第10卷第1期 2010年2月
过程工程学报
The Chinese Journal of Process Engineering
Vol.10 No.1 Feb.2010
圆柱状人工肝生物反应器中溶解氧浓度动态分布模型及其氧浓度变化速率
刘剑峰，宋涛"，王喆，姜薇
(1.中国科学院电工研究所，北京100190：2.中国科学院研究生院，北京100049)
摘要：从人工肝治疗的需要出发，建立了圆柱状专用生物反应器中溶解氧浓度动态分布的数学机理模型，并分析了反应器内部实时氧浓度变化速率，设计出了溶氧变化的在线检测方法，结合模型推导出反应器内部总氧浓度变化量与实时氧浓度变化速率之间的关系，通过仿真数据与实测实验的对比验证了该模型的正确性，其平均误差在±5%以内，氧浓度变化速率误差在±1%以内，验证了总氧浓度变化量&bo与实时氧浓度变化速率R之间满足&o=MNAAR/V
关键词：生物反应器：模型；溶解氧浓度：肝细胞培养；生物人工肝支持系统；氧浓度变化速率；总氧浓度变化量
中图分类号：TP273;R318 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2010)01-0010-07
线监测，消除了频紧取样分析带来的操作累项、容易架
生物人工肝支持系统(BioartificialLiverSupport System，BALSS)是近年发展起来的一种对患者肝脏进行临时性功能替代与支持的新型治疗方式，其治疗效果已得到大多数专家的肯定12)，BALSS的工作原理是将肝细胞置于体外的生物反应器中，通过半透膜与患者的血浆(血液)进行物质交换，以达到肝脏解毒、合成及代谢的作用，
肝细胞在生物反应器中的生存状态直接影响整套系统的治疗效果，在肝细胞培养过程中，氧浓度变化速率是一个重要指标，依靠离线的细胞计数和营养物浓度分析或经验性的计量关系，曾取得了较好效果[45]，但考到频紧取样离线分析带来的诸多不便，希望能对细胞的生长代谢状况进行在线监测.对于氧的消耗，Yoon 等[]和Dave等[7]观察到氧浓度变化速率随细胞密度增大而减小，
2008年，中国科学院电工研究所开展了人工肝生物反应器中溶氧浓度动态分布的建模及相关实验研究]，建立了分体双循环生物反应器中溶氧分布的数学机理模型，并应用该模型对反应器进行了优化设计，取得了较好效果，但对反应器内氧浓度变化速率与总氧浓度变化量的关系尚未进行深入分析。本工作在前期研究(9.10) 的基础上，借鉴建立模型的思路，针对一种圆柱状生物反应器进行了分析，并通过在线测得反应器出入口处溶氧的实际数据，根据模型推导出反应器内部的溶氧动态分布，从而为肝细胞培养及人工肝应用提供了重要的参考指标及理论依据此外，通过实时测量出入口处的落氧浓度，设计了一套落氧变化量在线检测方法，用于实时监测反应器内部的氧浓度变化速率，由于该方法可在
菌、无法自控等缺点，当反应器内不存在其他引起氧浓度变化的源项因素时，氧浓度变化速率即等于细胞的实时耗氧量.此时，应用该方法既可得到反应过程中的总氧浓度变化量，又可得到反应器内部由细胞生长引起的氧消耗速率，该指标对于肝细胞培养过程的评价具有重要指导意义，同时对人工肝的应用也具有很大的实用价值
2实验 2.1实验流程
整个实验流程如图1所示，圆柱状生物反应器是在生物人工肝支持系统中应用的一种典型反应器(图1中 8)，该反应器通过膜式氧合器供氧，以增加反应器内部的落氧浓度：肝细胞在反应器内通过微载体或微衰包理方式在液体中悬浮，视治疗需要其细胞量通常在10° 10"°mL-，富含氧分的液体在蜡动泵14作用下，由反应器下口13进入，经肝细胞消耗后自上口12流出，再进入氧合器11增氧，如此往复循环.反应器内部由于流动产生的升力与微载体或微囊的重力平衡，可通过调控反应器内液体流速调节微载体或微囊悬浮的高度测试点 12，13放置溶氧传感器，可测量反应器出入口处的溶解氧浓度
2.2实验设备和测试仪器
实验采用兰格BT00-300M型蜡动泵+YZ1515型系头(图1中14)，25号硅胶管，选用低限基本培养基(MinimumEssentialMedia，GlIBCO公司）作为流动液体加入生物反应器8中，高纯氧气（图1中2)纯度为 99.995%，流量U=2L/min，通过计算机10调节的I/O 设备6驱动电磁阀7调节氧气流量，膜式吸收器（图1中
收稿日期：2009-07-03，修回日期：2009-12-15
基金项目：国家高技术研究发展计划(863)重人募金资助项目(编号：2006AA02A140)
作者简介：刘剑峰(1981-)，男，北京市人，博士研究生，生物电工专业；宋海，通讯联系人，E-mail:songtao@mail.iee.ac.cn 万方数据