哺乳動(dòng)物細(xì)胞對環(huán)境變化高度敏感，大小規(guī)模反應(yīng)器中工藝表現(xiàn)不一致成為放大的主要挑戰(zhàn)，其中高二氧化碳分壓( pCO₂ ) 問題給大規(guī)模反應(yīng)器中細(xì)胞生長、代謝、蛋白產(chǎn)量與質(zhì)量及糖型等關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)帶來嚴(yán)重影響。而相關(guān)文獻(xiàn)指出pCO₂通常在30 ～ 80 mmHg 較合適。

CO₂是有氧呼吸的產(chǎn)物之一，同時(shí)作為底物參與回補(bǔ)反應(yīng)。哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中，CO₂的來源包括細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO₂、培養(yǎng)基中NaHCO₃的分解和控制pH 值加入的CO₂和 NaHCO₃/Na₂CO₃等。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)大多使用碳酸-碳酸氫鹽( H₂CO₃-HCO₃^－) 緩沖系統(tǒng)，因此CO₂ 存在如圖1的平衡反應(yīng)，K1和 K2 為反應(yīng)平衡常數(shù)( 37 ℃ ) ，kLaCO₂為CO₂體積傳質(zhì)系數(shù)，CTR為CO₂傳質(zhì)速率( Carbon dioxide transfer rate) ，還可以用CO₂逸出速率表示( CO₂ stripping rate) ，CER為CO₂轉(zhuǎn)化速率( Carbon dioxide evolution rate) 。

pCO₂在小規(guī)模反應(yīng)器中通常不作在線控制，在放大后極易出現(xiàn)波動(dòng)和升高，導(dǎo)致工藝放大的不確定性。細(xì)胞培養(yǎng)特別是高密度細(xì)胞培養(yǎng)工藝放大中，如何實(shí)現(xiàn)氧氣供應(yīng)和CO₂逸出的平衡，挑戰(zhàn)依然很大。為了減小放大過程中高pCO₂的風(fēng)險(xiǎn)，在工藝條件的優(yōu)化方面，合理的pH 控制策略可以避免規(guī)模間pCO₂差異。在大規(guī)模參數(shù)的控制方面，首先在反應(yīng)器設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，需要考慮攪拌槳/擋板和安裝位置，確保反應(yīng)器中良好的混合;其次可使用大孔鼓泡器，優(yōu)化空氣/氮?dú)夂脱鯕獾牧魉俸捅壤?，以增加CO₂逸出。最后，新型pCO₂ 預(yù)測模型聯(lián)合在線CO₂ 傳感器的使用，可以實(shí)現(xiàn)pCO₂的在線檢測和反饋控制。隨著模型預(yù)測控制( Model predictive control，MPC)的發(fā)展，通過預(yù)測工藝參數(shù)未來的軌跡，再反饋給系統(tǒng)采取行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工藝與歷史工藝表現(xiàn)一致，也將是細(xì)胞培養(yǎng)中pCO₂ 控制的發(fā)展趨勢