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固定床生物反应器由于其剪切力低、贴附面积大、可低密度接种等优点被广泛地应用于贴壁细胞的培养。但固定床生物反应器缺少合适的缩小模型用于前期工艺优化,并且存在设备结构复杂、细胞分布不均、通气易产生泡沫等问题,因而限制了其在生物制品领域中的应用。针对上述问题,本研究创新研发了固定床生物反应器缩小模型(tube-fixed-bed bioreactor,TFB反应器)以及新型固定床生物反应器(Xcell反应器)。通过对Xcell反应器结构优化以及操作方式优化,使固定床中细胞分布均匀;设计新型的“瀑布式”传氧策略实现Xcell反应器无泡通气。通过优化TFB反应器与Xcell反应器中Vero细胞的培养工艺,并分析含血清培养与无血清培养下Vero细胞的生长与代谢,验证了Vero细胞培养工艺从TFB反应器规模放大至Xcell反应器的可行性;并进一步建立了基于TFB反应器与Xcell反应器的固定床生物反应器scale-down/scale-up平台。基于该平台,快速完成了Vero细胞源猪伪狂犬病毒(pseudorabies virus,PRV)扩增工艺的优化以及工艺放大,为PRV疫苗的研发与生产提供了新的思路。最后验证了该平台适用于质量源于设计(Quality by Design,QbD)导向的无血清Vero细胞源PRV扩增工艺的研发。研究成果为我国细胞源病毒疫苗生产工艺的快速研发以及生产规模放大提供了新方法和新工艺。主要研究结论分为以下四个方面:(1)固定床生物反应器缩小模型的建立与应用。基于TubeSpin反应器、片状载体、新型支架,建立了固定床生物反应器缩小模型——迷你固定床生物反应器(TFB反应器)。验证了TFB反应器的Vero细胞培养性能,相对于微载体悬浮培养,TFB反应器获得的细胞密度高,且更适用于低密度接种以及无血清培养。进一步通过CHO细胞与293T细胞的培养,验证了TFB反应器可作为固定床生物反应器缩小模型用于贴壁细胞的培养。(2)新型固定床生物反应器的设计与验证。为了解决固定床生物反应器结构复杂、细胞分布不均、通气易产生泡沫等问题,结合TFB反应器的测试数据以及反应器放大/缩小准则,研发了新型固定床生物反应器——Xcell反应器(1-L与5-L)。创新设计了结构简单且新颖的“瀑布式”传氧方式实现无泡通气。该反应器的体积传质系数(k_La)满足动物细胞培养所需,混合时间与搅拌罐式反应器(stirred tank reactor,STR)相当,可提供良好的氧传质性能以及混合性能;采用“悬浮接种”技术使得反应器种子细胞捕获能力良好且细胞在反应器中分布均匀。通过生物学验证,TFB反应器与Xcell反应器中Vero细胞的生长曲线与葡萄糖消耗速率(glucose consumption rate,GCR)展现出一致,实现了Vero细胞培养从TFB反应器放大至Xcell反应器。从而建立了固定床生物反应器scale-down/scale-up平台,用于快速地完成细胞培养工艺的优化以及工艺放大。(3)新型固定床生物反应器在PRV疫苗生产中的应用。基于固定床生物反应器scale-down/scale-up平台,首先利用TFB反应器对Vero细胞源PRV扩增工艺参数(感染时间(time of infection,TOI)、感染复数(multiplicity of infection,MOI)、收获方式)进行优化,并将优化后的工艺成功放大至Xcell 1-L反应器与Xcell 5-L反应器中,建立了基于固定床生物反应器的PRV扩增工艺(含血清工艺、无血清工艺、含血清低密度接种工艺、无血清低密度接种工艺)。相对于当前商业化PRV疫苗的转瓶工艺,本研究的PRV扩增工艺自动化程度高、工艺稳定、安全性高。基于固定床生物反应器scale-down/scale-up平台,快速高效地完成了PRV扩增工艺的研发,研究结果为PRV疫苗的工艺研发与生产提供了新的方法,也为其他细胞源疫苗的快速研发提供了重要参考。(4)QbD导向的无血清PRV扩增工艺的研发。以收获培养基中的PRV滴度为关键质量属性(Critical Quality Attribute,CQA),利用鱼骨图分析与失效模式和影响分析(Failure Mode Effects Analysis,FMEA)对基于固定床生物反应器的无血清PRV扩增的过程工艺进行分析。其中培养基、初始细胞密度、TOI以及MOI四个参数的风险系数(Risk Priority Number,RPN)得分较高,确定为关键工艺参数(Critical Process Parameters,CPPs)。利用TFB反应器对商业化的Vero细胞无血清培养基进行筛选,并对剩下的三个关键工艺参数实施DoE(design of experiment)实验。利用多元线性回归法对实验结果进行拟合并建立预测模型,通过模型确定了PRV扩增工艺的设计空间以及鲁棒性设置点。在TFB反应器中对鲁棒性设置点进行验证后并成功放大至Xcell 1-L反应器中。结合QbD理念与固定床生物反应器scale-down/scale-up平台,可快速高效地完成质量稳定的病毒生产工艺的研发。