CN114880943B - 一种基于数据库的生物反应器设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物反应器设计技术领域，具体涉及一种基于数据库的生物反应器设计方法及系统，包括：步骤S1：针对一目标反应器的设计需求提取所述目标反应器的设计特征；步骤S2：自所述数据库中采用所述设计特征查找一相近的历史反应器，对所述历史反应器进行调整，以生成一模拟反应器；步骤S3：对所述模拟反应器进行模拟并迭代，当所述模拟反应器符合所述目标反应器的设计指标后，将所述模拟反应器作为所述目标反应器输出。本发明的有益效果在于：通过预先构建的存储有历史反应器的数据库，在历史反应器的指导下对模拟反应器进行迭代、仿真，从而实现了较好的设计效果，避免了现有技术中依赖于人工经验设计导致的设计缺陷问题。

Description

一种基于数据库的生物反应器设计方法及系统

技术领域

本发明涉及生物反应器设计技术领域，具体涉及一种基于数据库的生物反应器设计方法及系统。

背景技术

生物反应器，是指利用自然存在的微生物、动物细胞(比如CHO细胞、Vero细胞等)或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相，并利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生化反应的反应系统。由于生物反应器在反应过程中，相对于部分化学反应器不需要高温、高压的环境，因此在能耗表现上尤为突出，在酒类、医药生产、浓缩果酱、果汁发酵、有机污染物降解方面有重要应用。同时，动物细胞的应用在疫苗生产，比如用Vero细胞进行疫苗生产，抗体和生物大分子的生产，比如用CHO细胞生产单抗、双抗、生物大分子等。为实现生物反应器较好的生产效率，针对不同工厂的不同生产需求，往往需要对生物反应器进行重新设计、生产规模的放大、扩大生产等。

现有技术中，针对生物反应器的重新设计工作主要是依赖于人工经验来完成的，在生物反应器的设计阶段无法知道所设计的生物反应器工艺表现是怎样的，必须等生物反应器制造完成后实际测试后才能知道其工艺表现如何，这种根据经验的工艺设计方法存在很大的风险，可能会导致设计的生物反应器经过实际测试后与期望的工艺表现存在重大偏差，从而需要再进行整改或者不能直接用于所期望的细胞培养过程中。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于数据库的生物反应器设计方法及系统。

具体技术方案如下：

一种基于数据库的生物反应系统设计方法，包括：

步骤S1：针对一目标反应系统的设计需求生成所述目标反应系统的设计特征；

步骤S2：自所述数据库中采用所述设计特征查找一相近的历史反应系统，对所述历史反应系统进行调整，以生成一模拟反应系统；

步骤S3：对所述模拟反应系统进行模拟并迭代，当所述模拟反应系统符合所述目标反应系统的设计指标后，将所述模拟反应系统作为所述目标反应系统输出。

优选地，于所述步骤S1之前包括一数据库生成过程，所述数据库生成过程具体包括：

步骤A1：获取多组历史反应系统，对所述历史反应系统分别进行测试以生成对应于所述历史反应系统的工艺信息和所述设计特征；

步骤A2：根据所述工艺信息和所述设计特征建立所述历史反应系统的反应器模型；

所述反应器模型用于表征所述历史反应系统的工艺指标与机械设计特征变化规律；

步骤A3：将所述历史反应系统和所述反应器存入所述数据库；

则所述步骤S3之后还包括：

步骤S4：提取所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征，根据所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征对所述数据库进行更新。

优选地，所述步骤S3包括：

步骤S31：对所述模拟反应系统进行模拟，获得所述模拟反应系统的工艺性能数据；

步骤S32：根据所述工艺性能数据判断所述模拟反应系统是否符合所述设计指标；

若是，将所述模拟反应系统作为所述目标反应系统输出；

若否，对所述模拟反应系统的机械特征进行调整，随后返回所述步骤S31。

优选地，所述步骤S32中，对所述机械特征进行调整的方法包括：

确定一目标Kla值，在所述目标Kla值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

和/或，确定一目标P/V值，在所述目标P/V值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

和/或，确定一目标OTR值，在所述目标OTR值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

和/或，对所述模拟反应系统进行多参数风险分析以获得影响系数，根据所述影响系数对所述模拟反应系统进行缩放。

优选地，所述步骤S31中，采用一等值曲线图显示所述工艺性能数据；

则所述步骤S32还包括：通过调整所述等值曲线图的投影方式、显示范围，并基于Kla值进行逆运算获得Pv值、通气量、转速和vvm，以判断所述模拟反应系统是否符合所述设计指标。

一种基于数据库的生物反应系统设计系统，用于实施上述的生物反应系统设计方法，包括：

设计特征提取单元，所述设计特征提取单元接收一目标反应系统的设计需求，根据所述设计需求确定设计特征；

反应系统生成单元，所述反应系统生成单元自所述数据库中采用所述设计特征查找一历史反应系统，并根据所述历史反应系统生成模拟反应系统；

迭代单元，所述迭代单元对所述模拟反应系统进行模拟并迭代，直至所述模拟反应系统符合所述目标反应系统的设计指标后输出。

优选地，还包括数据库生成单元和数据库更新单元；

所述数据库生成单元获取多组历史反应系统，根据所述历史反应系统建立并存储对应于所述历史反应系统的反应器模型；

所述数据库更新单元获取所述目标反应系统，并提取所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征，根据所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征对所述数据库进行更新。

优选地，所述迭代模块包括：

模拟模块，所述模拟模块自所述数据库中获取对应于所述历史反应系统的所述反应器模型

所述模拟模块采用所述关联模型对所述模拟反应系统进行模拟以获得所述工艺性能数据；

投影图绘制模块，所述投影图绘制模块根据所述工艺性能参数绘制一等值曲线图，并采用预先设置的多个Kla阈值对所述性能投影图进行着色；

参数调整模块，所述参数调整模块在所述模拟反应系统不符合所述设计指标时，响应一参数调整命令对所述模拟反应系统的机械特征进行调整；

所述参数调整命令还用于对所述模拟反应系统进行放大和缩小。

优选地，所述参数调整模块包括：

Kla缩放子模块，所述Kla缩放子模块接收一目标Kla值，所述目标Kla值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

P/V缩放子模块，所述P/V缩放子模块接收一目标P/V值，在所述目标P/V值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

OTR缩放子模块，所述OTR缩放子模块接收一目标OTR值，在所述目标OTR值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

风险分析子模块，所述风险分析子模块对所述模拟反应系统进行多参数风险分析以获得影响系数；

影响系数缩放子模块，所述影响系数缩放子模块根据所述影响系数对所述模拟反应系统进行缩放。

优选地，所述投影图绘制模块包括显示子模块、投影范围调整子模块和逆运算子模块；

所述显示子模块显示所述等值曲线图，并响应一视角切换命令将所述等值曲线图切换为二维显示或三维显示；

所述投影范围调整子模块于所述显示子模块上显示一横向拉动轴和纵向拉动轴，所述横向拉动轴或所述纵向拉动轴响应一拉动指令对所述等值曲线图的投影范围进行调整；

所述逆运算子模块获取一分析指令，并根据所述分析指令所对应的Kla值结算出对应的Pv值、通气量、转速和vvm。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过预先构建的存储有历史反应系统以及反应器模型的数据库，在历史反应系统的指导下对模拟反应器进行迭代、仿真，从而实现了较好的设计效果，避免了现有技术中依赖于人工经验设计导致的设计缺陷问题；同时，通过对历史累计的历史反应系统和新设计生成的目标反应系统进行测试、提取相应信息并进行工艺表征，实现了对数据的积累迭代，从而在长期的设计过程中提高了准确度。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例的整体示意图；

图2为本发明实施例中数据库生成、更新过程示意图；

图3为本发明实施例中步骤S1子步骤示意图；

图4为本发明实施例中步骤S2子步骤示意图；

图5为本发明实施例中步骤S3子步骤示意图；

图6为本发明实施例中设计系统原理框图；

图7为本发明实施例中气泡图示意图；

图8为本发明实施例中缩放过程中对照曲线示意图；

图9为本发明实施例中多个反应器的对照曲线示意图；

图10为本发明实施例中等值曲线图示意图；

图11为本发明实施例中参数调整模块子模块示意图；

图12为本发明实施例中投影图绘制模块子模块示意图；

图13为本发明实施例中二维投影图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括：

一种基于数据库的生物反应器设计方法，如图1所示，包括：

步骤S1：针对一目标反应系统的设计需求生成目标反应系统的设计特征；

步骤S2：自数据库中采用设计特征查找一相近的历史反应系统，对历史反应系统进行调整，以生成一模拟反应系统；

步骤S3：对模拟反应系统进行模拟并迭代，当模拟反应系统符合目标反应系统的设计指标后，将模拟反应系统作为目标反应系统输出。

具体地，针对现有技术中的生物反应器在设计过程中主要依赖于经验，其不具有普适性的问题，本实施例中，通过在数据库中预先存储有历史反应系统以及用于表征历史反应系统的工艺信息和设计特征的反应器模型，并在实际设计基于历史反应系统的相关信息进行设计、调整，从而使得新设计的生物反应器在历史反应器的指导下符合相应的生产需求，进而实现较好的设计质量。同时，在设计过程中还可围绕反应器模型、相关的设计规律对迭代过程中的模拟反应器进行参数的预测，以实现对模拟反应器的调整方向的较好指导效果。

在实施过程中，数据库是指在常年累月的生物反应器设计和生产制造过程中，根据不同类型的机械设计特征，实际测试或者理论计算出这种机械特征对应的工艺表现。进而建立生物反应器机械设计特征与其工艺性能表现的关联，以软件的形式进行储存，进而应用在新的反应器设计过程中，指导后续的生物反应器的设计。目标反应系统指基于客户的设计需求所预想的一种需要设计的生物反应系统。根据反应系统的类型的不同可能包含有一个或多个生物反应器。比如，在一实施例中，生产线整体会涉及到种子反应器(根据生产规模的不同，种子罐会有很多级，逐级接种扩增后最后在生产罐上进行生产目标产品)；一条线的反应器数量可能是1个，也可能是多个。比如最终生产罐式10000L的反应器，前面一般有4个逐级扩增的种子罐(20L、100L、500L、2000L)。通常情况下，该目标反应系统是在历史反应系统上，确定进一步的设计指标、应用场景及设计预留控件来确定的待设计的目标反应系统。模拟反应器指在设计过程中，针对历史反应器进行缩放从而获得的中间数据，其在一定程度上与目标反应器的设计特征，比如反应器的罐体大小、系统整体的工作方式等相同。通过在历史反应器的指导下进一步对模拟反应器的机械特征进行调整、缩放从而可以获得等同于目标反应器的输出结果。

在一种较优的实施例中，于步骤S1之前包括一数据库生成过程，如图2所示，数据库生成过程具体包括：

步骤A1：获取多组历史反应系统，对历史反应系统分别进行测试以生成对应于历史反应系统的工艺信息和设计特征；

步骤A2：根据工艺信息和设计特征建立历史反应系统的反应器模型；

反应器模型用于表征历史反应系统的工艺指标与机械设计特征变化规律；

步骤A3：将历史反应系统和反应器模型存入数据库；

步骤S3之后还包括：

步骤S4：提取目标反应系统的工艺信息和设计特征，根据目标反应系统的工艺信息和设计特征对数据库进行更新。

具体地，针对现有技术中无法对生物反应系统的相关参数进行有效表征的问题，本实施例中通过预先采集相关历史反应系统的工艺信息，并进行构建相应的反应器模型，实现了对工艺信息和工艺参数较好的表征，进而可根据相应的反应器模型对特定类型的反应系统进行有效的预测。同时，在设计过程结束后，还可针对新生产出的目标反应系统进行重新测试以获得其工艺信息和设计特征，通过实际测试验证之前基于数据库的模拟设计过程是否合理，并将新测试得到的数据作为数据库的累积数据。

在一种较优的实施例中，如图3所示，步骤S1包括：

步骤S11：获取一对应于目标反应系统的设计需求，根据设计需求确定目标反应系统的设计指标；

步骤S12：根据设计指标提取设计特征。

具体地，为实现较好的设计效果，本实施例中，针对目标反应器的设计需求，即目标反应器所需要培养什么类型的细胞，便需要根据被培养细胞的特点设计符合特定细胞培养特性的设计指标，进而实现对特定类型的生物反应器的选择。同时，基于这一设计指标，可进一步确定目标反应器的设计特征，包括：耐搅拌产生剪切力的能力、耐气泡产生剪切力的能力、氧气的消耗能力、CO2的代谢等，以此来实现对生物反应器的工艺表征，进而确定在设计过程中所需要参照的历史反应器。

作为可选的实施方式，为实现对设计指标较好的确定效果，在实施过程中可预先针对客户的历史反应系统进行测试，获得历史反应系统的工艺信息、需要培养的细胞、生产的产品等等，针对该类信息进行进一步地确定其进一步的设计指标。比如，当客户已完成小试产品工艺的开发，目前需要针对中试产品进行工艺放大、增加生产规模等，则可以预先针对小试产品的历史反应系统进行测试，得到相应的工艺信息，并进一步确定中试产品的相关设计指标。

在一种较优的实施例中，如图4所示，步骤S2包括：

步骤S21：采用设计特征自数据库中检索到一最为接近的历史反应系统；

步骤S22：根据历史反应系统生成模拟反应系统。

具体地，为实现较好的设计效果，本实施例中，通过在数据库中采用上述设计特征对数据库中的多个历史反应系统进行检索，从而获取到在设计特征上与目标反应系统最为接近的历史反应系统，该历史反应系统对应有一预先构建的反应器模型，随后，将历史反应系统进行导入，并对相关机械设计特征以及对应于机械设计特征的操作参数，进行相应的调整后，通过生成相应的对照图片来判断当前调整的模拟反应系统是否接近目标反应系统。

在一种较优的实施例中，如图5所示，步骤S3包括：

步骤S31：对模拟反应系统进行模拟，获得模拟反应系统的工艺性能数据；

步骤S32：根据工艺性能数据判断模拟反应系统是否符合设计指标；

若是，将模拟反应系统作为目标反应系统输出；

若否，对模拟反应系统的机械特征进行调整，随后返回步骤S31。

具体地，为实现较好的设计效果，本实施例中，通过对模拟反应系统在不同生产参数下的情况进行模拟，从而获得模拟反应系统的工艺性能数据，随后，根据工艺性能数据对模拟反应系统的机械特征，包括：罐体高径比、罐体装液量、挡板数量及挡板大小厚度、搅拌器桨叶形式、桨叶数量、桨叶安装的高度、曝气管的形式、曝气管的开孔大小、曝气管用大泡还是微泡、排气系统上的调节阀如何设计、进气质量流量计的量程、传感器的安装位置等进行调整并迭代，从而使得最终设计出的模拟反应系统符合用户需求。同时，还需要对同一生物反应系统中的多个反应器分别进行模拟缩放，并判断其工艺性能数据，以使得生物反应系统整体符合用户需求。

在一种较优的实施例中，对机械特征进行调整的方法包括：

确定一目标Kla值，在目标Kla值不变的情况下对模拟反应系统进行缩放；和/或，确定一目标P/V值，在目标P/V值不变的情况下对模拟反应系统进行缩放；

和/或，确定一目标OTR值，在目标OTR值不变的情况下对模拟反应系统进行缩放；

和/或，对模拟反应系统进行多参数风险分析以获得影响系数，根据影响系数对模拟反应系统进行缩放。

具体地，为实现对模拟反应系统较好的缩放效果，本实施例中，在对生物反应器平行转移的基础上，根据生物反应系统的类型的不同分别通过确定目标Kla值、目标P/V值、目标OTR值以及风险影响系数的方式，在保持特定参数不变的情况下进行缩放工作，从而实现较好的设计效果。

在一种较优的实施例中，步骤S31中，采用一等值曲线图显示工艺性能数据；

则步骤S32还包括：通过调整等值曲线图的投影方式、显示范围，并基于Kla值进行逆运算获得Pv值、通气量、转速和vvm，以判断模拟反应系统是否符合设计指标。

具体地，针对现有技术中的生物反应系统在设计过程中主要依赖于经验，其设计过程较为繁杂不便的问题，本实施例中，在用户选择对应的历史反应系统或迭代过程中生成的模拟反应系统并对操作参数值进行修改后，可直接计算出对应的叶尖速度、Pv值、vvm值和Kla值。随后，在显示界面中点击一绘图按钮，在界面右侧将绘制以通气量、Pv值为平面坐标，Kla值为竖直坐标的3D变化曲线，同时，通过渐变颜色填充、抓取更改视角、自动旋转和点击暂停等方式对绘制出的等值曲线图进行调整，从而实现较好的分析效果，以便于用户对模拟反应系统的参数进行调整。

一种基于数据库的生物反应系统设计系统，用于实施上述的生物反应系统设计方法，如图6所示，包括：

设计特征提取单元1，设计特征提取单元1接收一目标反应系统，根据目标反应系统确定设计特征；

反应系统生成单元2，反应系统生成单元2自数据库中采用设计特征查找一历史反应系统，并根据历史反应系统生成模拟反应系统；

迭代单元3，迭代单元3对模拟反应系统进行模拟并迭代，直至模拟反应系统符合目标反应系统的设计指标后输出。

具体地，针对现有技术中的生物反应系统在设计过程中主要依赖于经验，其不具有普适性的问题，本实施例中，通过在一软件系统中依次设置设计特征提取单元1、反应系统生成单元2和迭代单元3，针对一目标反应系统进行分析以提取其设计特征，随后通过在数据库中查找对应的历史反应系统以生成模拟反应系统，并对模拟反应系统进行迭代，从而实现较好的设计效果。

在一种较优的实施例中，还包括：数据库生成单元4和数据库更新单元5；

数据库生成单元4获取多组历史反应系统，根据历史反应系统建立并存储对应于历史反应系统的反应器模型；

数据库更新单元5获取目标反应系统，并提取目标反应系统的工艺信息和设计特征，根据目标反应系统的工艺信息和设计特征对数据库进行更新。

具体地，针对现有技术中的生物反应器设计过程仅能够依赖于人工经验进行设计，其不具有较为普适性的指导作用的问题，本实施例中，通过设置数据库生成单元4对往期十余年中累计的历史反应系统的测试数据进行清洗，提取历史反应系统在测试过程中表现出的工艺信息和设计特征，并基于工艺信息和设计特征构建对应于历史反应系统的反应器模型。该模型能够用于表征反应反应器的机械设计特征与工艺表现之间的关联性，在设计过程中还可围绕反应器模型、相关的设计规律对迭代过程中的模拟反应器进行参数的预测，以实现对模拟反应器的调整方向的较好指导效果。数据库更新单元5则是在完成对目标反应系统的设计、制造工作之后，对制造出的目标反应系统进行重新测试，并根据测试得到的数据对反应器模型进行更新，并作为新的历史反应系统进行储存，从而实现数据库的更新迭代，提高了后续依照数据库进行设计的准确性。

在一种较优的实施例中，设计特征提取单元1包括：

指标生成模块11，指标生成模块11接收外部输入的一对应于目标反应系统的设计需求，并根据设计需求确定目标反应系统的设计指标；

特征提取模块12，特征提取模块12根据设计指标提取设计特征。

具体地，为实现较好的设计效果，本实施例中，针对目标反应系统的设计需求，即目标反应系统所需要培养什么类型的细胞，便需要根据被培养细胞的特点设计符合特定细胞培养特性的设计指标，进而实现对特定类型的生物反应系统的选择。同时，基于这一设计指标，可进一步确定目标反应系统的设计特征，包括：耐搅拌产生剪切力的能力、耐气泡产生剪切力的能力、氧气的消耗能力、CO2的代谢等，以此来实现对生物反应系统的工艺表征，进而确定在设计过程中所需要参照的历史反应系统。

在一种较优的实施例中，反应系统生成单元2包括：

数据库模块21，数据库模块21中预先存储有多个历史反应系统；

查找模块22，查找模块连接数据库模块21，自数据库模块21中采用设计特征查找历史反应系统；

模拟反应系统生成模块23，模拟反应系统生成模块23对历史反应系统进行缩放调整以生成模拟反应系统；

模拟反应系统生成模块23还在缩放过程中实时模拟模拟反应系统在不同工作条件下的体积氧气质量转移系数并绘制一Kla图像输出。

具体地，针对现有技术中的生物反应系统设计过程主要依赖于人工经验的问题，本实施例中，通过设置数据库模块21对生物反应系统设备供应商在常年的各种类型的生物反应系统生产制造过程中，对这些生物反应系统进行工艺测试，得到不同设计特点对应的生物反应系统工艺表现。整理出虚拟的生物反应系统模型，以软件的形式进行储存，随后通过查找模块22对历史反应系统进行查找，并采用模拟反应系统生成模块23对历史反应系统的部分参数进行缩放调整从而生成模拟反应系统。

作为可选的实施方式，为实现较好的查找效果，查找模块22还可设置一气泡图界面，当用户根据多个字段在数据库中预先查找到多个对应的生物反应系统时，采用气泡图界面绘制如图7所示的Pv值-气流速度图像，并采用气泡的方式表征该类型设备的Kla值，从而便于用户查找到对应的历史反应系统。同时，在绘制图像之前，还可预先对历史反应系统的工艺参数进行调整，并根据调整后的工艺参数绘制气泡图，以实现历史反应系统的初步筛选。

作为可选的实施方式，模拟反应系统生成模块23可以选择多组历史反应系统进行对比曲线的绘制。通过用户指定一组工艺参数以及用户所希望参照的多个历史反应系统，可绘制如图8所示的Cm值随反应时间的变化图，以及其他的Cm-反应时间图、通气量对比图，进而实现较好的调整效果。

作为可选的实施方式，模拟反应系统生成模块23中还可以通过导入对应的外部数据表格，比如具有特定数据格式的Excel表格。该外部数据表格中记载有其他的反应系统的相关工艺信息和设计特征。基于该外部数据表格中记载的数据，可进一步模拟出对应的反应系统的Cm值随反应时间的变化图，以此在图8的基础上绘制如图9所示的对比线条进行通气量关联对比分析。同样地，根据设计需求的不同，也可基于该外部数据表格绘制出对应的反应系统的Cm-反应时间图、通气量对比图等，并叠加在对应的变化图像上，以此实现较好的关联比对分析效果。

在一种较优的实施例中，迭代单元3包括：

模拟模块31，模拟模块预先构建一关联模型，关联模型用于表征生物反应系统的设计特征与工艺性能数据的关联性；

模拟模块31采用关联模型对模拟反应系统进行模拟以获得工艺性能数据；

投影图绘制模块32，投影图绘制模块根据工艺性能参数绘制一等值曲线图，并采用预先设置的多个Kla阈值对等值曲线图进行着色；

参数调整模块33，参数调整模块在模拟反应系统不符合设计指标时，响应一参数调整命令对模拟反应系统的机械特征进行调整；

参数调整命令还用于对模拟反应系统进行放大和缩小。

具体地，为实现较好的设计效果，本实施例中，在原有的数据库存储的生物反应系统的基础之上，本实施例中还通过将生物反应系统的测试数据存储并生成一训练集，用于训练表征生物反应系统的设计特征与工艺性能数据的关联模型，该关联模型用于在虚拟设计好的生物反应系统机械特征的基础上，进行工艺参数性能数据的预测，进而关联未来生物反应系统会培养的细胞特点，进行Kla、耐搅拌产生剪切力的能力、耐气泡产生剪切力的能力、氧气的消耗能力、CO2的代谢等等方面的关联判断，从而可以实现对模拟反应系统的性能评估，以此进行生物反应系统的迭代工作。同时，该数据库还可存储有根据历史生物反应器和工艺指标与机械设计特征变化规律而得到的预测性的，新的生物反应器模型，用于对模拟反应系统在迭代过程中的设计方向进行进一步的预测。

进一步地，为实现对模拟反应系统较好的初步生成效果，本实施例中，还通过参数调整模块33，依托数据库在不同反应系统之间进行细胞培养工艺的平行转移和放大缩小。比如，调整历史反应系统的罐体大小，同时选择对部分参数进行调整，此时于该界面中可同步显示一以反应时随C*百分比的变化曲线，并提供两个拉动轴来改变显示区域范围，更好地服务用户的分析需求。

进一步地，为实现对模拟反应系统的性能较好的分析效果，本实施例中，通过设置投影图绘制模块32，能够依照迭代过程中的模拟反应系统的工艺参数，绘制等值曲线。

具体来说，当用户导入对应的模拟反应系统的参数后，可选用默认的工作温度，转速和通气量或由用户自行对该部分参数进行变更。同时，当修改温度值时，对应的密度和黏度值将会自行运算并导入。以及，当用户确认参数后，点击计算按钮，对应的叶尖速度、Pv值、vvm值和Kla值将一并显示在对应窗口。此时，通过绘图功能，可绘制一如图10所示的以通气量、Pv值为平面坐标，Kla值为竖直坐标的3D变化曲线。

在一种较优的实施例中，如图11所示，参数调整模块33还包括：

Kla缩放子模块331，Kla缩放子模块331接收一目标Kla值，目标Kla值不变的情况下对模拟反应系统进行缩放；

P/V缩放子模块332，P/V缩放子模块332接收一目标P/V值，在目标P/V值不变的情况下对模拟反应系统进行缩放；

OTR缩放子模块333，OTR缩放子模块333接收一目标OTR值，在目标OTR值不变的情况下对模拟反应系统进行缩放；

风险分析子模块334，风险分析子模块334对模拟反应系统进行多参数风险分析以获得影响系数；

影响系数缩放子模块335，影响系数缩放子模块335根据影响系数对模拟反应系统进行缩放。

在一种较优的实施例中，如图12所示，投影图绘制模块包括显示子模块321、投影范围调整子模块322和逆运算子模块323；

显示子模块321显示等值曲线图，并响应一视角切换命令将等值曲线图切换为二维显示或三维显示；

投影范围调整子模块322于显示子模块上显示一横向拉动轴和纵向拉动轴，横向拉动轴或纵向拉动轴响应一拉动指令对等值曲线图的投影范围进行调整；

逆运算子模块323获取一分析指令，并根据分析指令所对应的Kla值结算出对应的Pv值、通气量、转速和vvm。

具体地，为实现对迭代过程中的生物反应系统较好的分析效果，本实施例中，通过设置显示子模块321将等值曲线图在2维渲染和3维渲染方式之间进行切换，从而实现了较好显示效果。同时，为便于用户查看图像中的细节，还可通过显示子模块321进行渐变颜色填充、抓取更改视角、自动旋转和点击暂停等方式对图像进行调整。

进一步地，为实现对相关参数较好的辨别效果，显示子模块321还支持用户通过输入Kla阈值来对投影范围进行分割，并在不同的投影范围中进行着色，以形成如图13所示的2维投影图，并通过指定的最小Kla值与设备规定的最大转速确定平面覆盖范围，用户可通过投影范围调整子模块322进行投影范围调整来实现更好的分析效果。

进一步地，由于2维投影图针对工艺参数的分析仅是较为粗略的定性分析，不能直观地体现出具体的工艺参数特点，本实施例中还通过逆运算子模块323根据用户的分析指令指定Pv值、通气量、转速和vvm四个量中任意一个值，进行运算，从而补齐其他三个量的计算值。

本发明的有益效果在于:在数据库的基础上，可以在前期设计阶段，生物反应系统还没有开始制造的时候就虚拟的模拟细胞培养过程，并将现有的细胞培养工艺虚拟化的平行转移至新设计的生物反应系统上，也可以对细胞培养过程进行虚拟的工艺放大和缩小。在生物反应系统设计的时候先根据客户现有生物反应器的测试结果，还有客户对生物反应器产品生产工艺的期望，根据生物反应器工艺指标和机械特征的关联经验预先设置大概的机械设计特征，然后再进行Kla迭代，生产线不同反应器之间虚拟地进行工艺放大和缩小的迭代，确定最终的机械设计特征，进而对细胞培养工艺进行平行转移和放大缩小的考量，进而可以基于期望的工艺表现和细胞培养特点设计出合理的生物反应系统，是真正的质量源于设计的生物反应系统设计过程。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于数据库的生物反应系统设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1：针对一目标反应系统的设计需求生成所述目标反应系统的设计特征；

步骤S2：自所述数据库中采用所述设计特征查找一相近的历史反应系统，对所述历史反应系统进行调整，以生成一模拟反应系统；

步骤S3：对所述模拟反应系统进行模拟并迭代，当所述模拟反应系统符合所述目标反应系统的设计指标后，将所述模拟反应系统作为所述目标反应系统输出；

所述步骤S1包括，根据所述设计需求对应的细胞类型，生成符合特定细胞培养特性的设计指标；

所述设计指标用于确定所述目标反应系统的类型；

随后，采用所述设计指标生成所述设计特征，所述设计特征用于对所述目标反应系统进行工艺表征；

于所述步骤S1之前包括一数据库生成过程，所述数据库生成过程具体包括：

步骤A1：获取多组历史反应系统，对所述历史反应系统分别进行测试以生成对应于所述历史反应系统的工艺信息和所述设计特征；

步骤A2：根据所述工艺信息和所述设计特征建立所述历史反应系统的反应器模型；

所述反应器模型用于表征所述历史反应系统的工艺指标与机械设计特征变化规律；

步骤A3：将所述历史反应系统和所述反应器存入所述数据库；

则所述步骤S3之后还包括：

步骤S4：提取所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征，根据所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征对所述数据库进行更新。

2.根据权利要求1所述的生物反应系统设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S31：对所述模拟反应系统进行模拟，获得所述模拟反应系统的工艺性能数据；

步骤S32：根据所述工艺性能数据判断所述模拟反应系统是否符合所述设计指标；

若是，将所述模拟反应系统作为所述目标反应系统输出；

若否，对所述模拟反应系统的机械特征进行调整，随后返回所述步骤S31。

3.根据权利要求2所述的生物反应系统设计方法，其特征在于，所述步骤S32中，对所述机械特征进行调整的方法包括：

确定一目标Kla值，在所述目标Kla值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

和/或，确定一目标P/V值，在所述目标P/V值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

和/或，确定一目标OTR值，在所述目标OTR值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

和/或，对所述模拟反应系统进行多参数风险分析以获得影响系数，根据所述影响系数对所述模拟反应系统进行缩放。

4.根据权利要求2所述的生物反应系统设计方法，其特征在于，所述步骤S31中，采用一等值曲线图显示所述工艺性能数据；

则所述步骤S32还包括：通过调整所述等值曲线图的投影方式、显示范围，并基于Kla值进行逆运算获得Pv值、通气量、转速和vvm，以判断所述模拟反应系统是否符合所述设计指标。

5.一种基于数据库的生物反应系统设计系统，其特征在于，用于实施如权利要求1-4任意一项所述的生物反应系统设计方法，包括：

设计特征提取单元，所述设计特征提取单元接收一目标反应系统的设计需求，根据所述设计需求确定设计特征；

反应系统生成单元，所述反应系统生成单元自所述数据库中采用所述设计特征查找一历史反应系统，并根据所述历史反应系统生成模拟反应系统；

迭代单元，所述迭代单元对所述模拟反应系统进行模拟并迭代，直至所述模拟反应系统符合所述目标反应系统的设计指标后输出。

6.根据权利要求5所述的生物反应系统设计系统，其特征在于，还包括数据库生成单元和数据库更新单元；

所述数据库生成单元获取多组历史反应系统，根据所述历史反应系统建立并存储对应于所述历史反应系统的反应器模型；

所述数据库更新单元获取所述目标反应系统，并提取所述目标反应系统的工艺信息和设计特征，根据所述目标反应系统的所述工艺信息和所述设计特征对所述数据库进行更新。

7.根据权利要求6所述的生物反应系统设计系统，其特征在于，所述迭代单元包括：

模拟模块，所述模拟模块自所述数据库中获取对应于所述历史反应系统的所述反应器模型

所述模拟模块采用关联模型对所述模拟反应系统进行模拟以获得工艺性能数据；

投影图绘制模块，所述投影图绘制模块根据工艺性能数据绘制一等值曲线图，并采用预先设置的多个Kla阈值对所述等值曲线图进行着色；

参数调整模块，所述参数调整模块在所述模拟反应系统不符合所述设计指标时，响应一参数调整命令对所述模拟反应系统的机械特征进行调整；

所述参数调整命令还用于对所述模拟反应系统进行放大和缩小。

8.根据权利要求7所述的生物反应系统设计系统，其特征在于，所述参数调整模块包括：

Kla缩放子模块，所述Kla缩放子模块接收一目标Kla值，所述目标Kla值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

P/V缩放子模块，所述P/V缩放子模块接收一目标P/V值，在所述目标P/V值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

OTR缩放子模块，所述OTR缩放子模块接收一目标OTR值，在所述目标OTR值不变的情况下对所述模拟反应系统进行缩放；

风险分析子模块，所述风险分析子模块对所述模拟反应系统进行多参数风险分析以获得影响系数；

影响系数缩放子模块，所述影响系数缩放子模块根据所述影响系数对所述模拟反应系统进行缩放。

9.根据权利要求7所述的生物反应系统设计系统，其特征在于，所述投影图绘制模块包括显示子模块、投影范围调整子模块和逆运算子模块；

所述显示子模块显示所述等值曲线图，并响应一视角切换命令将所述等值曲线图切换为二维显示或三维显示；

所述投影范围调整子模块于所述显示子模块上显示一横向拉动轴和纵向拉动轴，所述横向拉动轴或所述纵向拉动轴响应一拉动指令对所述等值曲线图的投影范围进行调整；

所述逆运算子模块获取一分析指令，并根据所述分析指令所对应的Kla值结算出对应的Pv值、通气量、转速和vvm。

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