1、Process Optimization and Scale up -Section I 细胞培养工艺优化与放大 I,_,_,_,赵伟, 产品应用专家, 185-8882-8306 wei.zhaosartorius-,实验室规模 摇瓶， 转瓶， 1-20L反应器,中试规模 50L, 200L,生产规模 5000L, 40000L,工艺放大目的 使小型发酵试验所获得的规律和数据能在大生产中再现,目录,培养工艺放大策略 工艺放大策略应用,“混合和传质” 液质混合/ 剪切力 搅拌 传氧 / CO2 去除 通气,培养工艺放大核心,经验与工程参数在放大中起到同样重要的作用,实现放大后的质量传递、动量传
2、递、热量传递效率一致,比拟放大的依据 几何相似 通风量放大 搅拌功率放大 混合时间相同,放大的基础-几何相似,机械搅拌反应器，若放大时几何相似，则可用搅拌器直径之比Di2/Di1代替反应器直径之比,按照反应器的各个部件几何尺寸比例放大。放大倍数即为反应器的增加倍数,理想反应器放大应达到的相似条件： 1、几何相似性 2、流体力学相似性 3、热力学相似性 4、质量（浓度）相似性 5、生物化学相似性,一、气体流量的放大,单位培养液体积中气体流量Q /V相同 反应器空截面的空气线速度Vs相同 体积溶氧系数KLa值相同,P为操作状态下通入的气体分压力,气体流量放大,单位培养液体积中气体流量Q /V相同
3、反应器空截面的空气线速度Vs相同 体积溶氧系数KLa值相同,气体流量放大,单位培养液体积中气体流量Q /V相同 反应器空截面的空气线速度Vs相同 体积溶氧系数KLa值相同,目录,培养工艺放大策略 工艺放大策略应用,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),kLa-value micro vs ring sparger,test conditions BIOSTAT STR 200 2 x 3-bla
4、de segment impeller tip speed: 1.8 m/s gassing-out method Room temperature 200 L 1 x PBS,反应器设计特点- 通气模式,Ex. gassing strategy BIOSTAT B,Ex. gassing strategy BIOSTAT STR,为什么要优化搅拌参数搅拌影响溶氧系数主要有3个方面, 搅拌把通入的无菌空气打成细小气泡，增加气液接触面积(即增大内表面积a)，而且小气泡从罐底上升到液面要比大气泡慢，也增加气液接触时间； 搅拌造成的涡流运动使气泡不直接从罐底上升至顶部，而变成螺旋运动上升，这也增加了
5、气液表面的上升时间，利于氧的溶解； 搅拌所形成的湍流断面减少液膜的厚度，从而减少液膜阻力，增大了KLa。,二、输入搅拌功率的放大,搅拌功率是影响溶氧的重要因素 实际上是n和Di的放大问题依据准则 单位体积液体消耗功率P/V相等 搅拌器末端线速度nDi相等 体积溶氧系数相等 单位体积搅拌循环流量F/V相等 搅拌雷诺准数Re相等,不通气时的转速和搅拌功率：,通气时的转速和搅拌功率：,输入搅拌功率的放大,搅拌功率是影响溶氧的重要因素 实际上是n和Di的放大问题依据准则 搅拌雷诺准数Re相等 单位体积液体消耗功率P/V相等 搅拌器末端线速度nDi相等 体积溶氧系数相等 单位体积搅拌循环流量F/V相等,
6、输入搅拌功率的放大,搅拌功率是影响溶氧的重要因素 实际上是n和Di的放大问题 依据准则 搅拌雷诺准数Re相等 单位体积液体消耗功率P/V相等 搅拌器末端线速度nDi相等 体积溶氧系数相等 单位体积搅拌循环流量F/V相等,因为,所以,根据,转速,功率,Power input per volume (P/V) - from Univessel 2L to STR 1000L,混合时间的影响逐级放大的必要性,混合时间与放大的关系湍流下，按等P/V放大 t2/t1=(D2/D1)11/18混合时间延长的影响 使空气中O2的溶解和微生物对营养的摄取以及代谢物的释放都变得缓慢混合均匀度的影响 会形成局部区
7、域溶氧速率高而某些部分缺氧的现象提高方法 加大搅拌器直径Di(相应地减小转速n) 采用等P/V放大方法时，不宜采用按几何比例放大的方法，而应适当加大搅拌器直径Di并相应地降低搅拌转速 对于高粘度的丝状菌发酵，需要在适当考虑混合流量Q搅的情况下增加速度压头H搅，以打散菌丝团、减小菌丝的阻力,Scale-up criteria,Aim - Keeping the same process conditionsoxygen transfer rate (OTR) kLa power input per volumeshear stress tip speed power input per volu
8、memixing time power input per volume,Page 9,Page 9,it is not possible to keep more than one scale-up criterion constant,it is necessary to find compromises,Page 10,Scale-up example Ring sparger, 0,1 vvm, 2x 3 blade impeller,Scalability via geometrical similarity following well proven STR design,OUR
9、vs OTR (kla),“For A-Mab the maximum 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:,Conventional stirred tank design in single-use to facilitate scale-up/down and process transfer to/from stainless steel bioreactors,Page 12,Optical & conventi
10、onal pH & DO probes,50L, 200L, 500L, 1000L, 2000L,0,8mm ring & 150m microsparger,BIOSTAT STR Twin Configuration,Exhaust cooler,3 blade segment & rushton impeller optionsmagnetically coupled top drive,Page 16,Mixing Time Determination,31/10/2012,Conductivity method Decolourisation method,Mixing time
11、comparison of 4 different bioreactors,Chaubard et al., BioPharm International, Nov. 2, 2010,细胞培养放大过程的复杂性,放大策略讨论,以KLa或者P/V相等进行放大时，两者结果比较接近，而且KLa和P/V等指标都比较接近，但nDi提高，反应器中醪液混合的均匀程度降低（F/V） 若菌种对剪切作用特别敏感，可采用适当增大通风量，同时降低搅拌功率（转速）的办法，也可采用适当减小搅拌器直径的办法 对于特别需要快速混合的发酵生产，则可采用适当提高搅拌转速，同时降低通风量的办法 以nDi相等进行放大，除Re值之外，各
12、项指标都低于小型试验罐 必须采用适当加大通风量和提高操作压力等办法来提高溶氧速率 以F/V相等进行放大，除搅拌转速外，各项指标都大大高于小型试验罐 除适当降低通风以外，主要是选择混合效果好的搅拌装置 以Re相等进行放大，所得各项数据都与小罐相差很大,实例1：Scale up of a modern Fed Batch CHO Process,实例2-1：5L玻璃罐到STR50L的工艺放大,国内某客户 细胞株：CHO 培养工艺：Fed-Batch,实例 2-2 P. Pastoris fermentation- 0.25L to 30L (Courtesy of Rachel Bareither & David Pollard, Merck Rahway),实例3：一次性反应器在灭活性疫苗中的应用,实例 4 E.coli -ambr250 OD600 is scalable to 15l & 150l scales,
