灌注放大：剪切应力分析和控制策略

Jul.02, 2026

简介

在将灌注培养从摇管扩大到生物反应器的过程中，通常观察到峰值活细胞密度（VCD）、产物滴度和比生产率（Qp）有不同程度的下降。

关键的根本原因之一是物理微环境的根本性转变，特别是混合和曝气机制的转变。这些变化显着改变了细胞所经历的剪切应力景观，最终影响工艺性能。

在这些因素中，通气策略的变化在剪切应力的形成中起着特别关键的作用。

在摇管系统中，轨道摇动产生平滑的振荡流动模式。细胞维持在相对均匀的低剪切环境中，类似于温和的层流。剪切应力分布均匀，峰值剪切水平保持较低。

相比之下，生物反应器依靠机械叶轮进行混合。叶轮尖端产生局部高剪切区域，其中剪切力可能比摇管系统高几倍到几十倍。尽管单独的暴露事件很短暂，但灌注培养中的细胞在延长的培养时间内不断地通过这些区域再循环，导致累积的机械应力，可能会损害膜的完整性并限制峰值 VCD 和生产率。

在摇管中，氧气转移主要通过轨道运动驱动的表面介导的气体交换来实现。由于没有发生气泡形成或破裂，因此与通气相关的剪切应力最小。

在生物反应器中，氧气供应取决于喷射系统。液体表面的气泡形成、传输和破裂会引起显着的局部能量耗散，从而产生剪切应力。

大气泡通常产生较低的剪切力，但氧气传输效率有限，需要更高的气体流速并增加气泡破裂事件的频率。

由于表面积较大，微泡可改善传质；然而，它们的塌陷释放出更高的局部能量，增加了每次事件的剪切强度。

在灌注系统中，细胞经历连续循环并反复暴露于气泡破裂区，这可能导致膜损伤、细胞裂解和潜在的产物降解。

剪切耐受性应作为细胞系开发过程中的早期选择标准。筛选可以在摇管中的高速轨道条件下开始，然后在生物反应器中的受控搅拌和喷射条件下进行验证。

目标是确定能够在持续高剪切灌注环境下保持性能的细胞系。

除了滴度之外，比生产率 (Qp) 在灌注系统中也起着至关重要的作用。高 Qp 细胞系能够在受控或中等峰值 VCD 水平下实现足够的生产力，减少过度通气的需要，从而最大限度地减少剪切应力暴露。

在工艺开发过程中，必须绘制不同 VCD 水平的需氧量图，以确定通气需求急剧增加的拐点。

该拐点可用作定义最佳峰值细胞密度的参考，避免气流不必要的增加，否则会加剧剪切应力。

精心设计的曝气策略对于平衡氧气转移和剪切控制至关重要。

分级曝气控制：
大气泡喷射可以在需氧量较低的早期培养阶段使用。随着细胞密度的增加，系统转变为微泡曝气以维持溶解氧水平。

双功能喷射策略：
微气泡作为 DO 控制下的主要氧气供应，而大气泡持续用于 CO2 汽提并防止微气泡过度积累。这种互补策略能够实现高效的传质，同时最大限度地减少剪切损伤。

灌注介质设计在整个过程的稳健性中起着至关重要的作用。先进的灌注培养基旨在提高比生产率 (Qp)、调节细胞过度增殖并提高细胞对机械应力的抵抗力。

当与优化的细胞系选择和通气策略相结合时，灌注培养基可以显着减少放大过程中的变异性，并提高成功工艺转移的可能性。

成功的灌注放大不仅取决于设备或操作参数，还取决于细胞系特性、工艺设计和培养基性能的整体整合。

了解和控制混合和曝气系统中的剪切应力对于实现稳定、高效的灌注过程至关重要。