在生物制药的微观世界里，中国仓鼠卵巢（CHO）细胞是生产抗体药物的关键平台，全球近九成的抗体药物都源自这座精密的”细胞工厂“。随着对产能和效率要求的提升，如何在生物反应器中实现细胞的高密度培养并维持高效生产，成为了行业面临的重要课题。其中，核心挑战在于平衡两方面需求：既要强化传质，为细胞输送充足的氧气和养分；又要控制剪切力，避免机械损伤对细胞造成应激甚至死亡。

搅拌桨叶，作为反应器内流场设计的关键部件，其设计直接决定了上述平衡的实现。森松基于科学的桨叶设计方法，系统研究了不同桨叶在高密度培养中的表现。

在高密度培养时，细胞数量可达每毫升上亿个，其耗氧量指数级增长。这就要求反应器内部必须实现均匀、高效的氧气输送，任何角落的缺氧都可能导致细胞代谢紊乱。

更复杂的是，高密度下的细胞悬浮液的黏度并非固定，而会呈现出剪切稀化的特性——静止时黏稠，搅动后变稀。这一关键物性彻底改变了反应器内的流体规则，使得传统设计理论面临挑战。

图1 不同体积分数的细胞悬浮液的流变性对比

细胞的「最佳搭档」：

五种轴流桨叶的性能比较

森松采用先进的计算流体力学（CFD）仿真技术，在相同工况下，对五种常用轴流桨叶进行了系统评估，包括三窄叶水翼桨、斜叶桨、三宽叶水翼桨、分离式桨叶和象耳桨。

1.流动与循环：谁能驱动全场，消除「死水区」？

反应器内的流体循环如同城市的交通系统，既要流动强劲，也要覆盖全面，避免出现物质交换停滞的“死水区”。模拟结果显示，宽桨叶在驱动全局循环的能力上优势显著。

图2 不同桨叶结构下的速度云图与矢量图

窄桨叶仅能驱动反应器中下部的流体，液面附近流速近乎为零，易形成死区。而象耳桨等宽桨叶能产生强大的轴向泵送力，形成贯穿整个反应器的均匀大循环，确保了每个细胞都能参与其中。

2.气相分散：谁能将气泡「管理」得井井有条？

细胞的呼吸依赖于以气泡形态进行的通气供氧。气泡能否被均匀打散并输送到每个角落，直接决定了反应器内溶氧的均匀性，进而决定细胞是否拥有适合生长和生产的微环境。

图3 不同桨叶结构下的气含率分布图

宽桨叶凭借更大的叶片面积和更强的液体循环，在气相分散上再胜一筹。其中，象耳桨表现最优，它能将气泡有效地“束缚”并分散在桨叶区，防止其未经充分利用就沿壁快速上浮逃逸，从而实现了反应器内更均匀的溶氧环境。

3.传质效率：谁的「供氧」效率最高且最均衡？

传质效率的核心指标是体积氧传质系数（kLa），它衡量了氧气从气泡传递到液体的速率。结果显示，斜叶桨和象耳桨的kLa值最高。

图4 不同桨叶结构下的体积氧传质系数

而象耳桨的优势不仅是数值上的领先，更通过其优异的气相分散均匀性，几乎实现了“全域均衡传质”。这意味反应器内的细胞在跟随流体流动时，微环境内溶氧浓度波动平稳，避免了不均衡的现象，保证CHO细胞始终处于适宜生产的微环境。

4.剪切控制：谁的「手法」最温和？

这是考验的最后一关，也是最关键的一关。所有桨叶产生的最大剪切力都集中在桨叶叶端，且都超过了细胞的耐受极限，但这些高风险区域占比极小。真正的差距体现在细胞在整个反应器中游历时，所经历的剪切力时空分布。通过随机追踪单个细胞的运动轨迹发现，在配置象耳桨的反应器中，细胞遭遇高强度剪切力（>2Pa，亚致死区间）的频率和持续时间显著低于其他桨叶。

图5 不同桨叶结构下的(a)体积平均剪切应力与(b)最大剪切应力

图6 不同桨叶结构下生物反应器中CHO细胞所受剪切应力的时间演变曲线

这意味着，象耳桨为细胞营造了一个更为稳定和温和的力学微环境，大大降低了细胞因频繁“受伤”而积累应激损伤的风险，完美契合了CHO细胞剪切敏感的特性。

结论

综合以上四个维度的分析，象耳桨凭借其独特的宽大弧线型叶片设计，在强化传质与控制剪切这一对核心矛盾中取得了最佳平衡点：

在生物制药迈向效率提升的背景下，工艺的成功离不开对基础科学的深刻洞察与前沿工程技术的完美融合。森松通过CFD仿真等科学工具，将传统的“经验驱动”升级为“数据与模型驱动”，精准破解了桨叶的密码。未来，随着人工智能与机器学习技术的深度融合，生物反应器的设计将更加智能化、精细化。森松将继续深耕于此，以更先进的科学装备，助力全球制药企业突破产能瓶颈，稳健驶入生物制药高效生产的快车道，为患者带来更多优质的生物药。

参考文献

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