pCO₂在線監測及反饋控制在細胞培養工藝中的應用

引言
過程分析技術（PAT） 作為一種在線的、連續的、自動化智能化的分析方式，相較于傳統離線分析方式，對于提高工藝水平和生產效率、優化產品質量具有重要作用。

在抗體生產工藝中，pCO₂（二氧化碳分壓）值直接關系到抗體表達。pCO₂的監測對于更好地理解和優化大規模制造時的細胞培養過程至關重要。pCO₂過低時會影響細胞活性，降低產物比生成速率，從而會導致產物表達量大幅降低。而pCO₂過高時，會影響細胞增殖，降低細胞對葡萄糖的高效利用，影響整個表達工藝。

目前對于生產過程中pCO₂的監測與控制主要依賴于離線檢測。而離線數據具有滯后性，往往無法反應生物反應器中的真實狀態，調控也會有延遲。因此本次實驗使用CO₂電極監測培養過程中pCO₂值，驗證其可行性。

方法與結果

第一輪實驗：
在CHO-K1細胞Fed-batch培養過程中，使用CO₂電極進行pCO₂監測（圖1）。整個培養過程中通過離線樣品血氣檢測與CO₂電極在線監測結果進行比對，驗證電極監測數據的可行性。

圖1 搭載CO₂電極的Opti-Cell mini

反應器：Opti-Cell mini（迪必爾生物）
軟件系統：D2MS Pro設備和數據管理系統（迪必爾生物）
罐體：Endura SUB一次性細胞罐體，3L（迪必爾生物）
CO₂電極：Sensor InPro5000i/12/220（梅特勒托利多）
血氣分析儀：ABL9（雷度米特）

第二輪實驗：
使用CloudReady+CO₂電極（圖2），實現實時監測數據的反饋控制（圖3），實現將培養體系中的pCO₂控制在目標值附近。實驗過程將空氣和CO₂流量與pCO₂級聯，實現穩定控制。

圖2 搭載CO₂電極的CloudReady

圖3 使用D2MS根據在線CO₂數據進行反饋控制

反應器：CloudReady（迪必爾生物）
軟件系統：D2MS Pro設備和數據管理系統（迪必爾生物）
罐體：玻璃罐體，500mL

表1 兩輪實驗工藝參數

CO₂電極監測數據的驗證：
整個實驗過程中，CO₂電極在線監測數據與離線血氣檢測數據如圖4所示

圖4 離線與在線監測數據對比

通過數據對比可看出，CO₂電極在pCO₂監測方面與傳統離線樣品血氣檢測結果基本一致，對整個實驗過程的pCO₂變化能夠進行全流程監控，更加真實地反應實驗過程變化，加強了對實驗過程的進一步理解。

CO₂電極監測數據的反饋控制（自動化）：
在反饋控制過程中，通過Air和CO₂流量與CO₂電極監測數據相級聯，實現氣體流量的自動化控制，最終實現將培養體系中的pCO₂維持在設定值40mmHg附近。

相較于傳統通過恒通Air來控制pCO₂的方式，本次培養過程中的pCO₂更加穩定（圖5），實現pCO₂全過程檢測和自動化調控。

圖5 培養過程中pCO₂及air、CO₂流量變化（—pCO₂—Air—CO₂）

在培養過程中，Air和CO₂的流量與pCO₂級聯的方式來進行調控，細胞生長曲線與活率變化如圖6所示，在級聯調控模式下，細胞正常生長，前期活率維持良好,細胞后期可正常表達蛋白（圖7）。圖6 細胞生長曲線與活率變化

圖7 Titer累積曲線

總結
在本次實驗中，首先通過CO₂電極對整個實驗過程中的pCO₂進行了全過程監控，并且與傳統離線樣品血氣檢測結果進行對比，最終兩者數據結果基本一致，表明通過D2MS Pro適配CO₂電極，可以對實驗過程中的pCO₂進行數據監控。

隨后，通過Air和CO₂與CO₂電極級聯控制，實現反饋控制，將培養過程中的pCO₂控制在設定值附近。最終實現pCO₂全過程可監控，可控制，為研究人員的工藝優化提供新的研究方向。

原文作者：應用技術與工程研究中心（CARE） 程黃鶴
 

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