動物細胞懸浮培養流場動力與測控技術分析

張忠興

摘要：為滿足不斷增長的生物醫藥制品需求，動物細胞培養技術備受關注，其中生物反應器是細胞培養的基石，為了獲得高質高量的細胞產物，有必要對其流場力學和測控技術進行分析。對此，基于對動物細胞懸浮培養技術的理解，重點探討了動物細胞懸浮培養流場動力分析方法與測控技術要點，以供參考。

關鍵詞：動物細胞懸浮培養;流場動力與測控;生物反應器;參數測控

中圖分類號：TP183;Q813

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.064

對于細胞懸浮培養而言，反應器的選擇至關重要，不僅需要合理的流場特性，還需要精確的參數作保障，但因動物細胞培養過程復雜，傳統的測量技術滯后，致使關鍵參數測量成為首要難題，因此對動物細胞懸浮培養流場動力與測控技術進行分析十分必要。

1 動物細胞懸浮培養技術概述

動物細胞懸浮培養技術主要用于培養不依賴貼壁的動物細胞，具體是在生物反應器中特定部件的作用下使動物細胞與培養液充分混合，其中攪拌槳葉、擋板結構發揮了重要作用。相比之下，動物細胞懸浮培養技術具有培養條件均勻和操作簡單可行的特點，而且氧氣物質傳遞能力強，適用于大規模的工業化生產，不過值得注意的是，由于動物細胞沒有細胞壁，對氣體、攪拌等形成的剪切應力異常敏感，因此對生物反應器的類型選擇與結構設計要求極為嚴苛，而且基于培養過程參數的實時監測，不只是反映細胞的培養過程，對其生長環境也起著重要作用，所以快速精準、敏捷穩定的測量和控制關鍵參數有助于細胞生存環境的優化，也有助于優質產物的誕生。

2 動物細胞懸浮培養流場動力分析

2.1 生物反應器流場模擬的作用

之所以在動物細胞懸浮培養過程中強調流場動力分析，是因為細胞的生理狀態與產物是細胞與外環境之間相互作用的結果，以往研究的多是溫度、培養基、pH值、DO濃度等生物反應器的操作因素或者是參數的軟測量與在線優化，但如果我們站在動物細胞培養外界環境的角度看的話便會發現，模擬分析動物細胞的流體力學環境（液態培養環境），可為控制與優化細胞培養過程開辟一條新途徑[1]。

2.2 生物反應器流場模擬要點

在分析動物細胞懸浮培養流場動力時，選用了攪拌式生物反應器，采用CFD（計算流體力學）方法模擬攪拌式生物反應器流場，根據數值模擬求解優化反應器結構設計。模擬的4 000 L動物細胞懸浮培養生物反應器參數如表1所示。

經ANSYS CFX軟件仿真得到反應器的計算域三維圖，在此基礎上借助多參考坐標系法對反應器的穩態流場進行模擬，將流體域分成外部靜止域和內部旋轉域，且利用Robust法和ANSYS ICEM軟件劃分模型網格，設置SST為湍流模型較為準確的模擬壁面剪切力，配以包括轉速和大氣壓在內的參數作為邊界條件。然后為觀察生物反應器的流場動力情況，在模擬中設置了速度和剪切兩個矢量場類型，其中在攪拌式生物反應器中，攪拌速度過快和過慢的不利影響分別是形成較大的剪切力和較低的營養物質混合度，可以直觀體現攪拌槳結構、攪拌死區和混合程度;而該反應器內的剪切力是以流場剪切力為主，經CFX對其進行模擬可輔助反應器參數設定。同時為驗證壁擋板對流場方向、速度、大小、流型等的影響，設置了兩組和三組擋板用于對比，經分析不同擋板數量下速度矢量圖和速度壓力云圖后，確定兩組擋板下有著分布更為均勻的攪拌速度和更為優異的物質混合效果[2] 。

2.3 生物反應器流場模擬分析

確定罐體采用兩組擋板后開始模擬和分析反應器參數在不同轉速下的變化情況，通過分析轉速變化過程中罐內平均速度與湍流渦頻率的曲線圖發現，當轉速處于24 -52 r/min范圍時，兩者會隨著轉速的增加呈現線性增加的特點，表示提高轉速容易導致罐內渦流的形成，后又模擬了4個轉速下的速度云圖，表明速度的增加有利于速度孤立區域的適當減少，從而促使速度更加連續均勻的分布。在研究轉速對剪切矢量場的影響時，利用的是模擬和計算流場分布得出相應的剪切場的分布，具體選用的是簡單直觀的以反應器內局部剪切力表征整體剪切立場的方法，通過分別模擬轉速24 - 52 r/min情況下葉片剪切力的變化，以及轉速為25 r/min和40 r/min情況下兩層攪拌槳葉上下兩個表面的剪切力，結果發現，當最大剪切力小于細胞最大耐受力時，四寬葉漿產生的剪切力能促使物質更好混合。由此可見，基于CFD的生物反應器流場模擬，可為反應器結構優化和參數設定提供有效的指導。

3 動物細胞懸浮培養過程參數的測控

3.1 選擇關鍵參數

為更直觀了解動物細胞懸浮培養過程參數的測控原理和要點，在此以FDM疫苗懸浮培養為例加以分析。由于把握反應進程、改善產物質量的基礎是測量動物細胞培養中的關鍵生化參數，而傳統的測量方法滯后、誤差大，因此選用了GRNN模型對葡萄糖、乳酸、丙氨酸的濃度和細胞密度等主導變量和溫度、pH值、DO濃度、罐體壓力和罐內液體體積等輔助變量進行測控[3]。

3.2 測量建模與仿真分析

選自某制藥實驗室的250 mL動物細胞懸浮培養反應器作為仿真試驗數據來源，其溫度、pH值、DO濃度、攪拌速度等均符合工藝要求，期間共采集了6批數據，前5批為軟測量模型的樣本集，第6批為測試樣本，GRNN模型仿真時采用的是MATLAB軟件，計算步驟則設計了GRNN與RBF兩種軟測量模型，通過參數預測誤差分析和對比，確定GRNN模型測試誤差更小，具有更好的泛化能力。

3.3 動物細胞培養過程控制系統架構

考慮到動物細胞懸浮培養的反應過程具有隨機性、動態性、耦合性和時變性的特點，因此需要一個實時性高的數字控制系統與之匹配，為此選用了嵌入式微處理器，且移植嵌入ARM9內核和實時操作系統Linux，同時強化存儲器和通訊接口電路，利用軟測量技術檢測葡萄糖濃度、乳酸濃度、細胞密度等與細胞生長有關的生化變量，用測量儀表檢測溫度、DO濃度等環境變量，然后在數據采集、人機交互設計以及控制軟件的作用下，實現對動物細胞懸浮培養過程參數的測控。

4 結束語

動物細胞懸浮培養是一個復雜程度高、耦合性強的生化反應過程，要想提高培養效率與產物質量，就必須強化在線測控，特別是產業化動物細胞培養，關鍵參數的測控水平在反應進程控制中起著決定性作用。所以基于仿真軟件分析反應器的流場動力，結合關鍵參數的在線測量和數字化控制，是動物細胞培養技術健康發展的重要保障。

參考文獻：

[l]楚品品，蔣智勇，勾紅潮，等.動物細胞規模化培養技術現狀[J].動物醫學進展，2018，39 （2）： 119-123.

[2]臧歡.動物細胞懸浮培養過程動態RVM軟測量及實現[D].鎮江：江蘇大學，2017.

[3]吳嘉琪.動物細胞懸浮培養流場動力與測控技術研究[D].鎮江：江蘇大學，2016.