生长。然而，对于许多细胞类型，这也会引发“溢流代谢”，即细胞即使在氧气充足的情况下，也会浪费性地将主要营养物质（如葡萄糖）转化为抑制性副产物（如乳酸）。这是开发补料分批策略的主要原因。

您优先考虑的具体参数将取决于您的目标。

如果您的主要重点是过程开发和表征：监测一套全面的参数，包括废气分析和关键代谢产物，以深入了解您的过程。
如果您的主要重点是常规生产 (GMP)：优先考虑经过验证的关键过程参数 (CPP)，如pH、溶解氧、温度和进料速率，并配备强大的控制、报警和数据记录系统。
如果您的主要重点是快速筛选或培养基优化：关注关键性能指标，如最终细胞密度 (OD) 和产品滴度，采用更简单的监测策略以实现更快的通量。

最终，战略性监测将您的生物反应器从一个黑箱转变为一个可预测和可控的生产系统。