動物細胞生物反應器關鍵技術研究及其結構優(yōu)化.pdf

1、牛頓力學統(tǒng)治了世界幾百年,未來生物技術將成為主導21世紀科學技術發(fā)展的關鍵力量。生物反應器是人類進行生物目標產品開發(fā)及生產的關鍵設備。我國在生物反應器的開發(fā)研究中存在基礎理論研究投入少、細胞的剪切敏感性認知不足、半經驗方式設計、反應器效能低下、仿制國外低端產品等問題。針對這些問題,本文從CHO細胞入手,CHO細胞即中國倉鼠卵巢細胞,是動物細胞工程產業(yè)應用最為廣泛的細胞之一,首先對 CHO細胞力學特性進行了研究;以其力學特性為基礎分別對生

2、物反應器的攪拌器、罐體結構、溫度維持、供料位置進行仿真優(yōu)化;氣泡分布器作為生物反應器中的供氧裝置十分關鍵,但生成的氣泡直徑不好度量以及破裂過程中高速剪切損傷細胞,通過仿真及實驗方法使得這些問題得到很好的解決;本文提出一種新的方法——剪切率參量法,在未制造樣機的前提下,利用現(xiàn)有設備可以對新研制反應器剪切環(huán)境進行驗證評價,剪切率參量法驗證方法簡單可靠,縮短研發(fā)周期,節(jié)約成本。
　　為了給生物反應器設計提供基礎性的依據,借助原子力顯微鏡

3、,對 CHO細胞進行成像及力學測量,測量得到生理狀態(tài) CHO細胞的彈性模量為5.278±0.395kPa,借助數值計算及細胞培養(yǎng)實驗分析 CHO細胞在生物反應器中的受力環(huán)境,得到 CHO細胞培養(yǎng)時能夠承受的合理的剪切力約為0.392Pa,此時流場剪切率為391.41(1/s),在此剪切應力作用下對于20μm的細胞來說U方向的最大位移量大約為12.9μm。為反應器的設計中解決流體剪切的問題提供依據。
　　規(guī)?；毎囵B(yǎng)生物反應器研發(fā)

4、主要需要解決兩個關鍵要素,首先是保證流場混合的均勻性,同時要解決好流場剪切力對細胞的影響,以 CHO細胞承受的合理剪切力為參考,在降低流場剪切作用以及滿足流場混合效果的前提下,優(yōu)化后的反應器結構采用45o葉片夾角的 Elephant Ear攪拌器,下吸式安裝,罐體高徑比為1、罐底半徑為罐體直徑的一半為、攪拌器安裝高度與罐體高度比為、擋板數量為3對,此優(yōu)化結構流場效果最好。細胞培養(yǎng)過程中溫度需要嚴格控制,建立該反應器的溫度場仿真模型,對三

5、種供熱保溫結構進行對比仿真分析,表明當采用整體壁面加熱時,反應器內的流體能較快的達到溫度均衡。反應器供料位置對物料混合效果影響明顯,利用示蹤劑法,找到反應器較優(yōu)的供料位置,縮短混合時間。
　　氣泡分布器作為反應器的供氧裝置用于生成氣泡,在細胞培養(yǎng)過程中氣泡在分布器孔口形成上升破裂主要與三個參量有關,通過研究得到了一定范圍內氣泡平均直徑大小與孔口通氣速度、表面張力系數和孔口直徑之間的關系式。定量角度分析了直徑在4mm-10mm范圍內

6、變化的氣泡破裂過程中產生的在0.97-1.91Pa之間變化,根據 CHO細胞的承受的最大剪切力為0.392Pa左右,可知在此范圍的氣泡破裂過程中均會造成細胞的損傷。而氣泡越小,氣液表面積比越大,這樣反應器內溶氧越好,為了滿足細胞培養(yǎng)過程中的溶氧需求,因此氣泡直徑控制在4mm左右為宜。氣泡分布器安裝時通氣孔離生物反應器底部的距離對氣含率的影響不大,大分布環(huán)的使得氣含率更加均勻,而且大分布環(huán)通氣結構能有效防止氣體直接由攪拌器區(qū)直接上升至液面

7、溢出,降低氣含率,所以實際應用中可以根據需要應盡量選用大分布環(huán)氣泡分布器。
　　生物反應器設計制造中的需要解決的關鍵問題之一就是流場混合過程中產生的剪切力對細胞的損傷,反應器研發(fā)初期很難對這一問題進行度量驗證,一般通過制造樣機進行實驗驗證,一種新的驗證方法剪切率參量法應運而生,它可以在現(xiàn)有實驗室設備的基礎上通過實驗和仿真方法,使得這一問題得到解決。針對本論文提出的多項技術,設計了反應器實驗系統(tǒng),利用該實驗系統(tǒng)驗證了本文提出的剪切率

8、參量法,當采用上通氣的情況下,轉速為180r/min時,細胞密度增量最大,其主流場區(qū)域平均剪切率為14.5,符合本文提出的剪切率參量法的適宜細胞生長的平均剪切率范圍11.6～17.4(1/s);實驗系統(tǒng)包括攪拌器、罐體結構、加熱保溫裝置、氣泡分布器均采用本文的優(yōu)化結果,在此結構參數下采用上通氣轉速在180r/min時可以獲得較好的培養(yǎng)效果,當采用下通氣轉速為80r/min時氣泡直徑為在4～8mm范圍獲得較好的培養(yǎng)效果,其性能與美國NBS