哺乳動物細胞對環(huán)境變化高度敏感，大小規(guī)模反應器中工藝表現(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)模反應器中細胞生長、代謝、蛋白產(chǎn)量與質量及糖型等關鍵質量參數(shù)帶來嚴重影響。而相關文獻指出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。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，K1和 K2 為反應平衡常數(shù)( 37 ℃ ) ，kLaCO₂為CO₂體積傳質系數(shù)，CTR為CO₂傳質速率( Carbon dioxide transfer rate) ，還可以用CO₂逸出速率表示( CO₂ stripping rate) ，CER為CO₂轉化速率( Carbon dioxide evolution rate) 。

高pCO₂的產(chǎn)生原因

1、工藝本身的非優(yōu)化控制，如 pH 控制策略不當，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，反應器的選擇和過程參數(shù)的設定導致大規(guī)模反應器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、反應器高徑比增大都會影響CO₂的逸出

控制策略

1、設計合理的 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，對應的pCO₂越高，理論關系式為: pCO₂= HCO₃－ /( 0.030 7 × 10^{( pH － pk2)} )

4、平衡好工藝表現(xiàn)和工藝穩(wěn)定性之間的關系，不能只追求小規(guī)模反應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、選用合適的反應器類型( 攪拌槳/擋板、反應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 關聯(lián)等)以及攪拌轉速以期達到適宜的CO₂逸出速率

6、在等P/V放大的過程中，在保證基本kLa的前提下可以適當提高通氣速率

總結

pCO₂在小規(guī)模反應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，首先在反應器設計和選擇時，需要考慮攪拌槳/擋板和安裝位置，確保反應器中良好的混合;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。隨著模型預測控制( Model predictive control，MPC)的發(fā)展，通過預測工藝參數(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。