動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)流場動力與測控技術(shù)分析

張忠興

摘要：為滿足不斷增長的生物醫(yī)藥制品需求，動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)備受關(guān)注，其中生物反應(yīng)器是細(xì)胞培養(yǎng)的基石，為了獲得高質(zhì)高量的細(xì)胞產(chǎn)物，有必要對其流場力學(xué)和測控技術(shù)進行分析。對此，基于對動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)的理解，重點探討了動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)流場動力分析方法與測控技術(shù)要點，以供參考。

關(guān)鍵詞：動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng);流場動力與測控;生物反應(yīng)器;參數(shù)測控

中圖分類號：TP183;Q813

文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.064

對于細(xì)胞懸浮培養(yǎng)而言，反應(yīng)器的選擇至關(guān)重要，不僅需要合理的流場特性，還需要精確的參數(shù)作保障，但因動物細(xì)胞培養(yǎng)過程復(fù)雜，傳統(tǒng)的測量技術(shù)滯后，致使關(guān)鍵參數(shù)測量成為首要難題，因此對動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)流場動力與測控技術(shù)進行分析十分必要。

1 動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)概述

動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)主要用于培養(yǎng)不依賴貼壁的動物細(xì)胞，具體是在生物反應(yīng)器中特定部件的作用下使動物細(xì)胞與培養(yǎng)液充分混合，其中攪拌槳葉、擋板結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用。相比之下，動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)具有培養(yǎng)條件均勻和操作簡單可行的特點，而且氧氣物質(zhì)傳遞能力強，適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，不過值得注意的是，由于動物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，對氣體、攪拌等形成的剪切應(yīng)力異常敏感，因此對生物反應(yīng)器的類型選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求極為嚴(yán)苛，而且基于培養(yǎng)過程參數(shù)的實時監(jiān)測，不只是反映細(xì)胞的培養(yǎng)過程，對其生長環(huán)境也起著重要作用，所以快速精準(zhǔn)、敏捷穩(wěn)定的測量和控制關(guān)鍵參數(shù)有助于細(xì)胞生存環(huán)境的優(yōu)化，也有助于優(yōu)質(zhì)產(chǎn)物的誕生。

2 動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)流場動力分析

2.1 生物反應(yīng)器流場模擬的作用

之所以在動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程中強調(diào)流場動力分析，是因為細(xì)胞的生理狀態(tài)與產(chǎn)物是細(xì)胞與外環(huán)境之間相互作用的結(jié)果，以往研究的多是溫度、培養(yǎng)基、pH值、DO濃度等生物反應(yīng)器的操作因素或者是參數(shù)的軟測量與在線優(yōu)化，但如果我們站在動物細(xì)胞培養(yǎng)外界環(huán)境的角度看的話便會發(fā)現(xiàn)，模擬分析動物細(xì)胞的流體力學(xué)環(huán)境（液態(tài)培養(yǎng)環(huán)境），可為控制與優(yōu)化細(xì)胞培養(yǎng)過程開辟一條新途徑[1]。

2.2 生物反應(yīng)器流場模擬要點

在分析動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)流場動力時，選用了攪拌式生物反應(yīng)器，采用CFD（計算流體力學(xué)）方法模擬攪拌式生物反應(yīng)器流場，根據(jù)數(shù)值模擬求解優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計。模擬的4 000 L動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)生物反應(yīng)器參數(shù)如表1所示。

經(jīng)ANSYS CFX軟件仿真得到反應(yīng)器的計算域三維圖，在此基礎(chǔ)上借助多參考坐標(biāo)系法對反應(yīng)器的穩(wěn)態(tài)流場進行模擬，將流體域分成外部靜止域和內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域，且利用Robust法和ANSYS ICEM軟件劃分模型網(wǎng)格，設(shè)置SST為湍流模型較為準(zhǔn)確的模擬壁面剪切力，配以包括轉(zhuǎn)速和大氣壓在內(nèi)的參數(shù)作為邊界條件。然后為觀察生物反應(yīng)器的流場動力情況，在模擬中設(shè)置了速度和剪切兩個矢量場類型，其中在攪拌式生物反應(yīng)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(yǎng)物質(zhì)混合度，可以直觀體現(xiàn)攪拌槳結(jié)構(gòu)、攪拌死區(qū)和混合程度;而該反應(yīng)器內(nèi)的剪切力是以流場剪切力為主，經(jīng)CFX對其進行模擬可輔助反應(yīng)器參數(shù)設(shè)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(shè)置了兩組和三組擋板用于對比，經(jīng)分析不同擋板數(shù)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(yōu)異的物質(zhì)混合效果[2] 。

2.3 生物反應(yīng)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(yīng)器參數(shù)在不同轉(zhuǎn)速下的變化情況，通過分析轉(zhuǎn)速變化過程中罐內(nèi)平均速度與湍流渦頻率的曲線圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速處于24 -52 r/min范圍時，兩者會隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)線性增加的特點，表示提高轉(zhuǎn)速容易導(dǎo)致罐內(nèi)渦流的形成，后又模擬了4個轉(zhuǎn)速下的速度云圖，表明速度的增加有利于速度孤立區(qū)域的適當(dāng)減少，從而促使速度更加連續(xù)均勻的分布。在研究轉(zhuǎn)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(yīng)的剪切場的分布，具體選用的是簡單直觀的以反應(yīng)器內(nèi)局部剪切力表征整體剪切立場的方法，通過分別模擬轉(zhuǎn)速24 - 52 r/min情況下葉片剪切力的變化，以及轉(zhuǎn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最大剪切力小于細(xì)胞最大耐受力時，四寬葉漿產(chǎn)生的剪切力能促使物質(zhì)更好混合。由此可見，基于CFD的生物反應(yīng)器流場模擬，可為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)設(shè)定提供有效的指導(dǎo)。

3 動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程參數(shù)的測控

3.1 選擇關(guān)鍵參數(shù)

為更直觀了解動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程參數(shù)的測控原理和要點，在此以FDM疫苗懸浮培養(yǎng)為例加以分析。由于把握反應(yīng)進程、改善產(chǎn)物質(zhì)量的基礎(chǔ)是測量動物細(xì)胞培養(yǎng)中的關(guān)鍵生化參數(shù)，而傳統(tǒng)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(xì)胞密度等主導(dǎo)變量和溫度、pH值、DO濃度、罐體壓力和罐內(nèi)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(xì)胞懸浮培養(yǎng)反應(yīng)器作為仿真試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shè)計了GRNN與RBF兩種軟測量模型，通過參數(shù)預(yù)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(xì)胞培養(yǎng)過程控制系統(tǒng)架構(gòu)

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

4 結(jié)束語

動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)是一個復(fù)雜程度高、耦合性強的生化反應(yīng)過程，要想提高培養(yǎng)效率與產(chǎn)物質(zhì)量，就必須強化在線測控，特別是產(chǎn)業(yè)化動物細(xì)胞培養(yǎng)，關(guān)鍵參數(shù)的測控水平在反應(yīng)進程控制中起著決定性作用。所以基于仿真軟件分析反應(yīng)器的流場動力，結(jié)合關(guān)鍵參數(shù)的在線測量和數(shù)字化控制，是動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)健康發(fā)展的重要保障。

參考文獻：

[l]楚品品，蔣智勇，勾紅潮，等.動物細(xì)胞規(guī)?；囵B(yǎng)技術(shù)現(xiàn)狀[J].動物醫(yī)學(xué)進展，2018，39 （2）： 119-123.

[2]臧歡.動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程動態(tài)RVM軟測量及實現(xiàn)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2017.

[3]吳嘉琪.動物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)流場動力與測控技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.