将 pH 值保持在健康的生物水平可能是上游生物工艺中提高产品滴度的最有效工具。生物反应成本高昂且运行时间长，因此最大限度地利用每次运行至关重要。
哺乳动物细胞仅在 pH 值介于 7.1 和 7.4 之间的环境中存活。但这些细胞自然产生二氧化碳作为呼吸作用的副产品，导致 pH 值降低。细胞自然具有去除二氧化碳和防止有毒物质积聚的机制，以及将其 pH 值保持在健康水平的缓冲系统。生物反应器需要模拟这些特征，以确保细胞能够茁壮成长。
什么会影响培养的 pH 值？
在生物反应器运行开始时，培养基中的缓冲液将 pH 值保持在所需水平。甚至可以加入二氧化碳以保持低 pH 值。但在培养物的指数生长期，细胞会产生大量的二氧化碳作为代谢废物。缓冲液破裂，pH 值迅速下降。
此时，需要提高培养物的 pH 值。从历史上看，碱是被泵入培养基中的。现在，较新的生物反应器设置使用大分布器引入大气泡的空气或氮气。这些气泡不容易溶解，因此它们会从培养物中剥离二氧化碳，将其带到生物反应器的顶部空间，在那里被去除。
最近的文献仔细研究了在生物反应器中控制 pH 值的最有效方法。在这里，我们将四种 pH 控制方法从最无效到最有效进行了排名。
效果最差：保持 pCO2不断
溶解二氧化碳分压 （pCO2） 是一个关键的工艺参数，因为它会影响细胞内和细胞外的 pH 值。聚碳酸氢化合物
确定细胞内二氧化碳（作为细胞生长的副产物产生）离开细胞并进入培养基的浓度梯度。如果 pCO2太高，CO2不能离开细胞，因此细胞内 pH 值会下降，细胞会死亡。如果 pCO2太低，细胞损失将 CO2太快，它们的 pH 值会升高，细胞内环境会变得太基本，细胞无法存活。
聚碳酸氢化合物2影响 pH 值，但它们并不紧密相关
特别是在缓冲 pH 范围内，pCO2和 pH 值没有直接关系。因此，pCO2与 pH 测量相比，提供有关培养物健康状况的信息要少得多。
其主要原因是，在细胞活力范围 （pH 7.1 – 7.4） 内 pH 值发生微小变化时，（细胞外）培养基中的碳酸氢盐缓冲液会影响 pCO2根据 Le Chatelier 原则。
此外，哺乳动物细胞除了二氧化碳外，还会产生乳酸作为呼吸作用的副产品。乳酸和一氧化碳2两者都使培养物更具酸性，但乳酸对 pH 值的影响并未反映在 pCO2中测量。
缓冲液破裂且 pH 值开始显著下降后，pCO2和 pH 值的关系要密切得多。但它仍然不是监测和控制 pH 值的有效手段，而 pH 值是真正影响细胞滴度增加的变量。
效果较差：将碱基泵入培养物中
细胞在指数生长期产生大量二氧化碳，导致 pH 值显著下降。一种简单的解决方案是使用 pH 传感器的直接反馈将底座泵入生物反应器。
此方法在以下情况下最有效：
- 较小的生物反应器，其中不均匀混合和 pH 定位的影响可能可以忽略不计。
- 低 pCO2 的环境和低 pH 值，细胞产生 CO2它迅速溶解，进一步降低 pH 值，并且不能用鼓泡气体去除。
- 发酵罐发酵罐培养微生物细胞，比哺乳动物细胞更坚韧。它们都可以处理增加的搅拌和混合，并且对 pH 值波动不太敏感。
泵送底座不能保证整个生物反应器的 pH 值恒定
为了获得高产品滴度，整个生物反应器中的 pH 值需要恒定，这需要充分混合。否则，将出现 pH 值特别高或特别低的局部口袋。但混合会导致泡沫并增加剪切应力，这两者都会损害细胞活力。
随着生物反应器尺寸的增加，这些问题会变得更加复杂，这意味着泵底座根本无法很好地扩大规模。混合时间和搅拌都需要随着生物反应器的尺寸而增加，以避免定位恶化，但这是以增加泡沫和剪切应力为代价的。
泵入碱也会增加培养物的渗透压（每千克培养基的溶质）。在较大的生物反应器中，这会降低细胞活力和产物滴度。
更有效：将泵底和喷射气体相结合
传统的 pH 值控制方法包括在细胞培养的早期阶段将碱泵入生物反应器，然后在指数生长期使用喷射气体。碱在缓冲液破裂后立即特别有用，鼓泡气体提供严格控制，以实现培养物的最大产量。
泵座有明显的缺点，而喷射气体有明显的优势
最新的设置主要使用鼓泡气体来控制 pH 值。最近的文献已经从其他方法转向专注于利用 pH 和其他关键工艺参数（包括 pCO2）的反馈来优化喷射气体的控制回路
最有效：仅使用喷射气体
与讨论的其他方法相比，鼓泡气体可以更紧密地控制 pH 值，主要是因为它们可以对其他关键工艺参数的变化做出最快的反应。喷射气体的混合物还提供了最精确的控制，并能够响应来自生物反应器中各种传感器的最大量信息。
具体来说，有几个因素使此方法最有效：
- 喷射速率仅受将气体输送到喷射器的质量流量控制器的最大流量的限制。特定的微型和宏观分布器可以根据所需的流速和已知的传质原理进行设计和缩放。
- 来自喷射器的气泡可以均匀混合，并且比碱气扩散得更快，并且搅动要小得多。
- 喷射气体的缩放效果非常好，因为喷射速率和气泡大小通常不需要随着生物反应器的缩放而改变。Hoshan 等人 2018 年的一项研究保持了喷射速率恒定，并简单地增加了顶部空间曝气以补偿增加的生物反应器尺寸。他们发现，通过在 pH 值和喷射空气之间建立更优化的控制回路，30 L 和 250 L 生物反应器中的滴度增加了相似的量。
智能分布器工程和控制回路设计至关重要
如果气体流入太快，它们会引入剪切应力。如果气体流入太慢，细胞将无法像其他方式那样快速繁殖，也无法达到最大产量。
相比之下，设计良好的喷射器将很好地扩展并产生始终如一的高滴度。