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1、如何有效的实现细胞培养工艺的优化和放大 徐卫涛, 产品应用专家, 赛多利斯斯泰迪（北京）有限公司上海分公司 188-1809-8297 weitao.xusartorius- 目录 工艺放大定义及目标工艺放大定义及目标 工艺放大参数 反应器硬件设计需求及控制参数设计空间 应用实例 工艺放大-将工艺从实验室规模转移至大规模反应器 实验室规模 摇瓶， 转瓶， 1-20L反应器 中试规模 50L, 200L, 2000L 生产规模 5000L, 20000L 细胞培养工艺放大 放大工艺 很多不确定因 素，需要优化 时间，经济 成本 工艺放大-影响因素 生物因素生物因素 化学因素化学因素 物理因素物理
2、因素 传代次数 pH调节试剂 罐体外形 突变概率 培养基质量 通气 易污染 工艺水质量 搅拌 易聚集 碳水化合物（糖）浓度 培养基状态 筛选压力 氮源浓度 温度控制 磷酸盐浓度 混合 表面张力引起的泡 沫 工艺放大的目标 制剂相关 确认和控制主 要的成分以及 变量 设备相关 确认和控制主 要的参数以及 操作空间 生产和工艺相关 开发、评估和验证 工艺步骤和控制手 段 文件相关 根据法规要求 记录和报告 目录 工艺放大定义及目标 工艺放大参数工艺放大参数 反应器硬件设计需求及控制参数设计空间 应用实例 工艺过程参数 通气相关 O2供应 CO2去除 H2O蒸发 泡沫控制 搅拌相关 分散 均质 剪切
3、力 悬浮 P/V 生物反应器放大原则 就生物反应器放大而言，可将反应器操作参数分为两类： 体积依赖性参数和体积非依赖性参数 搅拌转速 通气量 培养体积 流加培养基体积 温度 pH 溶氧水平 线性放大 经验性放大准则 非线性放大 细胞活性、产物收率、产物质量细胞活性、产物收率、产物质量 工艺放大-工艺过程影响参数 目录 工艺放大定义及目标 工艺放大参数 反应器硬件设计需求及控制参数设计空间反应器硬件设计需求及控制参数设计空间 应用实例 工艺放大面临的挑战 一些参数被证明在工艺放大过程中作用很大: 反应器硬件设计相关： 几何相似性 搅拌桨设计 通气策略 培养工艺参数相关： 搅拌桨叶线速度 单位体积
4、功率输入值(P/V) kLa-值 VesselVessel UniVessel 1LUniVessel 1L UniVessel 2LUniVessel 2L UniVessel 5LUniVessel 5L UniVessl 10LUniVessl 10L total volume Ltotal volume L 1,6 3 7 13 max. working volume Lmax. working volume L 1 2 5 10 min. working volume Lmin. working volume L 0,4 0.6 0.6 1.5 vessel diameter dve
5、ssel diameter dv v mmmm 110 130 160 190 vessel height h mmvessel height h mm 180 240 345 470 ratio h/dratio h/dv v 1,61,6 1,81,8 2,22,2 2,52,5 liquid height hliquid height hL L mmmm 110 180 280 360 ratio hratio hL L/d/di i 1,0 1,4 1,8 1,9 impeller diameter rushton dimpeller diameter rushton di1 i1 m
6、mmm 45 53 64 75 impeller diameter 3impeller diameter 3- -blade dblade di2 i2 mm mm 48 54 65 78 ratio dratio di i/d /dv v (3 (3- -blade)blade) 0,440,44 0,420,42 0,410,41 0,410,41 ratio dratio di i/d /dv v (rushton)(rushton) 0,41 0,41 0,40 0,39 反应器设计特点- 几何相似性 CultiBag STR 2000 L bag CultiBag STR 2000
7、L bag STR 反应器所有型号的袋子的设计遵循 一致的几何相似性的放大原则 Bag Design袋子设计 CONFIDENTIAL - PROPERTY OF SARTORIUS STEDIM BIOTECH GmbH 桨叶设计 2 x 6blade disk impeller 2 x 3blade segment impeller upwards mixing 2 x 3blade segment impeller downwards mixing Combination 气体分布器 -sparger ring sparger 反应器设计特点- 桨叶及气体分布器 反应器设计特点- 通气模
8、式 Ex. gassing strategy BIOSTAT B Ex. gassing strategy BIOSTAT STR Develop at small scale, transfer easily to large scale 搅拌 n n rpm Tip speed u u m/s Power input per volume P/VP/V W/m3 Shear rate 1/s 通气速率F F L/min Volumetric gas flow rate vvmvvm Lpm/L Superficial air velocity v vs s m/s Volumetric m
9、ass transfer coefficient k kL La a- - value value 1/h 控制参数设计空间定义 Design Design spacespace max min min max Oxygen limitation CO2 Accumulation Foam Heterogeneity Shear Stress F Lpm n rpm Impeller Tip Speed nd Tip 2 100 200 300 400 500 600 700 800 00.61.21.82.4 Agitation rpm Tip Speed m/s UniVessel 1LU
10、niVessel 1L UniVessel 2LUniVessel 2L UniVessel 5LUniVessel 5L UniVessel 10LUniVessel 10L STR 50STR 50 STR 200STR 200 STR 500STR 500 STR 1000STR 1000 Power input per volume/ Newton Number 5 2 2 2 dn M Ne l measurement of torquemeasurement of torque Torque transducer, max. 10 Nm (ETH-Messtechnik) Meas
11、urement in water Power input determination by Newton number Newton (power) Number Not determined yet, probably in this range due to geometric similarities Ne number 1 x 3blade: 0,7 Ne number 1 x 6blade: 1,6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,0 Tip speed m/s Power input
12、per volume W/m3 10001000 Univessel SU 2LUnivessel SU 2L 200200 500500 5050 Power input per volume (P/V) - from Univessel 2L to STR 1000L Calculation Stirrer speed: Power input = constant Calculation Stirrer speed: Power input = constant Mixing Time Determination 31/10/2012 Conductivity method Conduc
13、tivity method Decolourisation methodDecolourisation method addition of phosphate buffer Mixing time STR 50STR 50 STR 500 STR 500 STR 1000 STR 1000 STR 200STR 200 Mixing time comparison of 4 different bioreactors Chaubard et al., BioPharm International, Nov. 2, 2010 OUR vs OTR (kla) “For A-Mab the ma
14、ximum OUR was estimated to be 1.5 mmol/L-hr at 15 106 cells/mL”. OTRmax = 1.5 mmol/L-hr kLa (air) 7 1/h Source: 传统的气体分布器设计 Ring-sparger 0.5 mm (Univessel) or 0.8 mm holes (STR) Micro-sparger 10-20 m (Univessel) or 150 m holes (STR) 0 5 10 15 20 25 00.020.040.060.080.10.12 kLa 1/h Volumetric gas flow
15、 rate vvm kLa-value micro vs ring sparger test conditions BIOSTAT STR 200 2 x 3-blade segment impeller tip speed: 1.8 m/s gassing-out method Room temperature 200 L 1 x PBS kLa-value from glass to single use Max filling, 0,1vvm 1 x PBS, 37 C, gassing-out method 0 5 10 15 20 25 30 35 00.61.21.82.4 kLa 1/h Tip Speed m/s UniVessel 1LUniVessel 1L UniVessel 2LUniVessel 2L UniVessel 5LUniVessel 5L UniVessel 10LUniVessel 10L 0
