基于磁力搅拌的生物反应器测控系统研究

• 作 者: 吴红生
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: MDCK悬浮培养 CFD GRA-KFCM-DRVM ARM9 GPRS

近年来,禽流感流行病不断爆发,禽流感疫苗的需求也急剧上升,急需工业化大规模生产。犬肾上皮连续细胞系(MDCK)悬浮培养是目前培养禽流感疫苗的主要方式,且搅拌式生物反应器是MDCK悬浮培养的核心设备。因为MDCK没有细胞壁,且在成长过程中需要充分吸收营养和氧气,所以对培养环境中的污染物和剪切力都非常敏感,因此如何提高生物反应器的密封性能和使反应器内培养液在低剪切力的情况下充分混合是反应器结构设计的难点。此外,MDCK悬浮培养过程具有高度非线性,因此其测控系统的设计也是工业化大规模悬浮培养MDCK的难点。针对上述问题,本文的主要研究工作如下:(1)针对MDCK悬浮培养用搅拌式生物反应器的密封和培养环境中的剪切力与混合度的协调问题,设计了一种MDCK悬浮培养反应器用新型双磁力搅拌系统。首先,利用SolidWorks三维建模软件建立了新型搅拌系统的三维模型;然后,利用计算机流体力学(CFD)仿真软件ANSYS CFX对反应器内流场进行模拟,对新型搅拌系统结构参数进行优化设计。结果表明,本文所设计的新型搅拌系统使得MDCK在悬浮培养过程中,在低剪切力下混合效果更好,且与反应器罐体配合间无间隙完全密封,为MDCK悬浮培养规模扩大提供依据。(2)针对MDCK悬浮培养过程中葡萄糖浓度、乳酸浓度和活细胞密度无法实时在线测量的问题,建立了基于灰关联分析的核模糊聚类动态关联向量机(GRA-KFCM-DRVM)软测量模型。首先,利用灰关联分析的方法选择了软测量模型的输入量;其次,建立MDCK悬浮培养过程的动态关联向量机(DRVM)软测量模型;再次,通过核模糊聚类(KFCM)的方法对DRVM模型进行优化;最后,通过MATLAB仿真验证GRA-KFCM-DRVM的预测效果,并与DRVM模型进行对比。结果表明,GRA-KFCM-DRVM精度更高、更稳定,为实时控制提供了很好的基础。(3)在对MDCK悬浮培养过程中关键变量预测的基础上,设计了基于ARM9微处理器的智能控制系统。主要设计了MDCK悬浮培养过程的控制系统硬件结构和基于Linux的控制系统软件环境;并且设计了基于GPRS网络的远程移动端的实时监控系统,实现了MDCK悬浮培养过程的智能控制。