生物反应器在生物加工中至关重要，其设计目的是为细胞生长、产品形成和代谢活动维持最佳条件。这些条件包括对温度、pH 值、溶解氧 (DO)、搅拌和营养供应的精确控制。哺乳动物细胞的温度通常保持在 37°C，pH 值保持在 7.0-7.4 左右。溶解氧水平经过仔细调节，以确保细胞获得足够的氧气进行呼吸，通常保持在空气饱和度的 20%-50%。搅拌可确保适当的混合和氧气输送，同时对营养供应进行持续监测和调整，以维持细胞生长和生产率。这些参数对于获得高产量和稳定的产品质量至关重要。
要点说明：
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温度控制
- 最佳范围:生物反应器通常将哺乳动物细胞的温度保持在 36°C 至 37°C 之间，因为这是模拟生理条件。
- 影响:温度影响酶的活性、细胞生长速度和蛋白质折叠。偏差会导致生产率降低或细胞死亡。
- 控制机制:生物反应器使用加热和冷却系统（如水套或外部热交换器）来保持稳定的温度。
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pH 值调节
- 最佳范围 pH：大多数哺乳动物细胞培养物的 pH 值保持在 7.0 到 7.4 之间。
- 影响 pH 值：pH 值影响酶的活性、营养吸收和细胞活力。偏差会破坏新陈代谢过程。
- 控制机制 pH 值： 通过添加酸（如 CO₂）或碱（如 NaOH）来调节 pH 值，并使用 pH 值探针进行监测。
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溶解氧 (DO) 管理
- 最佳范围:溶解氧水平通常保持在空气饱和度的 20-50%。
- 影响:氧气对有氧呼吸和能量产生至关重要。氧气不足会导致缺氧，而氧气过量则会引起氧化应激。
- 控制机制:溶解氧是通过向生物反应器中喷入空气或氧气以及调整搅拌速率来调节的，以加强氧气的输送。
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搅拌和混合
- 目的:确保营养物质、气体和细胞的均匀分布，同时防止沉淀。
- 影响:适当的混合可加强氧气传输，防止可能对细胞造成压力的梯度。
- 控制机制:搅拌是通过叶轮或磁力搅拌器实现的，搅拌速度经过优化，以避免对细胞产生剪切应力。
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营养供应和废物清除
- 目的:提供必需营养物质（如葡萄糖、氨基酸），清除代谢废物（如乳酸盐、氨）。
- 影响:营养耗竭或废物积累会抑制细胞生长和生产力。
- 控制机制:营养物质通过进料系统提供，而废物则通过灌注或透析去除。
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监控和自动化
- 目的:确保实时控制和调整生物反应器条件。
- 影响:自动化可减少人为错误，确保条件一致，从而实现可重复的结果。
- 控制机制:传感器（如 pH 值、溶解氧、温度）和控制系统（如 PID 控制器）集成到生物反应器的设计中。
通过维持这些条件，生物反应器可创造一个支持最佳细胞生长、产品形成和整体工艺效率的环境。这确保了生物制药生产的高产量和稳定的产品质量。
汇总表：
| 参数 | 最佳范围 | 影响 | 控制机制 |
|---|---|---|---|
| 温度 | 36°C - 37°C | 影响酶活性、细胞生长和蛋白质折叠。 | 加热/冷却系统（如水套、外部热交换器）。 |
| pH 值 | 7.0 - 7.4 | 影响酶活性、营养吸收和细胞活力。 | 加入酸（如 CO₂）或碱（如 NaOH）；用 pH 探针监测。 |
| 溶解氧 | 20-50% 空气饱和度 | 对有氧呼吸至关重要；防止缺氧或氧化应激。 | 喷入空气/氧气；调整搅拌速率。 |
| 搅拌 | 可变性 | 确保均匀混合和氧气输送；防止沉淀。 | 叶轮或磁力搅拌器；优化速度以避免剪切应力。 |
| 营养供应 | 持续 | 维持细胞生长；防止营养耗竭。 | 养分供给系统；清除废物的灌注/透析。 |
| 监测 | 实时 | 确保一致的条件和可重复的结果。 | 传感器（pH 值、溶解氧、温度）和控制系统（如 PID 控制器）。 |
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