在现代生物药物的开发和制造过程中，生物反应器被广泛用于培养细胞。细胞对培养环境条件的变化（例如曝气、搅拌、营养和 pH 值）非常敏感。本文讨论了曝气的重要性以及控制生物反应器内氧传质系数 (kLa) 的可用方案。
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向细胞输送氧气
在细胞培养中，氧气是细胞生长、生产和维持活动的关键底物。细胞以游离和非化合物形式获得氧气，称为溶解氧 (DO)。生物反应器最重要的功能之一是通过称为曝气的过程向细胞连续提供溶解氧。
生物反应器的曝气过程通常如下：
- 氧气通过覆盖层扩散到细胞培养基界面。
- 分布器喷出的氧气在搅拌的作用下通过对流溶解在细胞培养基中。
搅动分散氧气气泡，并促进气泡通过气-液（细胞培养基）界面传质。从气体到液体界面的氧转移速率 (OTR) 是细胞培养基的物化性质、生物反应器的几何参数以及细胞数量的函数。
液体中的气泡图，显示了气泡如何释放、溶解并转移到细胞中。
氧气利用率 (OUR) 通常取决于细胞系。下表列出了常见的工业细胞系的氧气利用率（Ruffieux, P. A. 等人和 Xiu, Z. L. 等人）
生物制造中常用细胞系的氧气利用率
| 细胞系 | OUR [10-13mol/细胞/小时] |
|---|---|
| DG44 (CHO) | 2 |
| CHO | 5.0 – 8.04 |
| NSO（骨髓瘤） | 2.19–4.06 |
| MAK（杂交瘤） | 4.16 |
| FS-4（人二倍体细胞） | 0.5 |
| HFN7.1（杂交瘤） | 2 |
由于其在液相中的溶解度低以及细胞随时间的代谢消耗增加，要连续地向细胞培养基中供应氧气。通过操作生物反应器参数，可以精心控制氧气供应量，实现最佳细胞生长。
在分批细胞培养过程中，OUR（或 OTR）在滞后期初很低，此时细胞是自合成的，细胞密度几乎不增加。随着细胞密度在指数期有所提高，OUR 也随之增加，直到 OTR 变为极限速率为止，这取决于氧气向散装液体中的传质情况。
细胞生长阶段
OTR 和 OUR 速率与氧气传质系数 kLa 相关。因此，基于与 kLa 的相关性，OTR 定义了在细胞培养中可以达到的理论最大细胞密度。
kLa 值的作用
由于与细胞密度有关，kLa 值特别适合在以下情况下使用：
场景 1：同一生物反应器平台内的扩容能力评估
传统的生物工艺的放大是基于物化和几何相似性。在这种情况下，kLa 保持恒定。而对于具有几何相似性的生物反应器平台（例如，Xcellerex 生物反应器），OTR 应保持不变。通过改变生物反应器在不同规模下的物理特性，在受控的温度、pH 和 DO 下提供必要的 OTR，进而实现目标细胞密度。
方案 2：跨生物反应器设计的技术转移
在比较过程中，将工艺从一种生物反应器平台转移到另一种时，kLa 被用作目标性能指标。通过更改生物反应器的硬件设计（例如，搅拌器的几何形状和曝气‑分布器选件）和运行参数（例如，气体流速或功率输入）来实现相似的 kLa，从而提供相似的细胞密度。
kLa 等式
设想液体中有气泡。在本讨论中，气泡含氧，液体是生物反应器中的液体，则 kLa 可用下式表示：
kLa = kL × a
- 其中 kLa 是从气相到液相的传质系数，以秒为单位‑1
- kL =液体侧传质系数（气体侧膜阻力可忽略不计）
- a = 气泡表面（可用于扩散）
细胞生长阶段。
影响 kLa 值的关键变量
工艺和工程参数或物理特性的任何变化都会对 kLa 产生影响，因此在评估生物反应器平台和进行放大计算时应考虑这一点。
以下是四个可能影响 kLa 值的关键变量：
1. 气泡尺寸
当气泡尺寸减小时，表面积和气体停留时间会增加，导致气泡在培养基中的停留时间延长。因此，氧向细胞培养基中传质的可能性更大。氧停留时间的增加会使 kLa 增大。
2. 混合
在生物反应器中，混合用于消除浓度（细胞、气体、培养基和营养物）、温度和其他特性的梯度。混合时间被广泛用于表征生物反应器中的混合效率。混合效率是影响生物反应器性能和放大倍数的最重要因素之一。
气泡的大小和停留时间在很大程度上取决于三种混合条件：叶轮的类型、速度和位置。kLa 值通常随着叶轮端部速度的增加而增加。端部速度与可能导致细胞死亡的剪切力成正比。因此，生物反应器采用不同的叶轮类型、组合和位置设计，实现在不产生剪切力的情况下达到目标 kLa 值。
通常，kLa 值与叶轮的设计密切相关，Rushton 通常高于桨叶，而桨叶通常是高于船用和斜桨叶轮。
生物反应器工艺图，显示了可能影响 kLa 值的关键因素。
3. 空气流速
更高的氧可用性促使 kLa 增大。增加对生物反应器的氧气供应会增加氧可用性，通过更改浓度（空气与 O2 富集）和体积流量可控制氧可用性。尽管高 kLa 值比较理想，但仍要考虑实际的操作条件以及对细胞活力和相关工艺成本的影响。
例如，由于剪切力，高空气流速会导致细胞损坏。也可能会产生过多的泡沫，从而需要高浓度的消泡剂，进而可能会妨碍下游加工。另外，较高的空气流速需要较大的排气过滤器面积，从而导致耗材成本增加。
4. 液体或培养基的性质
在细胞培养过程中，小气泡碰撞并聚结形成较大的气泡，从而降低表面积 (a)，进而减小 kLa。请注意所报告的 kLa 值使用高盐浓度计算得出，因为高盐浓度可防止气泡聚结。消泡剂用于影响表面张力，从而减少气泡的聚结和起泡。
但是，该原理并不一定总是会导致 OTR 增大，其中消泡剂还会降低气泡迁移率，从而降低 kLa (Doran, P.)。
影响细胞培养 kLa 的其他因素
5. 测量方式
可以采用几种不同的测量方式。最常用的方法是氮气汽提（即脱气）方法。
采用同一平台进行工艺放大时，使用相同的方法测量 kLa 非常重要，如果结合使用工艺工程参数（即端部速度、功率输入）时，可以利用 kLa 可以对大小生物反应器进行细胞密度比较。
6. 温度
温度升高会反过来影响体积传质系数和培养基中的氧溶解度。氧在纯水中的溶解度随温度的升高而降低（即温度在 35°C 至 30°C 之间时，氧溶解为 ‑0.5 × 10‑3 kg/m‑3；Doran, P.）。
因此，要注意供应商提供的表征数据中的温度条件。
7. 分布器的特性
kLa 值会随着分布器特性（包括数量、孔径和表面积）的不同而产生较大差异，此类因素会影响气泡大小、气体速度和流量。
结论
如上所述，kLa 会受多种因素影响。对生物反应器平台的物理设计、混合机制、喷射选项以及细胞系特性的透彻了解可为细胞培养放大工艺决策提供依据。
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