Handbook of Industrial Cell Culture pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Humana Press

作者:Vinci, Victor A.; Parekh, Sarad R.;

出品人:

页数:546

译者:

出版时间:2002-12-06

价格:USD 209.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781588290328

丛书系列:

图书标签:

• 工业细胞培养
• 细胞培养
• 生物技术
• 生物工程
• 生物反应器
• 上游工艺
• 细胞工程
• 生物制药
• 工业微生物学
• 细胞技术

现代生物制造中的先进技术与应用：一部跨学科的深度探索 图书名称：《现代生物制造中的先进技术与应用》 本书旨在为生物技术、生物工程、制药工程以及相关生命科学领域的科研人员、工程师、高级学生和行业专业人士提供一个全面、深入且与时俱进的知识平台，聚焦于驱动当代生物制造进步的核心技术、创新策略与实际应用。 在生物技术飞速发展的今天，从基础研究到大规模产业化，对高效、稳定、可控的生物制造系统的需求达到了前所未有的高度。本书摒弃了对传统、成熟技术（如经典发酵罐操作或基础细胞株构建）的重复性论述，而是将全部篇幅集中于“先进性”和“前沿性”，深入剖析那些正在重塑生物制药、生物材料和合成生物学未来格局的关键技术栈。 全书共分为六大部分，涵盖了从前沿生物反应器设计到智能化生产控制的完整链条，每一章节都力求展现出技术背后的科学原理、工程挑战以及最新的突破性进展。 --- 第一部分：下一代生物反应器设计与过程强化 本部分聚焦于突破传统批次和补料分批操作的局限性，探索实现更高密度、更高产率和更低成本制造的新型反应器平台。 1. 连续流生物制造系统（Continuous Flow Biomanufacturing）： 本书详尽阐述了连续灌流（Perfusion）培养系统的工程学基础，包括新型微载体和支架材料的选择，以及如何通过集成膜分离技术（如切向流过滤、死端过滤）实现细胞与培养基的高效分离与再循环。我们深入分析了连续化带来的质量属性控制（CQA）挑战，以及如何通过实时在线监测（PAT）工具进行闭环调控，确保产品质量的批次间一致性。此外，本书还首次系统性地介绍了用于重组蛋白和抗体生产的集成式连续工艺（Integrated Continuous Bioprocessing, ICB）的案例研究与经济性评估。 2. 模块化与微流控反应系统： 针对高通量筛选、优化和快速工艺开发的需求，本部分详细介绍了微反应器（Microreactors）和芯片实验室（Lab-on-a-Chip）在生物过程中的应用。重点讨论了如何利用微米级的几何结构实现精确的传质和传热控制，这对于高活细胞密度培养、原位产物富集以及新型厌氧/需氧界面反应的精确模拟至关重要。此外，模块化反应器（Modular Bioreactors）的设计理念被提炼出来，探讨其在快速部署、多产品平台切换以及应对突发公共卫生事件中的灵活性优势。 3. 3D 支架与动态三维培养： 区别于传统的二维平面培养，本书深入探讨了在可生物降解或惰性材料构筑的3D支架上进行组织工程或复杂细胞培养（如类器官、类器官芯片）的流体力学和生物力学耦合问题。详细分析了旋转壁生物反应器（RWB）和气升式生物反应器中，支架的填充密度、灌流速率对细胞形态、分化和代谢流的影响，特别是针对高密度三维组织块的营养供给和废物清除的工程解决方案。 --- 第二部分：合成生物学与代谢路径工程的产业化集成 本部分着眼于生物制造的“源头创新”，即如何利用基因编辑和代谢调控工具，设计出性能卓越的“细胞工厂”。 1. 高效基因组编辑与多基因组集成： 超越传统的随机整合或线性构建，本书详细分析了CRISPR/Cas系统在多靶点、高通量和精确整合方面的最新进展。重点讨论了如何利用反转录酶介导的精确插入（RT-gRNA-mediated integration）技术，稳定地将复杂的多酶级联反应系统导入工业菌株（如酵母、丝状真菌或特定细菌）。针对真核细胞，本书也涵盖了对染色质重塑和表观遗传学调控的最新理解，以克服表达“沉默”问题。 2. 全代谢组学驱动的工程优化： 本书强调了从“黑箱”到“透明工厂”的转变。详细介绍了如何利用高分辨率质谱（LC-MS/MS）和核磁共振（NMR）技术，对工程菌株在工业级底物和环境压力下的全代谢流进行实时或近实时定量分析。重点阐述了基于代谢流平衡（FBA）和动态代谢模型（DMM）的闭环反馈机制，指导科研人员如何根据实验数据精准敲除竞争路径、增强目标产物合成的NADPH/ATP供应，从而将理论设计转化为实际的高效生产。 3. 非经典底物利用与环境适应性工程： 面向可持续性和成本控制，本部分深入探讨了将C1化合物（如甲醇、甲烷）或低成本农业废弃物转化为高价值化学品和药物的微生物设计策略。这包括对甲烷单加氧酶（MMO）或甲醇脱氢酶（MDH）等关键酶系的结构功能改造，以及如何在极端pH、高渗透压或高产物毒性环境下，通过膜蛋白工程和胁迫反应通路调控，提高细胞的工业耐受性。 --- 第三部分：过程分析技术（PAT）与智能传感器的前沿应用 可靠的过程控制依赖于对关键过程参数（CPP）和质量属性（CQA）的精确、实时洞察。本部分专注于下一代在线和内联传感技术。 1. 拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR）的深度解析： 本书不仅介绍了这些光谱技术的硬件配置，更侧重于高级数据处理方法。详细阐述了如何利用偏最小二乘回归（PLS）、主成分分析（PCA）以及最新的深度学习算法（如卷积神经网络CNN）对复杂培养基成分、细胞形态变化（如聚集、死亡）和目标产物浓度进行高精度、多变量的同时监测和预测。 2. 生物传感器与电化学免疫传感： 本章聚焦于定制化、高灵敏度的生物传感器。内容包括基于微流控芯片的酶促或抗体介导的葡萄糖、谷氨酰胺、乳酸、甚至特定宿主细胞蛋白（HCP）的实时电化学检测。特别关注了固载化技术对传感器寿命和稳定性的影响，以及如何设计具有自我校准功能的集成式传感器阵列。 3. 基于模型的预测控制（MPC）： 将PAT数据转化为控制指令是实现“自适应制造”的关键。本书详细讲解了如何构建精确的、考虑时滞和非线性特性的生物过程模型，并在此模型基础上实施先进的MPC策略，以主动调整进料速率、溶氧水平或温度设定点，从而将过程结果稳定在最优操作窗口内，最大程度减少人工干预的需求。 --- 第四部分：下游分离的颠覆性创新 面对高滴度、复杂体系和多组分产品流，传统的分离纯化步骤已成为成本和时间的瓶颈。本部分探讨了集成化和高选择性的分离策略。 1. 连续层析与模拟移动床（SMB）： 本书深入探讨了SMB和模拟多柱层析（MCSGP）技术在分离高价值蛋白（如双特异性抗体、高分子量蛋白聚糖）中的工程设计与优化。重点分析了如何根据组分间的吸附等温线和洗脱动力学参数，精确计算最优的循环时间、洗脱液流速和再循环比，以最小化溶剂消耗并最大化纯化效率。 2. 替代性吸附技术与亲和力矩阵的工程化： 除了传统的蛋白质A/G层析，本书介绍了用于病毒清除、抗体片段（Fab/Fc）分离或杂质去除的创新吸附材料，如离子交换纤维、疏水作用色谱（HIC）的改进型介质，以及利用分子印迹聚合物（MIPs）实现超高选择性捕获的潜力。 3. 原位分离与集成纯化： 探讨了将分离步骤直接集成到生物反应器后的方案，例如利用磁性微球捕获目标产物或细胞，或利用沉淀/结晶技术在源头提高纯度。对于细胞内表达产物（如重组蛋白或疫苗抗原），详细阐述了高效的细胞破碎、均质化技术以及随后与下游分离的无缝衔接。 --- 第五部分：生物制剂的复杂性与质量设计（QbD） 随着复杂生物分子（如ADC、多肽偶联物、核酸药物）的兴起，质量控制不再是检验环节，而是设计环节。 1. 结构表征的先进手段： 重点介绍冷冻电镜（Cryo-EM）和高分辨质谱技术在确认复杂生物大分子（如病毒载体、大分子复合物）三维结构和翻译后修饰（PTMs）的精确性。讨论了如何利用这些表征数据来指导上游的培养条件优化，以最小化非预期修饰（如脱酰胺化、氧化）。 2. 病毒安全性与清除验证的动态模型： 针对生物制药的安全要求，本部分提供了关于病毒灭活和清除步骤的定量风险评估方法。深入分析了在不同pH、温度和剪切力条件下，不同病毒株（非包膜与包膜）的失活动力学，并展示了如何利用这些数据来建立充分的“安全裕度”模型。 3. 质量属性与批次一致性的预测建模： 阐述了如何将关键质量属性（CQA，如聚体水平、电荷异质性）与关键过程参数（CPP）进行多维度的关联分析。重点介绍用于建立质量目标范围（QTR）的统计工具，确保从开发到商业化生产中，产品在生物学活性和药代动力学方面保持高度可预测性。 --- 第六部分：生物制造的数字化转型与工业4.0 本部分展望了未来工厂的面貌，强调数据、自动化和人工智能在优化整个生物制造生态系统中的核心作用。 1. 大数据集成与云平台部署： 探讨了如何将来自不同设备（发酵罐、层析系统、QC实验室）的海量异构数据汇集到统一的数据湖中。分析了云端计算在处理大规模基因组数据、生物过程模拟和远程资产管理中的优势与挑战。 2. 机器学习在工艺优化中的应用： 详细介绍了用于预测培养终点、优化补料策略的深度学习模型（如LSTM用于时间序列预测）以及用于识别复杂数据集中潜在影响因素的非线性模型。重点在于如何处理生物数据中固有的高噪声和稀疏性，确保模型的泛化能力。 3. 数字孪生（Digital Twin）在生物制造中的构建： 本书提供了构建和验证生物过程数字孪生的具体工程路径。讨论了如何将高保真度的生物化学模型与实时过程数据相结合，创建一个虚拟的、可用于“假设检验”和“实时故障诊断”的工厂副本，从而实现零停机时间的维护和优化。 《现代生物制造中的先进技术与应用》 是一本面向未来的教科书与工具书的结合体，它不仅仅描述了“是什么”，更深入阐述了“如何实现”和“为何有效”，是推动生物制造技术迈向更智能、更高效、更经济的新阶段的必备参考。

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初次翻阅此书时，我最大的感受是其对下游纯化工艺的关注度远超我预期的深度。通常这类书籍都会将重点放在上游发酵上，但《手册》在收获（Harvesting）和分离纯化部分给予了充足的篇幅。对于单克隆抗体生产流程来说，后续的层析步骤是成本控制的关键。书中对不同类型层析介质的选择标准，特别是离子交换和疏水作用层析的洗脱梯度设计，提供了非常清晰的决策树。更令人称道的是，它讨论了连续层析技术，如模拟移动床（SMB）在工业应用中的挑战与机遇，这无疑是面向未来趋势的专业指导。此外，对病毒灭活和去除步骤的工艺验证要求，也体现了作者对法规遵循性的高度重视，使这本书不仅是技术指南，更是一份高质量的行业合规性参考文件。

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与其说这是一本技术手册，不如说它是一部关于“质量源于设计”（QbD）理念在细胞培养领域应用的教科书。作者将质量属性（CQA）与关键工艺参数（CPP）之间的关系阐述得淋漓尽致。例如，在讨论培养终点判断时，书中不仅仅提到了细胞活力或代谢物积累，而是深入到通过高通量分析技术（如流式细胞术）对细胞亚群分布进行实时监控，并将这些数据反馈到过程控制模型中。这种前瞻性的视角，让我深刻意识到传统批次控制模式的局限性。对于那些致力于开发下一代生物制剂，追求更高一致性和更低生产风险的研发人员来说，这本书提供的框架是无价的。它强迫读者跳出单纯的“配方思维”，转而思考如何构建一个“自适应、自优化的生产系统”。

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我必须承认，这本书的某些部分涉及的数学模型和生化动力学公式相当复杂，初次接触可能需要花费额外的时间去消化吸收。然而，一旦你掌握了这些核心的数学描述，你会发现它们是理解细胞代谢漂移和反应器内非均一性的钥匙。作者在推导这些公式时没有跳过中间步骤，即便是那些涉及非线性微分方程的部分，也提供了清晰的物理解释，这对于我们这些需要进行深度故障排除的工程师来说至关重要。我印象最深的是关于营养胁迫模型的部分，它不再是简单地假设恒定生长速率，而是纳入了葡萄糖和谷氨酰胺耗竭对细胞凋亡率的影响，这使得我们能更准确地预测培养后期可能出现的性能衰退。总而言之，这本书不是一本快速入门的读物，但它绝对是值得投入时间和精力去深入研读的行业基石性著作。

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这本书真是让我大开眼界，特别是关于生物反应器设计的章节，作者对不同规模和类型反应器的优缺点分析得非常透彻。我一直对如何优化搅拌速率以确保细胞均匀分布感到困惑，书里详细阐述了计算流体力学（CFD）的应用，并通过实际案例展示了如何避免剪切力损伤，这对正在设计中试规模培养系统的工程师来说简直是宝典。他们不仅停留在理论层面，还深入探讨了传感器的选择和校准，强调了在线监测对于过程控制的关键性。我特别欣赏它在培养基优化方面的实用性建议，摒弃了许多陈旧的经验主义方法，转而推荐基于设计实验（DoE）的系统化方法，这极大地提高了我的实验效率。从发酵罐的材料选择到灭菌规程的制定，每一个细节都被覆盖得非常到位，读完感觉我对整个工业化培养流程的理解上升到了一个全新的高度，不再是零散的知识点堆砌，而是一个完整的、可操作的工业体系蓝图。

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这本书的叙事风格非常严谨，读起来有一种面对资深行业专家的感觉，每一个论点都有坚实的实验数据或成熟的工业案例支撑。我特别喜欢其中关于“工艺放大”（Scale-up）的章节，它没有简单地罗列放大比例，而是深入剖析了从实验室烧瓶到数千升反应器过程中，哪些关键参数（如氧传递速率$k_L a$、混合时间）必须被精确控制，以及如何通过模型预测来指导工程决策。书中对不同细胞株（如CHO、昆虫细胞）在放大过程中对环境敏感性的差异性分析尤为精彩，这避免了“一刀切”的放大陷阱。对于我所在的生物制药领域，如何在高密度培养下保持细胞活力和产物质量是一个持续的难题，这本书提供了一套系统的、基于参数敏感性分析的解决方案，让人读后茅塞顿开，极大地增强了应对复杂工程挑战的信心。

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