基于 KLa 的平行生物反应器一致性指标评价

K_La（体积氧传质系数）是生物反应器工程表征的重要参数，更是生物反应器工艺匹配放大的关键指标。多联平行生物反应器作为细胞培养工艺优化、表征研究中最常用，最重要的工具，我们在对获得的实验数据中会通常思考一个问题：我用的8x、16x反应器真的平行吗？怎么才能知道平行反应器的一致性呢？

我们常见影响反应器平行性的因素有：

• 电极性能不一致，响应时间差异

• MFC精度低，进气路阻力不均、分布歧管压力不平衡，各罐实际通气量偏离设定

• 重复使用的微泡通气孔有蛋白或细胞碎片残留，造成气流不一致

• 补料泵校准漂移、管路磨损差异，造成补料速率不一致

• 接种操作不同步的人为偏差

类似的影响因素还有很多，有些我们能够调整改善，但有些很难完全避免，所以从工程角度来说 “平行、一致”，从来不是绝对的相等，而是将偏差落在可接受范围内，即所有罐体只能追求工程等效（engineering equivalence），而非绝对一致。

按照DECHEMA（德国化学工程及生物技术协会）推荐两步评估思路，

• 第一阶段：水相空白工程测试（无细胞），测定关键工程参数

• 第二阶段：模式微生物 / 细胞培养，生物学验证，作为最终证据

在工程表征考察阶段，通常将k_La作为硬件平行性测试最关键的氧传质指标之一，将全部罐体设定在同一搅拌‑通气工况下（水空白测试，无细胞），采用动态法（Dynamic gassing‑out）同步测定k_La。获得所有罐体k_La及平均值、SD、RSD/CV；通常工业场景下反应器平行性接受标准：所有罐体K_La罐间RSD ≤10% - 15 %。亦或者不预设固定 RSD 阈值，采用TOST 等效性检验，基于你的工艺风险预先定义等效边界。

DECHEMA案例 实测2L生物反应器（带两层斜叶）的K_La 过程

Step1 准备好反应器及控制软件数据采集

Step2 两点校准DO电极

Step3 测量DO电极的响应时间

DO时间曲线下，电极响应时间t63%=τ63%=6.3s

Step4 按下列条件测量K_La，三次重复

平行反应器k_La测定实践过程中，DO电极响应时间、测试介质、气流精度，反应器硬件微小装配公差均会引入罐间测定偏差，测试过程需统一实验条件并校正DO响应滞后时间，减少系统误差。

多宁EXPLORE系列平行生物反应器采用光学DO电极，相较于传统极谱DO电极具有更快响应时间，抗干扰免维护等优势，适合高传质、高转速、高气量场景工况。

EXPLORE采用进口一线品牌的高精度MFC（<1% of Reading），控制软件内置K_La测试程序，一键启动简单易用，轻松帮助用户快速获得kLa数据并进一步确认反应器的氧传质指标的平行一致性。

单层斜叶D=45mm, Max-β_AIR=0.01VVM, Max-μ_Tip=0.47m/s，20 μm Sparger，

平行生物反应器k_La测试软件及曲线（CV<10%）

结论：平行性验证的本质目标是证明多罐体流体力学、传质、混合性能足够接近，工艺结果差异不会影响实验结论。平行生物反应器一致性良好，是后续实验开展的重要前提。

Scale down model-Explore 3L Bioreactor (Duoning)

Scale up to 2000L SU Bioreactor (Duoning)

Scale up to 6000L SS Bioreactor (Duoning)

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参考文献：

[1] Bauer I, et al. Recommendations for process engineering characterization of single‑use bioreactors and mixing systems by using experimental methods[R]. Frankfurt am Main: DECHEMA, 2020. 

[2] Seidel S, Maschke R W, Werner S, et al. Oxygen Mass Transfer in Biopharmaceutical Processes: Numerical and Experimental Approaches[J]. Chemie‑Ingenieur‑Technik, 2021, 93(1‑2): 42‑61. 

[3] Bioprocess‑Tools. How to Qualify a Scale‑Down Model for Bioprocess Development. 2026. 

[4] ICH. Q8(R2) Pharmaceutical Development[S]. International Council for Harmonization, 2009.