Supermag®磁悬浮应用系列

——[生物制药]

01.细胞培养过程中的剪切力

剪切力几乎存在于所有生物工艺流程中，也是细胞培养过程中重要的影响因素。

当施加在细胞上的剪切力太大时，会导致活细胞减少以及细胞内容物的释放，如蛋白酶、未经处理产物、宿主细胞蛋白、DNA 等，其结果是，产品质量和产量下降。此外，也会对监测设备和控制造成干扰。

因此，低剪切的生物工艺装置设计至关重要。在此前我们先了解下为什么会产生剪切力？

02.影响细胞培养过程中剪切力产生的因素

细胞培养过程中，剪切力产生的很大一部分原因是受到流体运输系统（液体泵）、配液系统（搅拌）及整个运输管路的设计影响。传统离心泵、齿轮泵或其他类型的旋转泵及混合器中，过度剪切的现象尤其明显。

如流体运输环节：如果流体流动时受到挤压（由于流体流入传统泵机的缝隙或动态密封），或在管道连接处流体汇合到一起时产生冲击就有可能会造成流体的损坏；

制药环节中可能产生气泡或带来细胞损伤的结构

再比如配液环节中：传统搅拌方式的电机轴承带来的摩擦、桨叶与细胞间的摩擦、以及因搅拌环境不稳定引入气体而产生的气泡，都会为细胞的培养环境带来高剪切的负面影响。

总体来说，装置带来的剪切因素主要归纳于以下几点：

 1、细胞的泵送装置ー如长期灌流培养产生的剪切。

２、细胞和配液系统中部件的碰撞，如传统搅拌中，轴承、桨叶摩擦产生的剪切。

３、当流体环境不稳定时，因气泡形成而产生的对细胞的各种力。

因此，液体输装置、搅拌混匀系统对细胞流体的保护至关重要。整个工艺环节中，流体产生的能量越少，流体的整体性就越好，换言之温和、洁净、稳定的流体解决方案可以最大限度地减少或避免剪切力等影响。

03.磁悬浮流体解决方案——降低细胞培养工艺过程中的剪切力

随着连续培养工艺的兴起及不断进步，制药产业对于各个生产环节的要求也在逐步提高，除无菌、洁净外，行业也将对剪切力影响的控制纳入了高优先级，尤其是在长时间的流体输送环节中（灌流），细胞等敏感介质通过泵送系统进行循环运输，剪切力的影响将被不断放大，如何有效的降低剪切力对生物制品造成的破坏，成为当下各大制药厂商对泵机的重要考量标准。

新型流体运输解决方案

【SCP系列磁悬浮泵】

苏磁SCP系列磁悬浮泵

基于主动磁悬浮技术研发的SCP磁悬浮泵，是目前生物制药中流体运输的首选考量方案。其无轴承设计，避免了传统泵机机械轴承可能带来的动密封影响，在精确稳定控制的同时提供低剪切力环境，同时SCP磁悬浮泵长期稳定的高洁净运行也为生物制药的产能、质量提供了保障。以长时间的灌流培养过程为例，相关文献指出：在相同的生产周期内，采用磁悬浮泵的TFF相较传统蠕动泵，可连续生产时间提升了一倍左右，且从物理上杜绝了因蠕动泵高剪切带来的影响：如因剪切导致的细胞裂解和死亡、产生碎片或释放核酸、蛋白造成膜孔堵塞、降低细胞通量，影响产能。

相较传统几种类型的泵（蠕动泵、隔膜泵、回转凸轮泵和齿轮泵等），SCP磁悬浮泵为流体的运输过程带来的巨大性能优势可以归纳于以下几点：

1. 磁悬浮转子，无任何机械摩擦，无颗粒产生。

2. 高纯度、低析出、耐腐蚀、保证介质洁净。

3. 智能控制，支持正反转，转速在线可调，保证稳定的流量和压头。

4. 无需动密封，降低泄露风险。

新型介质混匀解决方案

【MSS磁悬浮搅拌系统】

苏磁MSS磁悬浮搅拌系统

在各类介质搅拌混匀过程中，MSS磁悬浮搅拌系统可以为细胞流体提供温和、洁净的长期搅拌环境，将细胞损伤降至最低。磁悬浮小翼桨叶的结构设计，改善了流体性能结构，提升混合效果，也避免了机械摩擦和异物生成，对于高粘度液体，也可通过精确操控磁悬浮桨叶的运动，实现优良的工艺效果。

MSS磁悬浮搅拌系统在介质混匀方面的优势可以归纳于以下几点：

1. 磁悬浮桨叶，无机械摩擦、高洁净、不产生异物

2. 低剪切，适用于高纯敏感液体搅拌

3. 智能控制，支持正反转，可精确操控桨叶的运动

4. 转速范围可调，1rpm-1000rpm

5. 耐腐蚀，低噪音，维护成本低

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参考文献：

1.D.Mazzei, M.A.Guzzardi, S.Giusti, et al., A low shear stress modular bioreactor for connected cell culture under high flow rates. Biotechnology and Bioengineering, 2010

2.J.C.Rivera, J.Chen, Computational fluid dynamics modeling of cell cultures in bioreactors and its potential for cultivated meat production—A mini-review. Future Foods, 2022.

3.J.Zhong, Reent advances in bioreactor engineering, Korean Journal of Chemical Engineering, 2020.

4.K.Ronnuru, J.Wu, P.Ashok, et al., Analysis of stem cell culture performance in a microcarrier bioreactor system.

5、ASME，《生物加工设备》（2016年），www.asme.org/products/codes-standards/bpe-2016-bioprocessing-equipment，2017年1月6日

6.Magdalena, Hubert, et al. Product sieving of mAb and its high molecular weight species in different modes of ATF and TFF perfusion cell cultures, 2023

7.BI-Publication_-Shear-contribution-to-cell-culture-performance-and-product-recovery-in-ATF-and-TFF-perfusion-systems.

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