动物细胞悬浮培养流场动力与测控技术分析

张忠兴

摘要：为满足不断增长的生物医药制品需求，动物细胞培养技术备受关注，其中生物反应器是细胞培养的基石，为了获得高质高量的细胞产物，有必要对其流场力学和测控技术进行分析。对此，基于对动物细胞悬浮培养技术的理解，重点探讨了动物细胞悬浮培养流场动力分析方法与测控技术要点，以供参考。

关键词：动物细胞悬浮培养;流场动力与测控;生物反应器;参数测控

中图分类号：TP183;Q813

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.064

对于细胞悬浮培养而言，反应器的选择至关重要，不仅需要合理的流场特性，还需要精确的参数作保障，但因动物细胞培养过程复杂，传统的测量技术滞后，致使关键参数测量成为首要难题，因此对动物细胞悬浮培养流场动力与测控技术进行分析十分必要。

1 动物细胞悬浮培养技术概述

动物细胞悬浮培养技术主要用于培养不依赖贴壁的动物细胞，具体是在生物反应器中特定部件的作用下使动物细胞与培养液充分混合，其中搅拌桨叶、挡板结构发挥了重要作用。相比之下，动物细胞悬浮培养技术具有培养条件均匀和操作简单可行的特点，而且氧气物质传递能力强，适用于大规模的工业化生产，不过值得注意的是，由于动物细胞没有细胞壁，对气体、搅拌等形成的剪切应力异常敏感，因此对生物反应器的类型选择与结构设计要求极为严苛，而且基于培养过程参数的实时监测，不只是反映细胞的培养过程，对其生长环境也起着重要作用，所以快速精准、敏捷稳定的测量和控制关键参数有助于细胞生存环境的优化，也有助于优质产物的诞生。

2 动物细胞悬浮培养流场动力分析

2.1 生物反应器流场模拟的作用

之所以在動物细胞悬浮培养过程中强调流场动力分析，是因为细胞的生理状态与产物是细胞与外环境之间相互作用的结果，以往研究的多是温度、培养基、pH值、DO浓度等生物反应器的操作因素或者是参数的软测量与在线优化，但如果我们站在动物细胞培养外界环境的角度看的话便会发现，模拟分析动物细胞的流体力学环境（液态培养环境），可为控制与优化细胞培养过程开辟一条新途径[1]。

2.2 生物反应器流场模拟要点

在分析动物细胞悬浮培养流场动力时，选用了搅拌式生物反应器，采用CFD（计算流体力学）方法模拟搅拌式生物反应器流场，根据数值模拟求解优化反应器结构设计。模拟的4 000 L动物细胞悬浮培养生物反应器参数如表1所示。

经ANSYS CFX软件仿真得到反应器的计算域三维图，在此基础上借助多参考坐标系法对反应器的稳态流场进行模拟，将流体域分成外部静止域和内部旋转域，且利用Robust法和ANSYS ICEM软件划分模型网格，设置SST为湍流模型较为准确的模拟壁面剪切力，配以包括转速和大气压在内的参数作为边界条件。然后为观察生物反应器的流场动力情况，在模拟中设置了速度和剪切两个矢量场类型，其中在搅拌式生物反应器中，搅拌速度过快和过慢的不利影响分别是形成较大的剪切力和较低的营养物质混合度，可以直观体现搅拌桨结构、搅拌死区和混合程度;而该反应器内的剪切力是以流场剪切力为主，经CFX对其进行模拟可辅助反应器参数设定。同时为验证壁挡板对流场方向、速度、大小、流型等的影响，设置了两组和三组挡板用于对比，经分析不同挡板数量下速度矢量图和速度压力云图后，确定两组挡板下有着分布更为均匀的搅拌速度和更为优异的物质混合效果[2] 。

2.3 生物反应器流场模拟分析

确定罐体采用两组挡板后开始模拟和分析反应器参数在不同转速下的变化情况，通过分析转速变化过程中罐内平均速度与湍流涡频率的曲线图发现，当转速处于24 -52 r/min范围时，两者会随着转速的增加呈现线性增加的特点，表示提高转速容易导致罐内涡流的形成，后又模拟了4个转速下的速度云图，表明速度的增加有利于速度孤立区域的适当减少，从而促使速度更加连续均匀的分布。在研究转速对剪切矢量场的影响时，利用的是模拟和计算流场分布得出相应的剪切场的分布，具体选用的是简单直观的以反应器内局部剪切力表征整体剪切立场的方法，通过分别模拟转速24 - 52 r/min情况下叶片剪切力的变化，以及转速为25 r/min和40 r/min情况下两层搅拌桨叶上下两个表面的剪切力，结果发现，当最大剪切力小于细胞最大耐受力时，四宽叶浆产生的剪切力能促使物质更好混合。由此可见，基于CFD的生物反应器流场模拟，可为反应器结构优化和参数设定提供有效的指导。

3 动物细胞悬浮培养过程参数的测控

3.1 选择关键参数

为更直观了解动物细胞悬浮培养过程参数的测控原理和要点，在此以FDM疫苗悬浮培养为例加以分析。由于把握反应进程、改善产物质量的基础是测量动物细胞培养中的关键生化参数，而传统的测量方法滞后、误差大，因此选用了GRNN模型对葡萄糖、乳酸、丙氨酸的浓度和细胞密度等主导变量和温度、pH值、DO浓度、罐体压力和罐内液体体积等辅助变量进行测控[3]。

3.2 测量建模与仿真分析

选自某制药实验室的250 mL动物细胞悬浮培养反应器作为仿真试验数据来源，其温度、pH值、DO浓度、搅拌速度等均符合工艺要求，期间共采集了6批数据，前5批为软测量模型的样本集，第6批为测试样本，GRNN模型仿真时采用的是MATLAB软件，计算步骤则设计了GRNN与RBF两种软测量模型，通过参数预测误差分析和对比，确定GRNN模型测试误差更小，具有更好的泛化能力。

3.3 动物细胞培养过程控制系统架构

考虑到动物细胞悬浮培养的反应过程具有随机性、动态性、耦合性和时变性的特点，因此需要一个实时性高的数字控制系统与之匹配，为此选用了嵌入式微处理器，且移植嵌入ARM9内核和实时操作系统Linux，同时强化存储器和通讯接口电路，利用软测量技术检测葡萄糖浓度、乳酸浓度、细胞密度等与细胞生长有关的生化变量，用测量仪表检测温度、DO浓度等环境变量，然后在数据采集、人机交互设计以及控制软件的作用下，实现对动物细胞悬浮培养过程参数的测控。

4 结束语

动物细胞悬浮培养是一个复杂程度高、耦合性强的生化反应过程，要想提高培养效率与产物质量，就必须强化在线测控，特别是产业化动物细胞培养，关键参数的测控水平在反应进程控制中起着决定性作用。所以基于仿真软件分析反应器的流场动力，结合关键参数的在线测量和数字化控制，是动物细胞培养技术健康发展的重要保障。

参考文献：

[l]楚品品，蒋智勇，勾红潮，等.动物细胞规模化培养技术现状[J].动物医学进展，2018，39 （2）： 119-123.

[2]臧欢.动物细胞悬浮培养过程动态RVM软测量及实现[D].镇江：江苏大学，2017.

[3]吴嘉琪.动物细胞悬浮培养流场动力与测控技术研究[D].镇江：江苏大学，2016.