单抗生产用生物反应器搅拌器的选型要点

林红波 2023-03-02

在设计和制造单抗生产用大型生物反应器的过程中，为了获得期望的产率，需要合理选配搅拌器——本文通过梳理影响单抗产率的综合因素，强调了搅拌器选型的重要性，并详尽比较了底部磁力单层、多层搅拌器，底部机械式单层、多层搅拌器，顶部机械式、磁力搅拌器等常用搅拌器的安装与性能特点，为单抗生产用大型不锈钢生物反应器搅拌器的选型提供了参考。

当前，随着集采压力传递到制药装备领域，单克隆抗体（简称“单抗”）的生产企业在完成中试、拿到GMP生产许可证后，亟需放大生产规模。因降低成本的需要，采购容积大于2000升的大体积不锈钢生物反应器，并采用进口配件在国内集成制造成为主要趋势。在不锈钢大型生物反应器中，搅拌器是其中必用、必买的关键设备。在实际应用中，搅拌器有很多种类可供选择，如底部磁力单层/多层搅拌器、底部机械式单层/多层搅拌器、顶部机械式/磁力搅拌器等。由于不锈钢生物反应器的产品附加值往往很高，且存在投资金额高、制造工期长、使用时间长、需要反复在线灭菌使用等情况，因此如何选择一款合适的搅拌器，是直接影响产品产率、使用和维护工作强度的关键课题，也是很多用户急需了解并在第一时间解决的问题。对此，笔者结合了自己的经验，在本文中梳理了搅拌器的选型要点，希望能给行业同仁们带来启发。

1.选型的重要性

对于单抗生产来说，单位体积细胞产率（mg/l）是一个重要的指标，而它往往和如下因素息息相关：

（1）高表达细胞株的构建、筛选和驯化，悬浮培养还是贴壁培养。

（2）减血清或完全无血清培养基的选择和优化。

（3）培养工艺（批式、流加、灌注式）的设计。

（4）培养过程中的补料成分。

（5）培养过程中的pH、溶氧、渗透压、产物等参数的实时监控和维持。

（6）生物反应器的结构设计（挡板、搅拌器、空气分布器等的设计）。

（7）种细胞体积和最终的放大体积比等。

而在这些因素里面，搅拌器的选择尤为重要，它决定了整体生物反应器的结构设计、能量传递效率、搅拌混合的流场/湍流形式、空气分布器的位置、传氧传质率、剪切率以及无菌保持，一旦选定，就决定了生物反应器的整体性能。

2.选型的要点

总的来说，选择搅拌器时需要考虑的因素有以下几点：

（1）从小试到放大细胞驯化的过程中，是否沿用小试搅拌器的形式作等比例放大；这会影响桨叶形式和搅拌器安装位置。

（2）细胞株对体积溶氧系数

(KLa值)的需求；KLa值与搅拌器的泵流速有关，而泵流速会受搅拌器的桨叶形状、直径、转速、轴径、粘度等参数影响。

（3）细胞株（悬浮或贴壁）对剪切力的敏感程度；这与搅拌桨的最大线速度有关。

（4）搅拌器产生的液体流体力学特征或者流场形式；这会影响空气分布器的安装位置。

（5）罐子的形状。

（6）培养液体的性质、粘度。

（7）接入的种细胞体积和最终培养体积的放大体积比。

（8）借鉴了市面上哪些其他大品牌全不锈钢或SU生物反应器中搅拌器形状和安装位置的设计。

（9）如果以后需要放大到更大体积的反应器，搅拌器进行同等放大的可行性。

（10）能否进行在线清洗（CIP）和在线灭菌（SIP）。

常见的不锈钢搅拌器

3.常用搅拌器的安装与性能比较

众所周知，在生物反应器中有很多特殊的搅拌形式，如脉动式、Wave震荡摇床式等，限于篇幅，本文不对此进行赘述，只针对目前应用较多的搅拌器形式如顶置、底置、磁力驱动、机械传动式作对比分析。根据常用安装位置的异同，对搅拌器的优势和受限因素进行比较分析，如表1所示。

需要补充的是，在大型不锈钢反应器中，使用底部多层磁力搅拌器可以比使用底部单层磁力搅拌器得到更大的磁扭矩，顶部、中层和底部溶液可以得到更充分的混合，其传氧传质效率更高，应用范围也更广。对于高附加值的单抗产品来说，往往一罐5000升无血清培养基的成本就可达到百万元规模，这还未将下游分步纯化所用到的层析胶、超滤设备、除病毒设备的高昂消耗计算在内。因此单抗的培养环境一定要尽可能地好，从而得到更高的单位细胞株表达产率，这也反向印证了单层磁力搅拌器的生物反应器应用案例不多的原因：制药企业普遍会倾向于选择磁扭矩更大的、湍流形式更好的底部磁力多层搅拌器。

4.总结

本文总结了常用搅拌器的优缺点，可供单抗生产用大型生物反应器的用户和设备方案设计者参考。实际进行选型时，用户还需结合自己的需求、现有条件、流体力学、应用、工艺、设备、成本等因素综合考量，再参考CFD模拟、已经成功的应用案例、设备商的经验，做出最终判断，选择适合的搅拌器。

另外，除了进行单抗生产用大型生物反应器的设计时可以考虑本文所述的因素外，进行疫苗、生长因子、胰岛素等其他需要搅拌器生产的反应器或者发酵罐以及类似装备的选型时，也都可以参照本文内容作类比参考。