大规模哺乳动物细胞培养中pCO2的控制策略

哺乳动物细胞对环境变化高度敏感，大小规模反应器中工艺表现不一致成为放大的主要挑战，其中高二氧化碳分压( pCO₂ ) 问题给大规模反应器中细胞生长、代谢、蛋白产量与质量及糖型等关键质量参数带来严重影响。而相关文献指出pCO₂通常在30 ～ 80 mmHg 较合适。

CO₂是有氧呼吸的产物之一，同时作为底物参与回补反应。哺乳动物细胞培养中，CO₂的来源包括细胞呼吸产生的CO₂、培养基中NaHCO₃的分解和控制pH 值加入的CO₂和NaHCO₃/Na₂CO₃等。动物细胞培养大多使用碳酸-碳酸氢盐( H₂CO₃-HCO₃^－) 缓冲系统，因此CO₂ 存在如图1的平衡反应，K1和 K2 为反应平衡常数( 37 ℃ ) ，kLaCO₂为CO₂体积传质系数，CTR为CO₂传质速率( Carbon dioxide transfer rate) ，还可以用CO₂逸出速率表示( CO₂ stripping rate) ，CER为CO₂转化速率( Carbon dioxide evolution rate) 。

高pCO₂的产生原因

1、工艺本身的非优化控制，如 pH 控制策略不当，培养基选择不合适，过量碱液添加，细胞密度过高等

2、工艺放大过程中，反应器的选择和过程参数的设定导致大规模反应器CO₂去除能力不足

3、放大培养的过程中气体流速降低、混匀时间增加、反应器高径比增大都会影响CO₂的逸出

控制策略

1、设计合理的 pH 控制范围

2、控制培养过程中酸和/或碱的添加量

3、优化培养基配方，在相同 pH 条件下，培养基中 NaHCO₃含量越高，对应的pCO₂越高，理论关系式为: pCO₂= HCO₃－ /( 0.030 7 × 10^{( pH － pk2)} )

4、平衡好工艺表现和工艺稳定性之间的关系，不能只追求小规模反应器中的高细胞密度和高产量，同时也要考虑放大过程 pCO₂等的挑战

5、选用合适的反应器类型( 搅拌桨/挡板、反应器高径比和鼓泡器孔径大小等) ，通气策略( 底部/表层空气流速和 DO 关联等)以及搅拌转速以期达到适宜的CO₂逸出速率

6、在等P/V放大的过程中，在保证基本kLa的前提下可以适当提高通气速率

总结

pCO₂在小规模反应器中通常不作在线控制，在放大后极易出现波动和升高，导致工艺放大的不确定性。细胞培养特别是高密度细胞培养工艺放大中，如何实现氧气供应和CO₂逸出的平衡，挑战依然很大。为了减小放大过程中高pCO₂的风险，在工艺条件的优化方面，合理的pH 控制策略可以避免规模间pCO₂差异。在大规模参数的控制方面，首先在反应器设计和选择时，需要考虑搅拌桨/挡板和安装位置，确保反应器中良好的混合;其次可使用大孔鼓泡器，优化空气/氮气和氧气的流速和比例，以增加CO₂逸出。最后，新型pCO₂预测模型联合在线CO₂传感器的使用，可以实现pCO₂的在线检测和反馈控制。随着模型预测控制( Model predictive control，MPC)的发展，通过预测工艺参数未来的轨迹，再反馈给系统采取行动，以实现工艺与历史工艺表现一致，也将是细胞培养中pCO₂ 控制的发展趋势。