基于多约束流体动力学设计空间的生物反应器跨平台工艺转移研究

《Applied Microbiology and Biotechnology》：Hydrodynamic design space for process transfer across different bioreactor platforms

　　

摘要

在生物制药制造中，生物反应器平台的多样化日益增加，包括搅拌罐、一维摇动型和轨道摇动型系统，这给在不同混合机制的系统之间转移工艺带来了挑战。对于搅拌罐反应器（STR），传统的放大参数（如单位体积功率输入P/V）已经得到了很好的确立，但基于叶轮的方法无法直接应用于无叶轮的系统。在这项研究中，开发了一个基于计算流体动力学（CFD）的框架，用于定义搅拌罐（STR）、一维摇动型（RM20）和轨道摇动型（CELBIC50）生物反应器系统之间的流体动力学设计空间。提出了单位体积功率耗散（Pd/V）作为一个与平台无关的能量耗散参数，并结合剪切应力和混合时间来界定可行的操作区域。利用这一框架，可以通过多约束流体动力学设计空间确定不同类型生物反应器的操作条件。流体动力学分析显示，这些生物反应器之间的流动特性存在差异：在选定的操作条件下，CELBIC50的平均剪切应力较低（0.012 Pa vs 0.019 Pa），混合时间也更短（80.9 s vs 146.6 s）。尽管存在这些差异，在选定的条件下，进料批次CHO细胞培养在STR 2 L、RM20和CELBIC50中的细胞生长、生产力、代谢物谱和产品质量相当，大多数性能变量都保持在共同的±2σ范围内。这些结果表明，结合Pd/V、剪切应力和混合时间的多约束流体动力学设计空间为识别不同生物反应器系统之间的可转移操作条件提供了一个定量框架，并支持基于模型的工艺开发。

关键点

• 在多种操作条件下，系统地比较了搅拌罐、一维摇动型和轨道摇动型生物反应器的流体动力学特性。

• 提出了Pd/V作为一个与平台无关的能量耗散参数，适用于不同的生物反应器系统。

• 开发了一个基于约束的流体动力学设计空间，整合了Pd/V、剪切应力和混合时间，以实现生物过程的系统转移。