動物細胞培養(yǎng)技術的迅速發(fā)展推進了生物制藥領域生產的發(fā)展, 動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術備受關注。

生物反應器是動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)中不可代替的主要設備，動物細胞生物反應器是模擬生物的體內環(huán)境，為了得到動物細胞高密度增殖的效果，并且也要保證動物細胞高效分泌的目的，需要對其培養(yǎng)的運行參數進行控制。
 
文中借助計算流體動力學（CFD）對影響動物細胞高效分泌的反應器結構和尺寸進行優(yōu)化改進。
 
動物細胞生物反應器是模擬動物的體內環(huán)境并在體外進行生物培養(yǎng)的系統(tǒng)，它是一個集機械、流體、控制、生物等多學科的高新技術產品。其控制的參數主要有溫度、溶解氧、pH、流體動力學、營養(yǎng)物質、代謝產物的濃度等。
 
最終目的是為了達到細胞高密度增長，高效地產出具有醫(yī)藥價值的酶、單抗、疫苗等目標產物。相比于傳統(tǒng)的生物制品生產工藝，生產周期長、操作繁瑣、工作量大、易污染等諸多缺陷， 生物反應器系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和安全性，大量節(jié)省勞動力、生產場地和能源消耗，降低生產成本，具有明顯優(yōu)勢。
 
研究表明，生物反應器培養(yǎng)過程參數對細胞代謝和病毒滴度具有很大影響。鑒于不同生物反應器和不同培養(yǎng)方式對生物制品產物質量的影響，本文從動物細胞生物反應器研究現狀、不同類型動物細胞生物反應器的結構和原理以及結構優(yōu)化等方面做一綜述，旨在為生物制品研發(fā)和生產實際應用中選擇更加適合培養(yǎng)工藝的生物反應器提供一定的參考。

不同類型動細胞生物反應器的結構和原理
根據混合方式的不同分為攪拌式和非攪拌式，攪拌式生物反應器存在的最大缺點是剪切力造成細胞的損傷，雖然一直在不斷改進，但這個問題仍很難避免。相反，非攪拌式反應器產生較小的剪切力并且在動物細胞培養(yǎng)中優(yōu)勢突出。                           
攪拌式生物反應器
通過攪拌槳旋轉以驅動液體流動，從而為液相攪拌提供動力。其結構類似于傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵罐，主要區(qū)別在于攪拌器的結構。由于動物細胞沒有細胞壁，因此對剪切力非常敏感，為了避免細胞損傷，對攪拌式反應器進行了改進，包括改進攪槳、供氣方式、加裝輔件等，從而進一步優(yōu)化細胞適宜生長的環(huán)境。
 
攪拌器的形式對細胞生長有很大的影響，攪拌槳的選擇不僅要求高效的混合特性，還要減小細胞所受的剪切力。這方面改進的主要目的是低剪切力的流場環(huán)境中培養(yǎng)細胞。目前，廣泛應用的攪拌器類型有螺旋槳葉。
 
螺旋槳葉以產生軸向流為主的攪拌器， 屬于混合流槳葉，攪拌時能自身產生周向及軸向流場，利于氣液、物料的充分溶解和混合且流場剪切力較小。在攪拌槳的基礎上，通過加裝輔件等改進，研發(fā)了不同類型的攪拌器。在攪拌器的中空軸中產生負壓，使培養(yǎng)液從反應器底部吸入、頂部排出；增加旋轉過濾器并使用旋轉過濾器收集無細胞的培養(yǎng)基。    

氣泡分布器
氣泡分布器的結構形式與培養(yǎng)液中溶解氧效應密切相關。動物細胞培養(yǎng)中常用的氣泡分布器可分為Ｌ型、環(huán)形、微孔型。Ｌ型分布器結構簡單，加工方便，在容量較小的反應器中使用普遍，由于存在溶氧分布不均的問題，在規(guī)�；�的反應器中不適用。環(huán)形氣泡分布器的應用最為廣泛，采用５個～６個孔口，孔徑 0.5 ｍｍ～１ｍｍ之間。   
 
供熱方式
動物細胞的培養(yǎng)溫度通常為 37℃左右，控制誤差允許范圍在±0.25℃。熱源主要由生物反應熱、攪拌熱、散發(fā)熱和通氣熱。供熱方式有整體壁面供熱、底部供熱及側壁供熱。一般采用夾套水循環(huán)、電磁產熱、電熱毯的方式控制反應器內的溫度。無論用那種方式控制溫度，溫度的調節(jié)一定要逐步攀升，以免溫度過高損傷，導致細胞凋亡。   

非攪拌式生物反應器
攪拌式生物反應器存在的最大缺點是剪切力造成細胞的損傷，非攪拌式反應器產生較小的剪切力并且在動物細胞培養(yǎng)中優(yōu)勢突出。
 
其原理是采用環(huán)流氣升式中心進氣，無攪拌裝置，在傳統(tǒng)的鼓泡塔中加入導流筒構成的。其優(yōu)點是結構簡單、操作方便，產生的湍流相對比較溫和，剪切力對細胞損傷很小，易實現動物細胞高密度培養(yǎng)。由于氣升式反應器放大后，不能確定不受剪切力影響的操作范圍，大規(guī)模使用較少。  

優(yōu)化措施
本節(jié)對反應器罐體的高徑比及底部半徑、 攪拌器的安裝高度、擋板等結構進行優(yōu)化，由于各個部件在流場中的作用不同，無法給出各個部件的優(yōu)化目標參量，只能通過各部件在流場中發(fā)揮的作用參考 CHO 細胞的力學性質單因素進行優(yōu)化。
 
（1）高徑比優(yōu)化
生物反應器高徑比的一般選擇范圍較大，與特定的反應器形式有關，對于氣升式反應器一般采用細長的結構，而對于攪拌式生物反應器一般選擇高徑比為1偏大的結構，這是由于攪拌式生物反應器的混合動力來源于攪拌器，單攪拌器的混合性能一般不允許高徑比太大或者太小，這樣不利于培養(yǎng)液混合。綜合國內外產品及文獻本文將高徑比優(yōu)化范圍確定為 1 ～ 1.5。
 
轉速采用通常選擇的 80r/min，完全化擋板。不同的罐底半徑對反應器的速度場統(tǒng)計分布也有明顯影響，R0=0.5t 無零速區(qū)，低速區(qū)域較少，傳質效率最好，功率損失最少。
（2）罐底半徑優(yōu)化
采用平底或其他流線性不佳的罐底不利于流場的混合，無論采用何種優(yōu)化方法均存在零速區(qū)，不利于生物反應器流場混合。本文以半球形罐底為基礎，對罐體的球形罐底半徑進行優(yōu)化，通常罐底半經與罐體直徑成一定比例，范圍一般在0.5~1 之間變化。應器內流場不但存在近零速區(qū)（0-0.001m/s）， 而且在低速區(qū)域（0-0.01m/s）也有較高的體積百分比，總的來看高徑比為 1/3 時能形成較好混合流場，有利于營養(yǎng)物質的輸送，故采用高徑比為 1/3。
 
（3）擋板數量優(yōu)化
在生物反應器在無擋板作用下，無論采用那種形式的攪拌器，主流場均會形成一個大漩渦，以層流為主，不能形成流場的整體循環(huán)，不利于營養(yǎng)物質的交換，細胞的生長代謝受到抑制。一般在20L以上均配有擋板，擋板的主要作用就是將周向流轉換成軸向流，從而使主流場周向流和軸向流達到平衡，增強反應器中的流體混合。經過試驗，相比三對擋板其它兩種方案在液面區(qū)速度場分布不對稱，這會在主流場中形成一個大的漩渦湍流，產生許多泡沫，不利于細胞的生長，而且三對擋板的速度分布也最均勻，比較而言三對擋板為最佳。  

展望
動物細胞生物反應器需要具有低剪切的流場環(huán)境、均一的液相攪拌、精確的控制系統(tǒng)、易線性放大培養(yǎng)。生物反應器培養(yǎng)工藝的放大是一個十分復雜的技術問題，設計最大的瓶頸是放大后各參數的精確控制，這一難題將被綜合性學科解決，涉及流體力學、計算機科學、 生物工程等學科。
 
本文對攪拌式、非攪拌式及新型生物反應器做了具體介紹，并對其結構優(yōu)化等問題進行了探討，其目的在于研究生物反應器的技術進步，了解目前的狀況以及今后的發(fā)展，為生物制品研發(fā)和生產實際應用中選擇更加適合培養(yǎng)工藝的生物反應器和對生物反應器的研究與開發(fā)提供一些參考。

參考文獻：
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