破解「槳葉密碼」 ——探秘細胞工廠中傳質與剪切的平衡之道

在生物製藥的微觀世界裏，中國倉鼠卵巢（CHO）細胞是生產抗體藥物的關鍵平台，全球近九成的抗體藥物都源自這座精密的”細胞工廠“。隨着對產能和效率要求的提升，如何在生物反應器中實現細胞的高密度培養並維持高效生產，成爲了行業面臨的重要課題。其中，核心挑戰在於平衡兩方面需求：既要強化傳質，爲細胞輸送充足的氧氣和養分；又要控制剪切力，避免機械損傷對細胞造成應激甚至死亡。

攪拌槳葉，作爲反應器內流場設計的關鍵部件，其設計直接決定了上述平衡的實現。森松基於科學的槳葉設計方法，系統研究了不同槳葉在高密度培養中的表現。

讀懂細胞的「脾氣」:

與高密度培養相關的細胞生理特性

對剪切力高度敏感

CHO細胞沒有細胞壁的保護，對剪切力極其敏感。過高的剪切力可能會直接破壞細胞膜，導致細胞壞死，即便是較低的亞致死剪切應力，也會抑制細胞生長，降低產藥效率。

高密度下耗氧量劇增

在高密度培養時，細胞數量可達每毫升上億個，其耗氧量指數級增長。這就要求反應器內部必須實現均勻、高效的氧氣輸送，任何角落的缺氧都可能導致細胞代謝紊亂。

更復雜的是，高密度下的細胞懸浮液的黏度並非固定，而會呈現出剪切稀化的特性——靜止時黏稠，攪動後變稀。這一關鍵物性徹底改變了反應器內的流體規則，使得傳統設計理論面臨挑戰。

圖1 不同體積分數的細胞懸浮液的流變性對比

細胞的「最佳搭檔」：

五種軸流槳葉的性能比較

森松採用先進的計算流體力學（CFD）仿真技術，在相同工況下，對五種常用軸流槳葉進行了系統評估，包括三窄葉水翼槳、斜葉槳、三寬葉水翼槳、分離式槳葉和象耳槳。

流動與循環——01

誰能驅動全場，消除「死水區」？

反應器內的流體循環如同城市的交通系統，既要流動強勁，也要覆蓋全面，避免出現物質交換停滯的「死水區」。模擬結果顯示，寬槳葉在驅動全局循環的能力上優勢顯著。

圖2 不同槳葉結構下的速度雲圖與矢量圖

窄槳葉僅能驅動反應器中下部的流體，液麪附近流速近乎爲零，易形成死區。而象耳槳等寬槳葉能產生強大的軸向泵送力，形成貫穿整個反應器的均勻大循環，確保了每個細胞都能參與其中。

氣相分散——02

誰能將氣泡「管理」得井井有條？

細胞的呼吸依賴於以氣泡形態進行的通氣供氧。氣泡能否被均勻打散並輸送到每個角落，直接決定了反應器內溶氧的均勻性，進而決定細胞是否擁有適合生長和生產的微環境。

圖3 不同槳葉結構下的氣含率分佈圖

寬槳葉憑藉更大的葉片面積和更強的液體循環，在氣相分散上再勝一籌。其中，象耳槳表現最優，它能將氣泡有效地「束縛」並分散在槳葉區，防止其未經充分利用就沿壁快速上浮逃逸，從而實現了反應器內更均勻的溶氧環境。

傳質效率——03

誰的「供氧」效率最高且最均衡？

傳質效率的核心指標是體積氧傳質係數（kLa），它衡量了氧氣從氣泡傳遞到液體的速率。結果顯示，斜葉槳和象耳槳的kLa值最高。

圖4 不同槳葉結構下的體積氧傳質係數

而象耳槳的優勢不僅是數值上的領先，更通過其優異的氣相分散均勻性，幾乎實現了「全域均衡傳質」。這意味反應器內的細胞在跟隨流體流動時，微環境內溶氧濃度波動平穩，避免了不均衡的現象，保證CHO細胞始終處於適宜生產的微環境。

剪切控制——04

誰的「手法」最溫和？

這是考驗的最後一關，也是最關鍵的一關。所有槳葉產生的最大剪切力都集中在槳葉葉端，且都超過了細胞的耐受極限，但這些高風險區域佔比極小。真正的差距體現在細胞在整個反應器中游歷時，所經歷的剪切力時空分佈。通過隨機追蹤單個細胞的運動軌跡發現，在配置象耳槳的反應器中，細胞遭遇高強度剪切力（>2Pa，亞致死區間）的頻率和持續時間顯著低於其他槳葉。

圖5 不同槳葉結構下的(a)體積平均剪切應力與(b)最大剪切應力

圖6 不同槳葉結構下生物反應器中CHO細胞所受剪切應力的時間演變曲線

這意味着，象耳槳爲細胞營造了一個更爲穩定和溫和的力學微環境，大大降低了細胞因頻繁「受傷」而積累應激損傷的風險，完美契合了CHO細胞剪切敏感的特性。

結論

綜合以上四個維度的分析，象耳槳憑藉其獨特的寬大弧線型葉片設計，在強化傳質與控制剪切這一對核心矛盾中取得了最佳平衡點：

1 通過強大的循環和均勻的氣相分散，確保了養分和氧氣的精準投遞。

2 通過形成恰當的流場結構，最大限度地減少了細胞所受的機械應激。

這也是森松玻璃生物反應器選擇象耳槳作爲核心技術的底層邏輯——以科學的量化設計，真正讀懂細胞的需求，爲高密度培養工藝的工業化成功提供了堅實可靠的裝備基石。

玻璃生物反應器

不鏽鋼生物反應器系統

在生物製藥邁向效率提升的背景下，工藝的成功離不開對基礎科學的深刻洞察與前沿工程技術的完美融合。森鬆通過CFD仿真等科學工具，將傳統的「經驗驅動」升級爲「數據與模型驅動」，精準破解了槳葉的密碼。未來，隨着人工智能與機器學習技術的深度融合，生物反應器的設計將更加智能化、精細化。森松將繼續深耕於此，以更先進的科學裝備，助力全球製藥企業突破產能瓶頸，穩健駛入生物製藥高效生產的快車道，爲患者帶來更多優質的生物藥。

參考文獻

[1] Botao Zhang, Xinran Zhang, Qingyuan Ran, Weijian Zhang, Gance Dai, Liang Zhao, Qian Ye, Wen-Song Tan. Rheology of CHO Cell Suspensions and Its Effects on High‐Density Cultivation Process and Bioreactor Design [J]. Biotechnology Journal. 2025, 20(3): e70003.

[2] Botao Zhang, Qingyuan Ran, Gance Dai, Qian Ye, Liang Zhao, Wen-Song Tan. Comparison of Perfusion Culture Performance in Orbitally Shaken Bioreactors and Stirred Tank Bioreactors: A Spatiotemporal Dynamic Analysis of Shear Stress and Mass Transfer Based on Suspension Rheology [J]. Processes. 2025, 13(4): 955.

[3] Walsh G, Walsh E. Biopharmaceutical benchmarks 2022[J]. Nature Biotechnology, 2022, 40(12): 1722-1760.

[4] Neunstoecklin B, Stettler M, Solacroup T, et al. Determination of the maximum operating range of hydrodynamic stress in mammalian cell culture[J]. Journal of Biotechnology, 2015, 194: 100-109.

[5] Srom O, Travnikova V, Wutz J, et al. Characterization of hydrodynamic stress in ambr250® bioreactor system and its impact on mammalian cell culture[J]. Biochemical Engineering Journal, 2022, 177.

[6] Zakrzewski R, Lee K, Lye G J. Development of a miniature bioreactor model to study the impact of pH and DOT fluctuations on CHO cell culture performance as a tool to understanding heterogeneity effects at large-scale[J]. Biotechnology Progress, 2022, 38(4).

關於森松生命科技

森松生命科技是森松國際控股有限公司（森松國際，股票代碼：2155.HK）的重要業務板塊之一，主要由上海森松製藥設備工程有限公司、森松（蘇州）生命科技有限公司、上海森松生物科技有限公司、上海森衆生物技術有限公司、上海森紘科技有限公司、瑞士比歐生物工程公司、瑞典森松法瑪度等公司及其附屬公司組成。

我們專注於提供製藥、生物製藥、醫美、快速消費品（含化妝品、食品、保健品等）、數據中心等領域的核心設備、工藝系統和數智化整體工廠解決方案及相應服務。公司擁有一支由工藝研發、工程設計、高端製造、驗證諮詢、生產執行、數智運維等多領域資深專家的精英團隊。團隊成員在製藥、生物製藥、醫美、快消、數據中心等行業和領域擁有豐富的經驗，熟悉不同產品的特性及工藝流程，能夠針對客戶的需求，從概念設計階段起提供定製化的工藝解決方案，滿足客戶的個性化需求。

森松生命科技已構建起全球戰略佈局，在全球不同國家和地區建立先進研發、設計中心和製造基地的同時，形成了覆蓋歐美、亞太及新興市場的完善服務網絡。公司國際化專業團隊已成功爲40多個國家和地區提供定製化解決方案，在全球項目執行方面積累了豐富經驗。

作爲掌握核心工藝技術、模塊化建造及數智化工廠技術的跨國企業，森松生命科技致力於滿足全球製藥、生物製藥、醫美、快消、數據中心等行業和領域對生產裝備的需求。公司通過不斷創新和優化，助力國內企業加速實現核心和高端裝備的國產替代戰略佈局，推動行業發展。同時，公司積極拓展海外市場，深化「全球化」業務開拓戰略，爲全球生命科學及相關行業貢獻森松力量。

資料下載

如果您想了解或下載森松產品資料，可通過以下方式進行查看與下載：

1.官方網站

中文版：

https://www.morimatsu-lifesciences.com/zh-cn/resource/

英文版：

https://www.morimatsu-lifesciences.com/resource/

2.微信公衆號

關注「森松生命科技」公衆號→點擊底部菜單欄「走進森松」→選擇「資源下載」

風險及免責聲明：以上內容僅代表作者個人觀點，不代表富途任何立場，亦不構成任何投資建議，富途對此不作任何保證與承諾。更多信息