摘要

能够无缝切换不同规模的生物反应器，有助于保证产品质量并降低规模缩放的风险。生物反应器规模缩放其实就是将一种生物反应器设置变成另一种生物反应器设置。通常该过程所涉及的科学问题非常复杂，不同团队之间的沟通是一项挑战。

本文将概括介绍生物反应器的规模缩放理论。然后，我们将介绍工作流程和策略，并讨论成功进行规模缩放所需的数据。最后，我们将介绍 Cytiva 开发的缩放工具，并介绍几个使用该工具的案例研究。

生物反应器规模缩放理论

所有生物工艺的基本出发点都是首先进行小规模的工艺开发，然后再放大至中试和生产规模。该工艺放大过程具有一定难度，通常涉及科学层面且存在时限性，需要使用不同工作体积的不同生物反应器，也有可能要使用不同的喷射器和搅拌配置。必须调整各种规模的运行参数。

另一方面，开发小规模工艺非常重要，可以模拟在中试或生产规模的生物反应器中的传质过程。换言之，建立良好的放大和缩小模型同样重要（图 1）。

图 1. 工艺放大和缩小模型示意图。

如何对生物反应器进行工艺放大？

使用不同的生物反应器和在不同规模下运行工艺时，我们的目标是使细胞环境在不同工艺规模下保持稳定，从而使细胞生长、代谢、生产率和产品质量不相上下。细胞环境通过不同的工艺参数进行控制。在这些参数中，有的完全不可以进行缩放调整，有的易于根据体积进行缩放调整，例如温度、顶空压力和营养添加。最难放大或缩小的工艺是对溶解氧 (DO) 的控制，要实现这一工艺的缩放，需调整多项参数（例如搅拌、喷射器类型以及空气和氧气的流速）。DO 的控制效果也会影响 CO₂ 的吹脱能力，进而影响 pH 值控制。工艺参数和细胞环境之间的关系如图 2 所示。

图 2. 影响细胞环境的各种工艺参数示意图。

DO 控制涉及哪些关键参数？

DO 控制与五个参数有关：搅拌、喷射器类型和尺寸、空气流速、氧气流速和 CO₂ 吹脱量。这些参数决定了工艺运行的设计空间。图 3 是针对 DO 控制的设计空间示意图。该图同时描绘了设计空间的一些边界，以及超出空间范围的后果。

图 3. 针对 DO 控制的设计空间示意图。左图以蛛网图的形式表示设计空间，运行参数以直线表示。右图所示为二维空间的投影，同时注明了超出设计空间的后果。蓝色五角星代表运行参数。

生物反应器规模缩放有哪些典型步骤？

在放大或缩小生物反应器时，科学家或工程师必须能够理解和评估设计空间，以找到最佳运行参数。在图 3 中，蓝色五角星代表这些参数。我们的 Cytiva 团队建议在工作流程的第一步设置搅拌方案（图 4）。可以通过多种标准对搅拌工艺进行缩放（例如，保持恒定的叶端速度、功率密度、混合时间或剪切方案。）

功率密度 (P/V) 是一个广泛使用的缩放参数，是数字化 Cytiva Bioreactor Scaler 工具的默认参数。P/V 描述搅拌器传递给液体的能量，该参数可以较好地表示混合情况、气体扩散、气体滞留和传质情况。然而，基于功率密度的缩放并不考虑罐体的几何形状、液体运动和流体/气体流动模式。

图 4. 确定搅拌和通气方案设置的建议工作流程。

第二步确定通气方案的参数（图 4）。许多参数（如喷射器配置、气体流速和氧气含量）都可以调整，以达到相同的氧传质速率 (OTR)。换言之，工艺缩放是一个多维空间，需要设置边界条件，以找出合适的参数集。

通气方案的第一个边界条件非常明显：必须向培养物提供与实际耗氧量相当的氧气。也就是说，必须达到某个特定的 OTR。第二个边界条件与吹脱二氧化碳有关，在大多数细胞培养工艺中，该条件是一个关键参数。Cytiva 在已有文献的基础上研究了二氧化碳传质系数 (k_La_CO2) 的驱动因素 (1)。这些研究发现，k_La_CO2 的最重要驱动因素是气体的总体积流速。从另一方面来说，搅拌转速对于吹脱 CO₂ 的影响并不显著（图 5）。

图 5. 在 Roche 12000 L 反应器中测定的二氧化碳表观 k_La。数据改编自 (1)。

因此，Cytiva 的缩放策略基于两个边界条件：保持所需的 OTR 和气体体积流速 (VVM)，以保证达到所需的 CO₂ 吹脱效果。然而，我们所面临的挑战是如何从现有的喷射器（包括微型和大型喷射器）配置中找出合适的设置。微型喷射器以较低的气体体积流速达到较高的 OTR；大型喷射器以较高的气体体积流速达到较低的 k_La。对于采用两个喷射器的配置，每个喷射器的 OTR 和 VVM 必须分别相加，得到 OTR 和 VVM 的总目标值。图 6 所示为如何将孔隙度不同的两个喷射器进行组合，以实现氧传质和吹脱 CO₂ 的目标。

图 6. 如何将孔隙度和特征不同的两个喷射器进行组合，以实现氧传质和 CO₂ 吹脱的目标。

预测每个喷射器喷射出的气体速率并不是一件简单的事情。我们需要分析大量的气体流速和搅拌数据，并对喷射器的 k_La 进行充分的表征。关于 Xcellerex™ XDR 生物反应器的 k_La 表征参数以及混合、热传导和输入功率表征参数见 (2–7)。

数字生物反应器规模缩放工具

为帮助确保生物反应器成功地放大或缩小，我们开发了一款网页版工具：Cytiva Bioreactor Scaler。该工具采用了图 4 中描述的总体工作流程、图 6 中描述的策略、以及 XDR 生物反应器的物理表征数据。

该工具为方便 Cytiva 客户的使用而开发。可执行从参考规模工艺的某个时间点至目标规模工艺的同一时间点的规模缩放。您可以提供细胞系信息，用于设置叶尖速度限值和可达到的细胞密度峰值。

如图 7 所示，该工具只包含两个选项卡。在第一个选项卡中，您可以输入参考规模（即当前规模）和目标规模的生物反应器配置（例如体积、搅拌和气体流速）。该工具可以对 Cytiva 的 Xcellerex™ XDR 生物反应器及其他公司的部分实验室常用生物反应器（例如 Sartorius™、ambr™ 或 Applikon™ 2L 高压灭菌玻璃生物反应器）进行缩放。第二个选项卡针对您进行工艺缩放的目标规模生物反应器生成标准计算结果。您还可以更改搅拌参数以及微型喷射器总气体流速的建议设置，并模拟对生物反应器中的气体状态和物理环境的影响。您可以将所有结果保存在报告中。

图 7. Cytiva Bioreactor Scaler 工具示意图。左侧面板显示输入屏幕，您可以在其中输入参考和目标规模生物反应器的相关运行参数。左侧面板显示结果选项卡，其中包含对目标规模生物反应器的建议运行参数。该工具还显示其他计算参数，可以帮助您更好地了解生物反应器中的物理环境。

Cytiva Bioreactor Scaler v1.1 的案例研究

案例研究 1：从 XDR-50 生物反应器放大至 XDR-200 生物反应器

在该案例中，在 XDR-50 中运行的工艺参数设置如表 1 所示。slpm 指每分钟的标准升数。

表 1. XDR-50 的工艺参数设置

当工艺规模放大到 XDR-200 时，通过该工具计算运行参数。计算结果摘录如表 2 所示。

表 2. XDR-200 运行工艺参数的建议设置

所示结果为该案例设计空间内的参数，可用于提高对工艺的理解。结果显示，在整个过程中搅拌参数恒定，但在运行进程中，功率密度下降，且混合时间增加。此外，根据用户定义的细胞特定耗氧率，这些参数还可以提供总 k_La 和 OTR 在两个喷射器之间的分配情况，以及可支持的细胞密度。该结果还可作为实用指南，用于对拟定的气体流速与实际的质量流量计 (MFC) 配置进行比较，并设定大型喷射器的气体吹脱量。

案例研究 2：利用模拟功能探索设计空间

该缩放工具可用于探索设计空间内的其他设定值，并模拟设对物理环境的影响。在本案例研究中，我们希望探索是否可以按 57 W/m3 的恒定功率密度以及 1 slpm 的微型喷射器气体流速上限来运行案例研究 1 中提供的工艺。结果如表 3 所示。

表 3. XDR-200 工艺运行的模拟设置，XDR-200 的功率密度保持在 57 W/m3，并且微型喷射器的气体流速上限为 1 slpm

结果显示了如何通过提高工艺搅拌速度使恒定功率密度保持在 57 W/m³。结果还表明，相对于在整个工艺中维持恒定的搅拌速度，这种方法缩短了混合时间。虽然流经微型喷射器的气体流速被限定为 1 slpm，但可以满足对 OTR 和 vvm 的要求。然而，流经大型喷射器的空气流速预计将达到 5 slpm，该数值是部分生物反应器配置的最大值。

案例研究 3：使用缩放工具比较生物反应器的配置

该缩放工具的另一个用途是计算给定生物反应器配置的物理参数，并比较不同的配置。在本案例研究中，我们在 XDR-50 生物反应器中以灌流模式运行灌流工艺，旨在最大限度地提高 OTR。流经微型喷射器的最大氧气流速为 5 slpm，流经大型喷射器的最大空气流速为 5 slpm。问题在于使用 0.5 mm 还是 1 mm 喷射器进行 CO₂ 吹脱。同时，我们希望研究大型喷射器对总 OTR 的影响。

我们使用该缩放工具研究了生物反应器的功率密度、工作体积和大型喷射器的孔径对总 OTR 的影响，从而得出了可达到的细胞密度峰值。

图 8. 功率密度、工作体积和大型喷射器的孔径对总 OTR 的影响。

搅拌参数是实现较高 OTR 的最重要的影响因素。计算结果表明，在恒定功率密度下，减少工作体积并未增加 OTR。在 CO₂ 吹脱过程中，使用 0.5 mm 而非 1 mm 的喷射器，预计可将 OTR 数值提高约 7%。为使 OTR 超过 50 mmol/L/h，应采用大于 110 W/m³ 的功率密度。对于 Cytiva 开发的细胞系，根据细胞特定耗氧率，预计 50 mmol/L/h 的 OTR 可维持 170 × 10⁶ 个细胞/mL 的细胞密度。根据其他研究报告，运行灌注工艺时，测得细胞密度峰值为 179 × 10⁶ 个细胞/mL (8)。

结论

在每个产品开发项目中，对生物反应器中的物理环境参数进行缩放调整是一项常见任务。经过精心设计的缩放策略、工作流程和易于使用的工具将为工艺缩放操作带来便利。在本文中，我们介绍了生物反应器缩放理论，并提出了缩放搅拌和通气方案的工作流程。同时，我们重点讨论了两个重要的边界条件：在工艺缩放过程中同时保持 OTR 和气体体积流速。此外，我们还介绍了一款简便的网页版工艺缩放工具，该工具可以简化缩放、针对搅拌和通气参数探讨设计空间，并能对生物反应器中表征物理环境的关键参数进行计算。

参考文献

1. Sieblist C, Jenzsch M, and Pohlscheidt M. Equipment characterization to mitigate risks during transfers of cell culture manufacturing processes. Cytotechnology 68:1381–1401 (2016). DOI 10.1007/s10616-015-9899-0.
2. Engineering characterization of the single-use Xcellerex™ XDR-10 stirred-tank bioreactor system, Cytiva.
3. Engineering characterization of the single-use Xcellerex™ XDR-50 stirred-tank bioreactor system, Cytiva.
4. Engineering characterization of the single-use Xcellerex™ XDR-200 stirred-tank bioreactor system, Cytiva.
5. Engineering characterization of the single-use Xcellerex™ XDR-500 stirred-tank bioreactor system, Cytiva.
6. Engineering characterization of the single-use Xcellerex™ XDR-1000 stirred-tank bioreactor system, Cytiva.
7. Engineering characterization of the single-use Xcellerex™ XDR-2000 stirred-tank bioreactor system, Cytiva.
8. Xcellerex™ APS intensified seed culture for a fed-batch process, Cytiva.