在生物反应器中保持无菌状态对于培养肉生产至关重要。污染可能会毁掉整个批次，浪费资源，并扰乱计划。本文概述了防止污染的实际步骤，从系统设计到实时监控和污染响应。关键点包括：
- 污染来源：原材料、设备设计缺陷、人为错误和空气中的颗粒物。
- 预防策略：使用无菌过滤器、伽马辐照的一次性组件和封闭系统。
- 灭菌方法：多次使用的生物反应器采用就地蒸汽灭菌（SIP），一次性部件采用伽马辐照。
- 监控工具：用于氧气和pH值的在线传感器、在线光密度测试和微生物采样。
- 响应协议：快速测试、根本原因分析和纠正措施以最大限度地减少停机时间。
对于扩大运营的英国团队，像
生物反应器无菌的五阶段污染预防框架
主要污染来源
原材料和水
原材料在生物反应器中的污染风险中起着重要作用。如果生长培养基成分没有适当灭菌，它们可能会将微生物引入系统。水系统是另一个薄弱环节。生物膜在水分配表面形成的生物膜尤其麻烦 - 它们抵抗过滤并持续释放细菌，通常在污染成为重大问题之前未被注意到[5]。
污染的影响可能非常严重，产量减少50-100%，细胞生长停止，并浪费数千英镑的培养基、生长因子和劳动力[3][5]。为了降低这些风险，使用0.45微米过滤器进行水的预过滤和选择伽马射线辐照的一次性组件是有效的措施[3][5]。除此之外，精心设计的设备对于避免类似问题至关重要。
设备和系统设计
生物反应器硬件的设计和维护对于防止污染至关重要。像密封件、垫圈、阀门和管道连接处这样的组件如果残留物被困住且难以清洁，可能成为微生物生长的热点[3][6]。一次性系统也不例外；在设置过程中刺破或连接不当可能引入污染物，即使组件已预先灭菌[3]。
多次使用的生物反应器面临更大的挑战。灭菌过程往往不够彻底——基本的真空或重力灭菌循环可能无法去除所有空气，导致系统内温度无法达到所需的121°C。这会留下“死角”和阴影区域，微生物可以在其中存活。生物指示剂测试表明，如果没有预真空脉冲，即使温度传感器显示已达到要求，灭菌仍然不完整[2][6][8]。连接器内外部的空腔特别成问题，因为它们为污染创造了直接通道，应避免使用[4]。除了硬件之外，人类行为和环境条件在保持无菌方面也起着重要作用。
人类和环境因素
人为错误是污染的主要原因。糟糕的穿戴习惯、不充分的手部卫生或跳过生物安全协议可能会将微生物引入无菌环境[3][5]。例如，案例研究强调了在没有无菌管道的情况下不当插入探针如何导致污染率达到20–30%。同样，在非层流区域不戴手套操作导致培养基中的细菌在短短24小时内过度生长，完全扰乱了培养肉类试验[3]。
环境条件进一步加剧了这些风险。微生物可以搭载在空气中的颗粒上，通过不充分的HEPA过滤或开门时进入，并沉积在暴露的培养基或设备上。即使在符合ISO 7标准或更高标准的洁净室中，瞬态事件也可能导致污染率在100次操作中达到一次 [3][5]。气体供应也需要0.45微米的过滤器来阻挡颗粒，因为非无菌气体可能会将污染物引入原本密封的系统 [3].
解决这些问题的最实用方法之一是通过全面的人员培训。行业数据显示，有效的培训可以将人为错误减少80%，使其成为污染控制的高性价比策略 [3].
无菌生物反应器系统的设计与验证
卫生生物反应器设计原则
精心设计是降低生物反应器系统中污染风险的关键。使用电抛光不锈钢（表面粗糙度为Ra < 0.4 µm) 通过消除细菌可能滋生的微小缝隙来帮助防止微生物附着[3][4][5]。同样，卫生焊接必须光滑且无缝隙，连接器应避免内部空腔以确保彻底清洁[4]。
为了进一步保护系统，所有气体和液体通道应配备0.2 µm无菌过滤器，可阻挡超过99.9999%的细菌[3][5]。对于处理高颗粒物的系统，0.45 µm预过滤器可以在保持适当流速的同时延长无菌过滤器的使用寿命[3][5]。封闭系统设计，配有可擦拭阀门，允许无菌介质添加而不将生物反应器内部暴露于空气中的污染物 [3][4][5]。
灭菌方法
一旦生物反应器设计确保卫生，有效的灭菌方法对于维持无菌状态至关重要。对于多次使用的不锈钢生物反应器，原位蒸汽灭菌（SIP）是黄金标准。此过程使用121°C的饱和蒸汽20-30分钟以消除微生物存在 [3][6][11]。然而，基于重力的蒸汽循环可能会留下空气袋，称为“死角”，尽管温度传感器显示条件正常，但这些地方可能滋生微生物 [6][11]。预真空模式通过在蒸汽注入前去除空气来解决这个问题，确保像头板、管道和过滤器等组件的均匀灭菌[6][11].
在SIP之前，使用碱性或酸性溶液进行就地清洗（CIP）循环，然后用水冲洗，去除可能屏蔽微生物的残留物[6][11]。对于一次性塑料部件，如袋子和管道，伽马辐射提供终端无菌性而不会造成热损伤。然而，这种方法不适用于不锈钢，因为不锈钢能够阻挡辐射[3][7][11]。一次性系统通常预先灭菌供应，从一开始就减少了污染风险[3]。
系统验证和确认
为了确保一致的性能，严格的验证至关重要。此过程确认生物反应器在实际生产条件下可靠运行——这是培养肉生产的关键步骤。
安装确认 (IQ) 确保设备正确安装和校准，而 操作确认 (OQ) 在最坏情况下测试 SIP 和 CIP 循环，以确认系统在整个过程中始终保持 121°C [10]。最后，性能确认 (PQ) 涉及使用培养基进行生产模拟，以验证多个批次的无菌性 [10]。
过滤器完整性测试在此验证过程中起着至关重要的作用。气泡点测试检查湿润的过滤器是否能承受特定的空气压力 (e.g., 3.5 bar for 0.2 µm polyethersulfone filters) without leaking [5]。扩散流量测试测量气体渗透率（通常低于100 ml/min），进一步确认过滤器达到超过99.999%的细菌保留率，如ASTM F838-05标准[5]所述。验证研究表明，生物反应器系统符合无菌要求，在48小时和96小时的污染检测中均为100%阴性结果，符合欧洲药典标准[4]。
减少细胞培养污染：污染来源
无菌培养基制备和处理的最佳实践
为了最大限度地降低污染风险，遵循严格的培养基制备和处理协议对于保持无菌状态至关重要。
原材料质量控制
污染通常源于原材料，因此供应商资格认证是关键步骤。培养肉设施应进行供应商审核，以确保符合GMP标准，评估其质量体系，并建立技术协议。这些协议应概述无菌要求、内毒素限值（通常低于0.25 EU/ml），并确认无支原体污染[5]。
收到材料后，应彻底检查包装完整性、防篡改封条和标签准确性。每批次必须附有分析证书，验证身份、纯度、pH值和渗透压等关键指标。高风险成分，如水解物、生长因子和酵母提取物，需要额外的生物负载测试，限值通常设定在10 CFU/100 ml以下[5]。对于英国的团队，将这些措施与MHRA指南对齐将支持未来的法规合规性。
一旦原材料通过这些严格的检查，保持无菌状态在培养基制备过程中就成为下一个关键重点。
培养基制备和储存
使用封闭的混合系统对于防止在培养基制备过程中暴露是至关重要的。配备无菌通气过滤器、磁驱动搅拌器和无菌连接器的一次性混合袋可以在不影响密闭性的情况下进行安全的制备和转移[3][5]。或者，可以使用具有SIP/CIP功能的不锈钢容器，前提是它们配备有0.2 µm通气过滤器和可蒸汽灭菌的管线。
对于热敏性培养基，必须进行无菌过滤。这涉及使用0.45 µm预过滤器，然后是0.2 µm 终滤器，过程在生物安全柜或封闭系统内进行。完整性测试，如气泡点检查，应在过滤前后进行。一旦准备好，培养基必须储存在预先灭菌的密封容器中，温度为2–8°C，储存时间由稳定性研究决定[5]。标签应清楚显示制备日期和时间（e.g., 15/03/2026 14:00）、储存条件和有效期，以确保可追溯性。
在制备和储存安全后，注意力必须转向处理过程的人员。
人员和程序控制
操作员在保持无菌方面起着关键作用，必须遵循严格的无菌技术。这包括佩戴无菌手套、头发和胡须罩、口罩和连体服，并遵循详细的标准操作程序（SOP），其中包含图形流程图、定义的关键控制点和验收标准[3][5]。全面的无菌技术培训是强制性的，每年需要重新认证，并且有明确的穿戴程序，将更衣区域分为不同阶段。
为了尽量减少污染风险，操作员应谨慎工作以避免产生湍流，定期消毒手套，并限制在开放设备上的移动。常规环境监测，如测试手套指尖板，确保操作员行为保持在可接受的范围内。此外，
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监测和应对污染
即使采取了最严格的预防措施，污染仍然可能发生。这就是为什么早期检测如此重要。实时监测系统和结构良好的响应协议使培养肉设施能够快速发现问题并减少生产损失。下面，我们将探讨用于监测污染和有效响应的工具和策略。
在线和旁线监测
在线传感器是第一道防线，提供连续数据而不破坏无菌环境。这些传感器跟踪关键参数，如溶解氧 (DO)、pH、温度、搅拌功率和废气成分（O₂ 和 CO₂ 水平）[3][9]。当发生污染时，微生物群体与动物细胞争夺重要的营养物质和氧气。这种竞争通常会导致明显的变化，例如 DO 的突然下降——这是氧气消耗增加的指标——或异常的呼吸商（CO₂/O₂ 比率），这通常表明微生物活动而非正常细胞行为[3][9]。
在线监测通过允许对从生物反应器中取样的快速测试来补充在线传感器。光密度测量（OD₆₀₀ 或 OD₆₅₀）等技术可以检测外来微生物的生长，同时显微镜检查异常的细胞结构e.g。, 杆菌或芽殖酵母) 和葡萄糖、乳酸或氨的读数超出预期模式提供了进一步的见解 [9]。ATP 生物发光测试特别有用，能够在数小时内提供微生物存在的反馈，从而实现更快速的响应 [5]。为了使这些工具有效，设施应为每个参数建立正常操作范围并设置警报限值——通常为偏离预期趋势的 10–15%——以触发立即行动，例如增加采样或暂停饲料添加 [9]。
虽然传感器数据提供即时警报，但实验室测试在确认长期无菌性方面起着关键作用。
微生物测试和环境监测
定期的微生物测试确保在整个生产过程中保持无菌状态。可行菌落计数（生物负载测试）应在关键阶段（如接种、中途运行和预收获）每周对制备的培养基和生物反应器样品进行一次[4]。对于高价值种子生物反应器运行或新培养基批次，通常需要使用如膜过滤或直接接种并进行14天孵育期的方法进行无菌测试[4]。更快的替代方法，如靶向PCR或qPCR面板，可以筛查常见的细菌和真菌污染物，并在短短几个小时内提供结果。
支原体测试尤为重要，因为这种隐藏的污染物在哺乳动物细胞培养中无法通过标准细菌平板检测到。应在种子传代的关键点，包括主细胞库和工作细胞库，以及N–1或N–2生物反应器中进行PCR或qPCR检测。这些测试应至少在每个新细胞库中进行一次，并定期（如每季度）对每条生产线进行。环境监测应重点关注生物反应器周围的高风险区域，如顶板、端口、取样点和接种时使用的生物安全柜。可通过可行空气采样、生物反应器附近的沉降板以及设备和传输面板上的表面拭子等方法识别污染风险。收集6-12个月的基线数据可以建立警报和行动限制，当超出这些限制时，会触发加强清洁和调查工作。
污染响应协议
快速检测只是战斗的一半——有效的响应对于维持无菌状态至关重要。当怀疑有污染时，结构化的决策树将指导下一步行动。如果检测到偏差或阳性快速测试，第一步是验证仪器的准确性，重复测量，并取无菌样本进行进一步测试，包括显微镜检查、光密度和ATP生物发光。受影响的批次被置于“嫌疑”状态，工艺变更暂停，等待评估。进行额外测试，如革兰氏染色和针对细菌、真菌或支原体目标的快速PCR/qPCR，同时加强在线监测以收集更频繁的数据。如果快速测试为阴性且参数稳定，批次可以重新分类，并记录所有理由。
如果快速测试确认污染或异常趋势持续存在，则在6-48小时内启动全面调查。这包括平板计数、无菌测试和环境监测数据的审查。根本原因分析 (RCA) 检查过去48-72小时内的所有近期干预、材料添加和设备更改。批次保持隔离状态，不进行下游处理。最终决定取决于污染的类型和程度、生产阶段以及监管要求。在大多数情况下，确认污染会导致批次被丢弃，尽管边缘情况可能会根据特定因素进行评估以确定潜在的挽救措施。在恢复生产之前，必须实施并验证纠正措施，例如延长灭菌周期、重新验证设备或更新标准操作程序 (SOPs)。这些协议确保可靠性，并帮助设施保持符合英国和欧盟标准，
如何Cellbase 支持无菌解决方案
无菌是培养肉生产的基石，实现无菌不仅需要严格的协议，还需要可靠的组件，如预灭菌的培养基袋、经过验证的过滤器、无菌连接器和兼容的管道。对于从实验室规模实验过渡到试点或商业生产的英国团队来说，采购这些专业组件可能具有挑战性。这就是
采购无菌准备组件
的平台通过允许用户根据关键的无菌标准过滤列表，简化了无菌准备组件的搜索。这些标准包括：
通过市场，团队可以比较诸如0.2 µm 无菌级液体过滤器、0.2–0.45 µm 气体过滤器 用于生物反应器通气口，经过伽马辐照的单次使用组件和预装管道。所有组件均明确标记用于封闭的生物反应器系统。对于英国用户，平台提供 £ 的定价，以及交货时间和最小订购量。这种透明度有助于生产团队准确地计算每批次的成本，并计划从小升规模操作扩展到处理数百升的系统。通过减少对未经验证的临时组件的依赖，
构建兼容的设备生态系统
无菌性不仅仅关乎单个组件；它还关乎确保所有设备无缝协作。
使用
监测作为第二层防御。对温度（37°C）、pH值（6.8–7.4）、溶解氧（30–60%）和CO₂水平（<10%）等关键参数的持续检查可以快速标记任何偏差。按照欧洲药典2.6.27指南使用Bact/Alert系统进行的定期微生物测试，可以在48–96小时内确认无菌性[1][4]。经过验证的膜生物反应器设计在这些测试中显示无微生物生长，证明了稳健的控制能够提供结果[4]。在发生污染的情况下，快速响应协议可以最大限度地减少停机时间并防止重复问题[7][10]。
对于在英国将操作从实验室扩展到试点或商业生产的团队来说，这些实践是长期成功的关键。它们为主动的设计即无菌方法奠定了基础。
关于设计即无菌的最终思考
设计即无菌的方法从一开始就消除了污染风险。这意味着选择具有就地清洗（CIP）和就地蒸汽灭菌（SIP）功能的封闭自动化生物反应器，以及具有经过验证的密封和过滤器的预灭菌组件[3][10]。行业专家建议对塑料部件进行辐射灭菌，并实现自动化以降低污染风险。数据支持这些措施，显示封闭式生物反应器的成本节约和经过验证系统中持续为阴性的无菌测试结果。[3][6][9]从被动清洁转向主动设计不仅降低了风险，还支持可扩展的、符合GMP的生产。
从系统设计到持续监控的综合策略对于培养肉生产的成功至关重要。对于该领域的专业人士，
常见问题
确保生物反应器无菌的最佳灭菌方法是什么？
对于一次性使用的生物反应器，确保它们不受污染至关重要。常见的灭菌方法包括伽马射线辐照、使用消毒剂的化学灭菌和使用高压灭菌器的蒸汽灭菌。这些技术旨在为生物反应器的即时和安全使用做好准备。
对于多用途生物反应器，保持无菌状态需要略有不同的方法。最常见的方法包括就地清洗蒸汽灭菌、使用消毒剂进行化学清洗，有时还包括紫外线灭菌以增强微生物控制。为了保证无污染的环境，定期验证这些灭菌过程是很重要的。
可以采取哪些步骤来降低人为错误导致生物反应器污染的风险？
在保持生物反应器无菌方面，减少错误至关重要。为此，重要的是要有明确的标准操作程序 (SOPs)，确保所有团队成员接受全面培训，并在可行时自动化关键流程，以减少手动操作的需要。
持续检查和验证温度、pH值和无菌条件等情况是另一个重要步骤。这有助于及早发现和解决潜在问题。通过将这些实践结合起来，可以大大降低与人为错误相关的污染风险。
为什么监测对于维持生物反应器操作的无菌性至关重要？
监测在确保生物反应器操作期间的无菌性方面起着关键作用，通过提供对重要环境条件的实时更新。关注温度、pH值和溶解氧水平等因素，可以及早发现潜在污染，并有助于维持理想的生长环境。
通过提前应对潜在问题，监测不仅可以最大限度地降低污染风险，还可以保护生长介质的质量，并确保可靠的生产过程。在诸如培养肉类等行业中，这一点尤为重要，因为无菌对最终产品的安全性和质量有直接影响。
