动物细胞培养技术的迅速发展推进了生物制药领域生产的发展, 动物细胞大规模培养技术备受关注。

生物反应器是动物细胞大规模培养中不可代替的主要设备，动物细胞生物反应器是模拟生物的体内环境，为了得到动物细胞高密度增殖的效果，并且也要保证动物细胞高效分泌的目的，需要对其培养的运行参数进行控制。
 
文中借助计算流体动力学（CFD）对影响动物细胞高效分泌的反应器结构和尺寸进行优化改进。
 
动物细胞生物反应器是模拟动物的体内环境并在体外进行生物培养的系统，它是一个集机械、流体、控制、生物等多学科的高新技术产品。其控制的参数主要有温度、溶解氧、pH、流体动力学、营养物质、代谢产物的浓度等。
 
最终目的是为了达到细胞高密度增长，高效地产出具有医药价值的酶、单抗、疫苗等目标产物。相比于传统的生物制品生产工艺，生产周期长、操作繁琐、工作量大、易污染等诸多缺陷， 生物反应器系统具有更好的稳定性和安全性，大量节省劳动力、生产场地和能源消耗，降低生产成本，具有明显优势。
 
研究表明，生物反应器培养过程参数对细胞代谢和病毒滴度具有很大影响。鉴于不同生物反应器和不同培养方式对生物制品产物质量的影响，本文从动物细胞生物反应器研究现状、不同类型动物细胞生物反应器的结构和原理以及结构优化等方面做一综述，旨在为生物制品研发和生产实际应用中选择更加适合培养工艺的生物反应器提供一定的参考。

不同类型动细胞生物反应器的结构和原理
根据混合方式的不同分为搅拌式和非搅拌式，搅拌式生物反应器存在的最大缺点是剪切力造成细胞的损伤，虽然一直在不断改进，但这个问题仍很难避免。相反，非搅拌式反应器产生较小的剪切力并且在动物细胞培养中优势突出。                           
搅拌式生物反应器
通过搅拌桨旋转以驱动液体流动，从而为液相搅拌提供动力。其结构类似于传统的微生物发酵罐，主要区别在于搅拌器的结构。由于动物细胞没有细胞壁，因此对剪切力非常敏感，为了避免细胞损伤，对搅拌式反应器进行了改进，包括改进搅桨、供气方式、加装辅件等，从而进一步优化细胞适宜生长的环境。
 
搅拌器的形式对细胞生长有很大的影响，搅拌桨的选择不仅要求高效的混合特性，还要减小细胞所受的剪切力。这方面改进的主要目的是低剪切力的流场环境中培养细胞。目前，广泛应用的搅拌器类型有螺旋桨叶。
 
螺旋桨叶以产生轴向流为主的搅拌器， 属于混合流桨叶，搅拌时能自身产生周向及轴向流场，利于气液、物料的充分溶解和混合且流场剪切力较小。在搅拌桨的基础上，通过加装辅件等改进，研发了不同类型的搅拌器。在搅拌器的中空轴中产生负压，使培养液从反应器底部吸入、顶部排出；增加旋转过滤器并使用旋转过滤器收集无细胞的培养基。    

气泡分布器
气泡分布器的结构形式与培养液中溶解氧效应密切相关。动物细胞培养中常用的气泡分布器可分为Ｌ型、环形、微孔型。Ｌ型分布器结构简单，加工方便，在容量较小的反应器中使用普遍，由于存在溶氧分布不均的问题，在规模化的反应器中不适用。环形气泡分布器的应用最为广泛，采用５个～６个孔口，孔径 0.5 ｍｍ～１ｍｍ之间。   
 
供热方式
动物细胞的培养温度通常为 37℃左右，控制误差允许范围在±0.25℃。热源主要由生物反应热、搅拌热、散发热和通气热。供热方式有整体壁面供热、底部供热及侧壁供热。一般采用夹套水循环、电磁产热、电热毯的方式控制反应器内的温度。无论用那种方式控制温度，温度的调节一定要逐步攀升，以免温度过高损伤，导致细胞凋亡。   

非搅拌式生物反应器
搅拌式生物反应器存在的最大缺点是剪切力造成细胞的损伤，非搅拌式反应器产生较小的剪切力并且在动物细胞培养中优势突出。
 
其原理是采用环流气升式中心进气，无搅拌装置，在传统的鼓泡塔中加入导流筒构成的。其优点是结构简单、操作方便，产生的湍流相对比较温和，剪切力对细胞损伤很小，易实现动物细胞高密度培养。由于气升式反应器放大后，不能确定不受剪切力影响的操作范围，大规模使用较少。  

优化措施
本节对反应器罐体的高径比及底部半径、 搅拌器的安装高度、挡板等结构进行优化，由于各个部件在流场中的作用不同，无法给出各个部件的优化目标参量，只能通过各部件在流场中发挥的作用参考 CHO 细胞的力学性质单因素进行优化。
 
（1）高径比优化
生物反应器高径比的一般选择范围较大，与特定的反应器形式有关，对于气升式反应器一般采用细长的结构，而对于搅拌式生物反应器一般选择高径比为1偏大的结构，这是由于搅拌式生物反应器的混合动力来源于搅拌器，单搅拌器的混合性能一般不允许高径比太大或者太小，这样不利于培养液混合。综合国内外产品及文献本文将高径比优化范围确定为 1 ～ 1.5。
 
转速采用通常选择的 80r/min，完全化挡板。不同的罐底半径对反应器的速度场统计分布也有明显影响，R0=0.5t 无零速区，低速区域较少，传质效率最好，功率损失最少。
（2）罐底半径优化
采用平底或其他流线性不佳的罐底不利于流场的混合，无论采用何种优化方法均存在零速区，不利于生物反应器流场混合。本文以半球形罐底为基础，对罐体的球形罐底半径进行优化，通常罐底半经与罐体直径成一定比例，范围一般在0.5~1 之间变化。应器内流场不但存在近零速区（0-0.001m/s）， 而且在低速区域（0-0.01m/s）也有较高的体积百分比，总的来看高径比为 1/3 时能形成较好混合流场，有利于营养物质的输送，故采用高径比为 1/3。
 
（3）挡板数量优化
在生物反应器在无挡板作用下，无论采用那种形式的搅拌器，主流场均会形成一个大漩涡，以层流为主，不能形成流场的整体循环，不利于营养物质的交换，细胞的生长代谢受到抑制。一般在20L以上均配有挡板，挡板的主要作用就是将周向流转换成轴向流，从而使主流场周向流和轴向流达到平衡，增强反应器中的流体混合。经过试验，相比三对挡板其它两种方案在液面区速度场分布不对称，这会在主流场中形成一个大的漩涡湍流，产生许多泡沫，不利于细胞的生长，而且三对挡板的速度分布也最均匀，比较而言三对挡板为最佳。  

展望
动物细胞生物反应器需要具有低剪切的流场环境、均一的液相搅拌、精确的控制系统、易线性放大培养。生物反应器培养工艺的放大是一个十分复杂的技术问题，设计最大的瓶颈是放大后各参数的精确控制，这一难题将被综合性学科解决，涉及流体力学、计算机科学、 生物工程等学科。
 
本文对搅拌式、非搅拌式及新型生物反应器做了具体介绍，并对其结构优化等问题进行了探讨，其目的在于研究生物反应器的技术进步，了解目前的状况以及今后的发展，为生物制品研发和生产实际应用中选择更加适合培养工艺的生物反应器和对生物反应器的研究与开发提供一些参考。

参考文献：
陈家城 .CFD 在生物反应器结构优化改进上的应用 [J]. 机电技术,2017(03):52-55.
诸发超 , 黄建科 , 陈剑佩 , 李元广 . 敞开式跑道池光生物反应器的CFD 模拟与优化[J]. 化工进展,2012,31(06):1184-1192+1199.