通常，对于像新冠疫苗这类需求量较大的药物，会使用工作体积为100 – 2000 L甚至更大的生物反应器来满足生产。而对于前期的实验室研发、工艺开发和早期临床试验，通常只会使用规模较小的反应器（多为微小型台式反应器）。将生物反应器从研发和早期临床试验中使用的小体积（1-20 L）扩大到商业化规模生产中使用的更大体积（100 – 2000 L）甚至更大），并且不显著改变培养物的生理状态或细胞生物学特性是关键。
 

进行哺乳动物细胞放大培养时，需要考虑物料混合时间，氧转移系数和二氧化碳去除速率等关键因素。在《Scale-Up Analysis for a CHO Cell Culture Process in Large-Scale Bioreactors》研究中，科学家对CHO细胞在大型生物反应器（5000L）的放大培养进行了分析。
 

首先，在一台5000 L生物反应器中进行了混合实验（无细胞）。相同配置下，5000 L反应器与台式5 L和20 L反应器相比，5000 L生物反应器具有更低的氧转移系数、更长的混合时间和更低的二氧化碳去除率。

生物反应器中预测（黑条）和实际测得（白条）氧转移系数的比

生物反应器中混合时间的预测（线）和测量（符号）值

同时氧转移阈值分析表明，5000 L反应器的配置最大只能支持每毫升7 x 10（6）个细胞的活细胞密度。

生物反应器溶解氧比较

为了解决上述影响，采用经验方程预测5000 L生物反应器不同参数下的混合时间、氧转移系数和二氧化碳去除率。结果表明，在改善氧气转移系数和二氧化碳去除率上，增加底部通气速率比增加功率输入更有效。

二氧化碳去除率与通气速率、功率变化关系
（功率：5.2 W/m³ - 叉、24 W/m³ - 菱形、100 W/m³ - 三角形）

 

补料分批发酵下生物反应器中液体体积的增加，大容积下的物料混合成为一项挑战。研究表明，5000 L生物反应器中与混合时间、二氧化碳去除速率相关的工程参数可能需要优化，从而降低工艺放大时不同风险出现的可能性。

 

参考文献：

1. Xing Z, Kenty BM, Li ZJ, Lee SS. Scale-up analysis for a CHO cell culture process in large-scale bioreactors. Biotechnol Bioeng. 2009 Jul 1;103(4):733-46. doi: 10.1002/bit.22287. PMID: 19280669.

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