生物反應器在生物技術，工藝開發和研究中發揮著至關重要的作用，其主要應用包括：

1. 細胞株開發：臺式生物反應器可用于評估各個細胞株的性能，包括生長和表達效率，這有助于確定最適合進行進一步工藝開發和放大的候選細胞株。

2. 工藝開發：臺式生物反應器廣泛應用于工藝開發的早期階段，包括了參數優化和工藝放大兩方面，首先在較小規模上優化溫度，pH，DO等工藝控制參數，然后再進行工藝放大研究，降低放大至較大體積的生物反應器中可能存在的成本和風險。更復雜的工藝開發包括了增強型工藝，例如灌流培養和連續培養。

3. 培養基優化：臺式生物反應器可以用于優化培養基和補料策略，以改善細胞生長、活力和蛋白質表達，有助于實現高效，穩定且成本可控的大規模細胞培養。

4. 工藝表征：臺式生物反應器可進行工藝縮小研究，在較小規模上模擬較大生物反應器的條件，有助于了解和解決工藝放大過程中可能出現的限制性因素，如氧氣傳質、混合效率、CO2分壓和剪切力。

5. 質量源于設計（QbD）：可以在臺式生物反應器規模實施QbD開發原則，系統地研究和優化關鍵工藝參數，以確保產品質量的一致性。

6. 臨床樣品制備：符合GMP要求的臺式生物反應器系統，可用于臨床前研究或早期臨床試驗中的小規模生產，以快速、經濟地生產小批量的治療性產品。

Reference:cell culture bioprocess engineering, second edition

生物制藥中，CHO細胞作為常用的重組蛋白的表達體系，優化其生長和產物表達效率至關重要，然而生物反應器中CHO細胞卻面臨著多方面的生理壓力，包括培養條件、營養供應和環境參數有關的各種因素，因此需要反應器提供良好的工藝參數控制，以維持合適的細胞生長微環境。

· 營養限制：CHO細胞的能量和生物合成嚴重依賴葡萄糖，葡萄糖濃度過低會導致細胞新陳代謝壓力和活力降低；氨基酸是蛋白質合成所必需的，特定氨基酸含量不足會影響細胞生長和蛋白表達；細胞培養基中的生長因子、維生素和微量元素的不足也會影響 CHO 細胞的生理機能。

· 溫度：溫度波動會影響細胞的新陳代謝，對于細胞生長和蛋白表達通常所需最適溫度不同，需要制定針對性控制策略。

· pH值波動：pH 值的變化會導致培養基的酸化，影響分子的電離狀態，并影響細胞的新陳代謝，維持pH值在最佳范圍內對細胞活力和表達至關重要。

· 溶解氧濃度：溶解氧濃度過低會導致供氧不足，造成細胞應激，影響細胞生長和蛋白質表達。

· 二氧化碳分壓：二氧化碳分壓影響了pH控制，細胞代謝和生理功能，需要加以及時的檢測和有效的控制策略。

· 滲透壓：代謝物積累或營養濃度過高導致的高滲透壓會對細胞造成壓力，這會影響細胞體積大小調節和整體細胞功能。

· 剪切力：生物反應器中的攪拌和通氣產生的能量耗散會對細胞造成剪切應力，過大的剪切應力會損傷細胞結構并影響其生產率。

· 代謝副產物：細胞新陳代謝產生的有毒副產物（如乳酸、氨）的積累會對細胞活力和蛋白表達產生不利影響。

· 細胞密度：高細胞密度和細胞聚集會導致營養和氧氣的限制，造成壓力，有效的混合和充分的氧氣供應對防止這些問題至關重要。

理解細胞所處的生理壓力環境對于工藝條件優化，增強細胞活率，獲得高表達產物和目標質量屬性非常關鍵。

在了解了細胞所處的生理壓力之后，遵循質量源于設計（QbD）的指導原則，通過風險評估的方式確定關鍵工藝過程參數（CPP）, 重要工藝過程參數（KPP）及非重要過程控制參數（Non-KPP），制定參數各自的設定空間（DS），并在操作范圍內進行控制，這整體上需要工藝過程分析技術（PAT）及生物反應器所配置過程控制策略，以提供一致的工藝性能和產品質量（CQA）。

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生物反應器常用控制策略

· 開環控制：開環控制系統應用一組預定義的控制輸入或設定點，而不連續測量實際輸出，系統假定輸入將實現所需的輸出，而無需實時反饋。該控制策略的準確度依賴于高精度及快速響應的硬件配置。

· 閉環（反饋）控制：閉環控制使用傳感器持續監測系統輸出，將其與所需設定點進行比較，并實時調整控制輸入以保持所需的條件。這種方法能更好地適應過程中的變化和干擾。該控制策略的準確度依賴于控制器模式，參數的預設和調節。

· 前饋控制：前饋控制可預測系統中的干擾，并在干擾影響輸出之前調整控制輸入。它是對反饋控制策略的補充。

生物反應器控制器策略的應用

· PID控制：PID 控制是一種閉環控制策略的實現形式，通過比較設定值和實際值（誤差），使用比例、積分和微分項來計算控制輸出。比例部分使用增益（Gain）乘以誤差進行輸出；積分部分累積 CV（控制輸出）隨時間變化的程度，以糾正誤差；微分部分分析參數過去的變化率，并將其推斷到未來，其動作單位為秒（你想推斷多遠），可以讓回路在發生突發事件時迅速做出反應，但很容易受到測量噪音的影響。

· PID同時可以結合死區（DB, Dead Band）來使用，例如pH的PID控制，細胞對于pH有一個適應范圍，設定合適的DB值，避免酸，堿的反復添加和滲透壓的升高。

· 級聯控制：級聯控制涉及主控制器與子控制器，主控制器的輸出作為子控制器的設定值，從而更好地抑制干擾；子控制器可以為一個或多個，通過順序級聯或同時級聯，以滿足不同復雜程度工藝的需求。例如DO控制中，主控制器為DO PID控制器，子控制器為Air，O2，攪拌等控制器。

· Profile控制：為控制器的設定值設定隨時間變化的程序，控制器接受該設定值進行開環或閉環控制。例如補料泵的控制中，根據預測的細胞密度增加情況調整補料速度供給率，從而實現對營養物質濃度的前瞻性控制。

常見的細胞培養方式為補料分批工藝（Fed Batch），需要多級的種子擴增步驟，主反應器中也需生長至穩定期進行蛋白表達，因此所需設備成本高，占地空間大，生產效率較低且產品質量一致性存在差異。

隨著灌流培養基，細胞截留設備及PAT技術等方面的發展，增強型工藝（Process Intensification）在生物制藥中逐漸得以應用。根據對細胞和蛋白的截留，增強型工藝分為Concentrate Fed Batch, Dynamic perfusion及Continuous Perfusion等不同形式。

Reference：Perfusion Cell Culture Processes for Biopharmaceuticals

灌流工藝的開發通常在臺式反應器中進行，相比Fed Batch系統具有如下組成及特點：

· 反應器從結構設計到工藝驗證上應能支持系統長時間無菌培養的要求。

· 反應器的通氣及攪拌系統配置應當滿足高細胞密度培養對于傳質和混合的要求，并進行充分的表征，以評估放大過程中的限制性因素。

· 細胞截留裝置：支持切向流或聲學細胞截留裝置的無菌連接，截留裝置控制器可選擇接受生物反應器控制，細胞在截留裝置中所受的生理壓力（剪切力，溫度變化，溶解氧濃度等）應當加以控制。

· PAT整合：系統應當支持額外的電極整合，實時監控細胞密度、活力、二氧化碳分壓等關鍵參數。

· 外置設備的拓展：可拓展外置天平等設備。

· 自動化控制系統：系統應配置自動化灌流程序或配方，實現高精度自動化的灌流速率，反應器液位及細胞密度控制，減少灌流工藝長時間培養過程中復雜的人為操作所帶來的風險。

NestoBR是一款基于生物工藝進行設計和研發的先進型臺式生物反應器系統，應用于生物制藥及生物技術等方向的工藝研究和開發，系統設計滿足生物行業對于反應器的高性能及法規方面的要求，可降低用戶實驗的批次失敗風險，提高工藝開發能力，加速生命科學的研究發現，實現穩健化的技術轉移。

NestoBR產品特點

·緊湊化的結構設計：集成式工業控制器，直觀的用戶界面與交互；減少設備空間需求，易于使用。

·嚴格的材料選擇及處理：高硼硅玻璃，耐高溫，耐腐蝕；316L不銹鋼，表面拋光及鈍化處理，，易清洗，易清潔；墊圈采用EPDM材質，符合cGMP要求。

·基于工藝理解的產品設計：從細胞生所處的生長微環境出發，進行功能設計，拓展工藝可操作空間，保障批次穩定。

·豐富的高性能硬件配置：靈活的硬件配置方案，滿足不同細胞或工藝在培養體積、溫度控制、攪拌控制、通氣控制等工藝方面的差異化要求。

·高級自動化軟件架構：ISA88批處理控制高級自動化軟件架構，將物理硬件、操作程序和個性化工藝的緊密的結合，為控制系統提供安全性，穩定性保障。

·符合cGMP法規要求： 根據用戶需求，提供從設計、測試、驗證、文件等一系列技術服務；系統設計與驗證遵循ISPE GAMP5。

·快速穩定的自動化參數控制：控制系統配置不同的控制策略，實現快速，穩定，靈活的工藝過程參數自動化控制

·完善的批次過程監控與管理：系統配置趨勢圖，批次報告，用戶管理，審計追蹤功能

·滿足復雜工藝應用需求：NestoBR提供長時間運行的無菌保障，完善的設備表征數據，可集成PAT，外置設備與灌流裝置，可新增控制回路實現自動化灌流工藝操作。

·全面的安全性保障：提供生物反應器在使用，批次，軟件，數據，工藝等方面全方位的安全保障。