一次性反应器是否适合微生物工艺开发？
现代微生物工艺开发和中试生产遇到的难题，大体积且可连续放大的一次性反应器解决方案是否可以解决？传质、传热、混合、泡沫形成等问题在更高生长和生产速率的微生物培养中尤其严重，并且经常限制一次性反应器的应用。
我们将介绍此类系统开发中需要克服的技术挑战，如泡沫检测、pH测量、可放大性、传热、混合和传质。通过工程表征原则标准指南进行测量，验证不同生产规模之间的一致性。
我们还将讨论使用连续可放大一次性反应器进行微生物工艺开发的优势，如赛多利斯一次性Biostat® STR微生物培养系统。我们将展示系统的生产能力，包括与赛多利斯Ambr®等现有系统的表征数据比较，以及展示现有系统可放大性的工业实例研究。
根据DECHEMA指导原则进行工艺表征
图1:DECHEMA表征原则
工艺工程表征
■搅拌速度
■最大工作体积
■通过电导率/脱色测定的混合时间
■基于罐体和电机几何结构/扭矩测定的功率输入
■pO2具有良好传感器响应时间(11s)
■通过排气法测定的kLa
图2:水冷却能力：34 K/h
注：高细胞密度大肠杆菌培养过程中的冷却能力(包括代谢热)：21 k/h
用于筛选和工艺优化的Ambr®平台
Ambr® 250 Modular(模块培养系统)的关键生物学表征结果:
■ OTR和混合特性可支持不同水平的高密度培养
■ 与5 L台式Univessel®和更大规模分批培养模型具有相似的结果(趋势图未显示)，分批生长数据参见表2和表3。
图3 :Ambr®250 Modular补料分批大肠杆菌培养模型(方形)与Univessel® Glass 5L生物反应器(圆形)的比较
注：所示600nm波长(蓝色)、生长速度(深粉色)、乙酸(蓝绿色)和葡萄糖浓度(紫色)。虚线表示补料。
| Biostat STR® 50 L系统具有Biobrain®自动化平台,可以进行可靠的规模放大，并用于商业化生产
图4显示Biostat STR®微生物培养系统的关键生物学表征结果。阴影区域显示补料分批开始前的分批培养。垂直虚线表示一次性加入补料2(灰色)。未显示分批模型结果，分批生长数据见表2和表3。
图4：Biostat STR® 50 L微生物培养系统中的补料分批大肠杆菌培养模型
注：所示为分批阶段y = 0.71 e0.60 t(R = 0.998)和补料分批阶段y = 16 e0.13 t(R = 0.995)(浅粉色))的对数光密度log(OD600)指数拟合。此外，还显示了光密度OD600(蓝色)、比生长速度μ(深粉色)、细胞湿重(深蓝色实方块)、细胞干重(深蓝色空方块)、葡萄糖浓度(紫色)和乙酸浓度(蓝绿色)。
表2:Biostat STR® 50 L补料分批参数
平台经过良好表征
能够实现生物一致性培养
表3:Ambr® 250 Modular和Biostat STR® 50L培养系统的结果
*不包括顶部气体交换(HSE)。**包括顶部气体交换(HSE)。
一次性培养系统
是否可以替代多次使用反应器？
成功的微生物发酵工艺需要通过适宜的搅拌速度和通气速度进行有效氧气供给并提高kLa值，同时实现可靠的温度控制。Ambr® 250和Biostat STR®微生物培养系统的参数设置经过优化，此类一次性培养系统可以替代多次使用反应器，用于微生物培养工艺开发和商业化生产。研究显示Ambr®和Biostat®一次性平台之间的工艺放大具有可靠性和一致性。
在所有培养规模，Ambr®和Biostat®平台的kLa大于675 h−1。生长数据(µ)和最大生物量(OD600)在不同规模的分批和补料分批模式下均具有重现性，可以加速和优化细胞系筛选工艺开发，提高开发生产平台的可靠性。可以采用标准化的方式提高工艺产量。
因此，最初采用Ambr®平台开发的生物模型可以顺利转移到更大的Biostat STR®微生物培养系统。两个系统均可针对泡沫控制进行工艺放大。尽管Ambr®(光学)和STR®(电容)泡沫测量原理不同，两种系统均可避免产生过量泡沫导致排气过滤器堵塞，支持高密度细胞培养。赛多利斯一次性发酵罐的几何相似性均基于经典的搅拌浆设计，易于进行工艺放大，可在一次使用罐体和多次使用反应器设计之间进行切换。
赛多利斯一次性微生物培养系统
助力微生物工艺开发
Ambr®平台提供了高通量平行实验策略，具有先进的自动化技术，采用创新过程分析工具、快速设置和高性能过程控制以及自动采样，特别适用于研发和工艺开发。
赛多利斯Biostat STR®微生物培养系统可提供一次性发酵罐，非常适合基于Ambr®250的工艺放大研究，可用于要求严格的生产工艺，在较高的行业标准下也能获得可重现的结果。通过赛多利斯BioPAT®平台和Biobrain®自动化平台，该系统可利用最新研发的过程分析工具提高自动化水平。
在规模放大和技术转移阶段，Ambr®和Biostat®平台可用于表征工艺并降低风险。
赛多利斯正在为一次性微生物培养系统研究整套规模化生产技术，突破多次使用与一次使用培养系统通用技术的界限。
对于客户所需要的在快速变化的环境中寻求稳健和灵活的工艺，赛多利斯可以帮助这些客户创造更多价值。
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参考资料
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