动物细胞悬浮培养生物反应器及控制系统设计

摘要

反应器细胞培养技术是一种以反应器悬浮培养动物细胞生产或研制生物制品为平台的通用技术，广泛地用于生产单抗、人用疫苗或者兽药疫苗等生物制品。反应器悬浮培养细胞技术在大规模疫苗生产中能提高单位制品产量、细胞高密度培养及表达、简化生产工艺、降低生产成本、保证大规模生产的制品质量，是目前世界各大生物公司竞相开发的前沿课题。因此，开展细胞悬浮培养反应器及控制系统的研究具有非常重要的实际意义。
　　本文提出的动物细胞悬浮培养技术方案是针对BHK-21细胞悬浮培养条件下进行的研究。该细胞是无细胞壁的动物细胞，培养过程受营养、pH、溶氧、温度、剪切应力、渗透压等环境因子的影响，且影响敏感性很高。针对该工艺特点，论文对动物细胞大规模培养的专用反应器和专用控制系统进行研究，并提出了细胞悬浮培养生物反应器设计方案，同时对罐体、管路系统、控制系统分别进行了设计。着重介绍了细胞悬浮培养生物反应器搅拌系统的选型、反应器控制系统系统软硬件平台的设计，具体内容包括罐内流场流体力学分析(CFD)数值仿真及分析、PLC控制系统的CPU及扩展模块的选型、地址分配、主接线图等。论文最后给出了细胞培养控制系统各个控制模块的功能、要求及PLC控制程序流程图。
　　本文所设计的反应器及控制系统在新疆某生物技术股份有限公司的实际培养中得以验证。实验结果显示，使用该反应器悬浮培养动物细胞，细胞密度明显递增且细胞活力显著提高，表明反应器及控制系统设计方案可行，对大规模反应器细胞悬浮培养有很好的推广意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 反应器细胞培养技术的背景

1．2 反应器细胞悬浮培养的国内外现状与发展趋势

1．3 本文的研究意义

1．4 本文研究的主要内容

第二章 动物细胞悬浮培养反应器及搅拌系统设计

2．1 动物细胞生长简单动力学模型

2．2 悬浮培养的特点和优越性

2．2．1 悬浮培养的特点

2．2．2 悬浮培养生产效率的高效性分析

2．3 各类动物细胞培养生物反应器简介

2．4 动物细胞悬浮培养反应器设计

2．4．1 动物细胞悬浮培养反应器设计要求

2．4．2 动物细胞悬浮培养反应器设计方案

2．4．3 罐体设计

2．5 工艺管路的设计

2．6 搅拌系统选型、分析及反应器内部流场CFD数值仿真

2．4．6 反应器内流场CFD数值仿真

2．7 本章小结

第三章 动物细胞悬浮培养反应器控制系统的硬件设计

3．1 细胞悬浮培养过程中的控制要求及测控方法

3．1．1 温度控制要求及测控方法

3．1．2 pH控制要求及测控方法

3．1．3 溶氧控制要求及测控方法

3．1．4 压力控制要求及测控方法

3．1．5 补液换液控制要求及方法

3．2 细胞悬浮培养反应器硬件设计框图及选型

3．2．1 细胞悬浮培养反应器硬件设计框图

3．2．2 硬件选型

3．3 控制系统的I／O分配表

3．4 控制系统接线图

3．5 本章小结

第四章 动物细胞悬浮培养反应器控制系统的软件设计

4．1 PID算法与PID回路指令

4．1．1 PID算法

4．1．2 PID在PLC中的回路指令

4．1．3 控制方式

4．1．4 回路输入输出变量的数值转换

4．1．5 PID的运算框图

4．2 S7-200程序设计流程图

4．3 控制系统内存地址分配表

4．4 S7-200程序设计梯形图

4．4．1 主程序

4．4．2 子程序0

4．4．3 中断程序

4．5 参数PID整定

4．6 应用结果与分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 存在的问题及改进

参考文献

致谢