碟片式离心机中细胞培养澄清的剪切评估（一）

澄清大量细胞培养液是生物制剂纯化的第一步。去除细胞和细胞碎片等固体颗粒，然后将所得材料通过 0.2 µm 过滤器处理，以准备进行初级亲和层析步骤。通常，澄清涉及两级深层过滤或离心，然后进行单级深层过滤。Beckett 报告称，尽管两级、基于纤维素的深层过滤器是一种成熟的澄清技术，但相关的成本和空间限制将深层过滤工艺限制在 4,000 L 的培养体积内 ( 1 )。对于更大的容量，生物制造商更喜欢使用碟片式离心机 (DSC) 进行第一个澄清步骤 ( 1 )。

通过保持离心机进料流速 ( Q ) 与重力等效沉降面积 ( Σ )的恒定比率，可以扩大 DSC 工艺的规模。后一个变量表示在特定操作条件和设备设计下，颗粒在重力作用下沉降所需的面积 ( 2 )。因此，Q/Σ比率可作为离心机颗粒沉降能力的替代指标。应用该比率的假设是，受到离心力作用的固体颗粒具有抗剪切能力，并且在离心过程中保持完整。然而，哺乳动物细胞对剪切很敏感，损伤细胞会释放细胞内成分，例如宿主细胞 DNA (hcDNA)、蛋白质 (HCP) 和蛋白酶，这会增加澄清收获材料中的杂质负荷，并降低最终产品中的治疗性蛋白质水平 ( 3, 4 )。

随着公司将生物制剂生产从一次性设备中的小规模工艺转变为大规模生产，工艺工程师必须考虑 DSC 剪切的影响。应基于平衡颗粒沉降能力 ( Q/Σ ) 和剪切的设计空间来选择此类设备的操作条件。尽管现有文献包含有关Q/Σ比率的广泛讨论，但它并未提供直接的放大方法来评估碟片式离心过程中产生的剪切。在此，我们讨论了在 DSC 中根据离心机设计和操作参数评估剪切的三种方法：涡流长度、尖端速度和功率耗散模型。此外，我们还说明了 DSC 的操作设计空间，显示了颗粒沉降能力和剪切之间的平衡。

方法 1：粒子涡流长度

流体流动速度 (ϑ _L )：颗粒涡流长度模型假设圆盘间距之间的流体流动是层流的，流量均匀分布在所有可用的圆盘空间中，并且沉降颗粒不会返回圆盘之间的环形空间 ( 5 )。基于这些假设，公式 1 计算出流体流过圆盘之间环形空间的速度（图 1a）（5）。其中，Q表示离心机进料流量（m ³ /s），n _ds表示圆盘空间数量，A _avg是圆盘间距之间流体流动的平均横截面积。R o和R _i是离心机圆锥盘的外半径和内半径，h是_圆盘之间的距离或间距。

静态流体条件下离心力作用下的粒子速度 (ϑ _pcf )：当离心机转鼓旋转时，离心力使粒子加速从中心轴向外移动。公式 2 给出静态液体中粒子的离心速度 ( 5 )。其中，ρL 和 µL 分别代表流体的动态密度和动态粘度；ρ _L = 1015 kg/m ³和µ _L = 1.05 × 10 ^–3 Ps 是收获时典型细胞培养液的良好近似值 ( 4, 6 )。变量d _p表示粒径。

Maschke 等人报告称，中国仓鼠卵巢 (CHO) 细胞大小服从高斯正态分布，范围为 10 至 20 μm，预期平均大小约为 14.45 μm ( 16 )。因此，在细胞培养收获应用中，通常假设
d _{p为 14.5 μm (} 4 )。然而，在 DSC 应用中，对于以灌注模式运行的生物反应器的细胞再循环，建议采用更严格的 20 μm 值，因为大多数类型的（活）哺乳动物细胞的直径最大可达 20 μm。N是离心机转鼓的转速，单位为每分钟转数 (RPM)，ω 是角速度（以 1/s 为单位），R是旋转半径。对于剪切评估，作为一种保守方法， R被假设为R _o。