動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展推進(jìn)了生物制藥領(lǐng)域生產(chǎn)的發(fā)展, 動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)備受關(guān)注。

生物反應(yīng)器是動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)中不可代替的主要設(shè)備，動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器是模擬生物的體內(nèi)環(huán)境，為了得到動(dòng)物細(xì)胞高密度增殖的效果，并且也要保證動(dòng)物細(xì)胞高效分泌的目的，需要對(duì)其培養(yǎng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。
 
文中借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)影響動(dòng)物細(xì)胞高效分泌的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
 
動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器是模擬動(dòng)物的體內(nèi)環(huán)境并在體外進(jìn)行生物培養(yǎng)的系統(tǒng)，它是一個(gè)集機(jī)械、流體、控制、生物等多學(xué)科的高新技術(shù)產(chǎn)品。其控制的參數(shù)主要有溫度、溶解氧、pH、流體動(dòng)力學(xué)、營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物的濃度等。
 
最終目的是為了達(dá)到細(xì)胞高密度增長，高效地產(chǎn)出具有醫(yī)藥價(jià)值的酶、單抗、疫苗等目標(biāo)產(chǎn)物。相比于傳統(tǒng)的生物制品生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期長、操作繁瑣、工作量大、易污染等諸多缺陷， 生物反應(yīng)器系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和安全性，大量節(jié)省勞動(dòng)力、生產(chǎn)場(chǎng)地和能源消耗，降低生產(chǎn)成本，具有明顯優(yōu)勢(shì)。
 
研究表明，生物反應(yīng)器培養(yǎng)過程參數(shù)對(duì)細(xì)胞代謝和病毒滴度具有很大影響。鑒于不同生物反應(yīng)器和不同培養(yǎng)方式對(duì)生物制品產(chǎn)物質(zhì)量的影響，本文從動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器研究現(xiàn)狀、不同類型動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和原理以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面做一綜述，旨在為生物制品研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中選擇更加適合培養(yǎng)工藝的生物反應(yīng)器提供一定的參考。

不同類型動(dòng)細(xì)胞生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和原理
根據(jù)混合方式的不同分為攪拌式和非攪拌式，攪拌式生物反應(yīng)器存在的最大缺點(diǎn)是剪切力造成細(xì)胞的損傷，雖然一直在不斷改進(jìn)，但這個(gè)問題仍很難避免。相反，非攪拌式反應(yīng)器產(chǎn)生較小的剪切力并且在動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中優(yōu)勢(shì)突出。                           
攪拌式生物反應(yīng)器
通過攪拌槳旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，從而為液相攪拌提供動(dòng)力。其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。由于動(dòng)物細(xì)胞沒有細(xì)胞壁，因此對(duì)剪切力非常敏感，為了避免細(xì)胞損傷，對(duì)攪拌式反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn)，包括改進(jìn)攪槳、供氣方式、加裝輔件等，從而進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)胞適宜生長的環(huán)境。
 
攪拌器的形式對(duì)細(xì)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(xì)胞所受的剪切力。這方面改進(jìn)的主要目的是低剪切力的流場(chǎng)環(huán)境中培養(yǎng)細(xì)胞。目前，廣泛應(yīng)用的攪拌器類型有螺旋槳葉。
 
螺旋槳葉以產(chǎn)生軸向流為主的攪拌器， 屬于混合流槳葉，攪拌時(shí)能自身產(chǎn)生周向及軸向流場(chǎng)，利于氣液、物料的充分溶解和混合且流場(chǎng)剪切力較小。在攪拌槳的基礎(chǔ)上，通過加裝輔件等改進(jìn)，研發(fā)了不同類型的攪拌器。在攪拌器的中空軸中產(chǎn)生負(fù)壓，使培養(yǎng)液從反應(yīng)器底部吸入、頂部排出；增加旋轉(zhuǎn)過濾器并使用旋轉(zhuǎn)過濾器收集無細(xì)胞的培養(yǎng)基。    

氣泡分布器
氣泡分布器的結(jié)構(gòu)形式與培養(yǎng)液中溶解氧效應(yīng)密切相關(guān)。動(dòng)物細(xì)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(jié)構(gòu)簡單，加工方便，在容量較小的反應(yīng)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(yīng)器中不適用。環(huán)形氣泡分布器的應(yīng)用最為廣泛，采用５個(gè)～６個(gè)孔口，孔徑 0.5 ｍｍ～１ｍｍ之間。   
 
供熱方式
動(dòng)物細(xì)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(yīng)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(cè)壁供熱。一般采用夾套水循環(huán)、電磁產(chǎn)熱、電熱毯的方式控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度。無論用那種方式控制溫度，溫度的調(diào)節(jié)一定要逐步攀升，以免溫度過高損傷，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。   

非攪拌式生物反應(yīng)器
攪拌式生物反應(yīng)器存在的最大缺點(diǎn)是剪切力造成細(xì)胞的損傷，非攪拌式反應(yīng)器產(chǎn)生較小的剪切力并且在動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)中優(yōu)勢(shì)突出。
 
其原理是采用環(huán)流氣升式中心進(jìn)氣，無攪拌裝置，在傳統(tǒng)的鼓泡塔中加入導(dǎo)流筒構(gòu)成的。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，產(chǎn)生的湍流相對(duì)比較溫和，剪切力對(duì)細(xì)胞損傷很小，易實(shí)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞高密度培養(yǎng)。由于氣升式反應(yīng)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(duì)反應(yīng)器罐體的高徑比及底部半徑、 攪拌器的安裝高度、擋板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，由于各個(gè)部件在流場(chǎng)中的作用不同，無法給出各個(gè)部件的優(yōu)化目標(biāo)參量，只能通過各部件在流場(chǎng)中發(fā)揮的作用參考 CHO 細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)單因素進(jìn)行優(yōu)化。
 
（1）高徑比優(yōu)化
生物反應(yīng)器高徑比的一般選擇范圍較大，與特定的反應(yīng)器形式有關(guān)，對(duì)于氣升式反應(yīng)器一般采用細(xì)長的結(jié)構(gòu)，而對(duì)于攪拌式生物反應(yīng)器一般選擇高徑比為1偏大的結(jié)構(gòu)，這是由于攪拌式生物反應(yīng)器的混合動(dòng)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(nèi)外產(chǎn)品及文獻(xiàn)本文將高徑比優(yōu)化范圍確定為 1 ～ 1.5。
 
轉(zhuǎn)速采用通常選擇的 80r/min，完全化擋板。不同的罐底半徑對(duì)反應(yīng)器的速度場(chǎng)統(tǒng)計(jì)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(zhì)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(chǎng)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(yīng)器流場(chǎng)混合。本文以半球形罐底為基礎(chǔ)，對(duì)罐體的球形罐底半徑進(jìn)行優(yōu)化，通常罐底半經(jīng)與罐體直徑成一定比例，范圍一般在0.5~1 之間變化。應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)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(shí)能形成較好混合流場(chǎng)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的輸送，故采用高徑比為 1/3。
 
（3）擋板數(shù)量優(yōu)化
在生物反應(yīng)器在無擋板作用下，無論采用那種形式的攪拌器，主流場(chǎng)均會(huì)形成一個(gè)大漩渦，以層流為主，不能形成流場(chǎng)的整體循環(huán)，不利于營養(yǎng)物質(zhì)的交換，細(xì)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(zhuǎn)換成軸向流，從而使主流場(chǎng)周向流和軸向流達(dá)到平衡，增強(qiáng)反應(yīng)器中的流體混合。經(jīng)過試驗(yàn)，相比三對(duì)擋板其它兩種方案在液面區(qū)速度場(chǎng)分布不對(duì)稱，這會(huì)在主流場(chǎng)中形成一個(gè)大的漩渦湍流，產(chǎn)生許多泡沫，不利于細(xì)胞的生長，而且三對(duì)擋板的速度分布也最均勻，比較而言三對(duì)擋板為最佳。  

展望
動(dòng)物細(xì)胞生物反應(yīng)器需要具有低剪切的流場(chǎng)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(yīng)器培養(yǎng)工藝的放大是一個(gè)十分復(fù)雜的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)最大的瓶頸是放大后各參數(shù)的精確控制，這一難題將被綜合性學(xué)科解決，涉及流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、 生物工程等學(xué)科。
 
本文對(duì)攪拌式、非攪拌式及新型生物反應(yīng)器做了具體介紹，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問題進(jìn)行了探討，其目的在于研究生物反應(yīng)器的技術(shù)進(jìn)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(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中選擇更加適合培養(yǎng)工藝的生物反應(yīng)器和對(duì)生物反應(yīng)器的研究與開發(fā)提供一些參考。

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