哺乳動物細胞對環(huán)境變化高度敏感，大小規(guī)模反應(yīng)器中工藝表現(xiàn)不一致成為放大的主要挑戰(zhàn)，其中高二氧化碳分壓( pCO2 ) 問題給大規(guī)模反應(yīng)器中細胞生長、代謝、蛋白產(chǎn)量與質(zhì)量及糖型等關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)帶來嚴(yán)重影響。而相關(guān)文獻指出pCO2通常在30 ～ 80 mmHg 較合適。
CO2是有氧呼吸的產(chǎn)物之一，同時作為底物參與回補反應(yīng)。哺乳動物細胞培養(yǎng)中，CO2的來源包括細胞呼吸產(chǎn)生的CO2、培養(yǎng)基中NaHCO3的分解和控制pH 值加入的CO2和 NaHCO3/Na2CO3等。動物細胞培養(yǎng)大多使用碳酸-碳酸氫鹽( H2CO3-HCO3-) 緩沖系統(tǒng)，因此CO2 存在如圖1的平衡反應(yīng)，K1和 K2 為反應(yīng)平衡常數(shù)( 37 ℃ ) ，kLaCO2為CO2體積傳質(zhì)系數(shù)，CTR為CO2傳質(zhì)速率( Carbon dioxide transfer rate) ，還可以用CO2逸出速率表示( CO2 stripping rate) ，CER為CO2轉(zhuǎn)化速率( Carbon dioxide evolution rate) 。
高pCO2的產(chǎn)生原因
1、工藝本身的非最優(yōu)化控制，如 pH 控制策略不當(dāng)，培養(yǎng)基選擇不合適，過量堿液添加，細胞密度過高等
2、工藝放大過程中，反應(yīng)器的選擇和過程參數(shù)的設(shè)定導(dǎo)致大規(guī)模反應(yīng)器CO2去除能力不足
3、放大培養(yǎng)的過程中氣體流速降低、混勻時間增加、反應(yīng)器高徑比增大都會影響CO2的逸出
控制策略
1、設(shè)計合理的 pH 控制范圍
2、控制培養(yǎng)過程中酸和/或堿的添加量
3、優(yōu)化培養(yǎng)基配方，在相同 pH 條件下，培養(yǎng)基中 NaHCO3含量越高，對應(yīng)的pCO2越高，理論關(guān)系式為: pCO2= HCO3- /( 0.030 7 × 10( pH - pk2) )
4、平衡好工藝表現(xiàn)和工藝穩(wěn)定性之間的關(guān)系，不能只追求小規(guī)模反應(yīng)器中的高細胞密度和高產(chǎn)量，同時也要考慮放大過程 pCO2等的挑戰(zhàn)
5、選用合適的反應(yīng)器類型( 攪拌槳/擋板、反應(yīng)器高徑比和鼓泡器孔徑大小等) ，通氣策略( 底部/表層空氣流速和 DO 關(guān)聯(lián)等)以及攪拌轉(zhuǎn)速以期達到適宜的CO2逸出速率
6、在等P/V放大的過程中，在保證基本kLa的前提下可以適當(dāng)提高通氣速率
總結(jié)
pCO2在小規(guī)模反應(yīng)器中通常不作在線控制，在放大后極易出現(xiàn)波動和升高，導(dǎo)致工藝放大的不確定性。細胞培養(yǎng)特別是高密度細胞培養(yǎng)工藝放大中，如何實現(xiàn)氧氣供應(yīng)和CO2逸出的平衡，挑戰(zhàn)依然很大。為了減小放大過程中高pCO2的風(fēng)險，在工藝條件的優(yōu)化方面，合理的pH 控制策略可以避免規(guī)模間pCO2差異。在大規(guī)模參數(shù)的控制方面，首先在反應(yīng)器設(shè)計和選擇時，需要考慮攪拌槳/擋板和安裝位置，確保反應(yīng)器中良好的混合;其次可使用大孔鼓泡器，優(yōu)化空氣/氮氣和氧氣的流速和比例，以增加CO2逸出。最后，新型pCO2 預(yù)測模型聯(lián)合在線CO2 傳感器的使用，可以實現(xiàn)pCO2的在線檢測和反饋控制。隨著模型預(yù)測控制( Model predictive control，MPC)的發(fā)展，通過預(yù)測工藝參數(shù)未來的軌跡，再反饋給系統(tǒng)采取行動，以實現(xiàn)工藝與歷史工藝表現(xiàn)一致，也將是細胞培養(yǎng)中pCO2 控制的發(fā)展趨勢。
