APC技术在生物型人工肝支持系统中的应用
0引言
体外人工肝支持系统是国外近年来发展起来为肝衰竭患者提供体外肝功能支持的装置,这一技术的出现与发展为肝衰竭的治疗开辟了新途径。生物型人工肝支持系统(Bioartificial IJiverSupportSystem,BAI,)是20世纪80年代后期出现的新技术〔’〕。其基本原理是将体外培养增殖的肝细胞(人肝细胞、哺乳动物肝细胞或肝细胞株)置于体外循环装置(生物反应 器)中,使病人的血浆或血液通过容器内的纤维素半透膜直接或间接的与肝细胞进行物质交换,从而达到人工肝支持的目的。通观现有的BAIJ,大部分生物反应器都使用开关量或PID 作为主要的外部控制方案,存在准确度低、超调量大、调节时间长、动态响应差等诸多问题,成为制约细胞功能与活性的关键之一。
先进过程控制(AdvaneedProeessControl一一APC)技术,也称“先控”技术,或简称APC,已逐步被工业生产过程控制界所熟悉,并且正在迅速推广应用,同时也受到自动控制理论界的强烈关注,并成为自动控制理论研究的热点。它是指对那些不同于常规单回路PID控制,并具有比常规PID控制更好控制效果的控制策略的统称,而非专指某种计算机控制算法。
作为交叉学科的一种,文章从控制论的角度出发,充分考虑了BAL的实际情况及主要特点,结合APC技术设计和实现了一种高性能、稳定的控制系统,实际运行表明:该系统运行 状态稳定,控制效果良好,达到了BAIJ中的设计要求,可应用于BAL中对肝细胞培养环境的控制。
1被控对象分析
在肝细胞培养过程中,要求控制的主要工艺参数有培养液温度、蠕动泵速度、培养液的酸碱度(pH)和溶解氧(仪))浓度以及生物反应器内的压力、液位等等仁2〕。因肝细胞及其生 长的特异性,对这些工艺参数的控制均有独特的要求,下面将就涉及到的主要物理量逐一进行分析。
1.1培养液温度
在BAL中,温度的稳定性是细胞成长的关键。根据生化反应过程中对肝细胞成长环境的要求,培养液温度应保持在37士0.1℃。同时,温度还影响到其他几个物理量的测量值。 温度对水体中溶解氧的影响如图l所示。
1.2培养液的酸碱度
《pH)和溶解叙《】洲〕)浓度在传统的生物反应器中,为提高或达到一定的溶解氧水平,可以增加液体蠕动速度、通气量及培养罐压力。然而肝细胞十分脆弱并对剪切应力很敏感,对环境条件的变化有严格的限制,不能采用这些常用的手段。一种安全而有效的提高溶解氧水平的方法是改变通人生物反应器内气体中氧气和氮气的比例。同样,传统生化反应过程中借助于外加酸性或碱性物质来调节pH值,容易引起培养液局部pH值过高或过低并造成渗透压增加;而且,由于BAIJ系统的培养液需要直接或间接的与患者的血液进行交换,因此,使用任何形式的药品添加来改变pH值都会对患者产生不良影响。所以,只能采用控制通人培养液中CO:的量来调节pH值。根据肝细胞培养过程中对溶解氧的要求,通过对溶氧控制子系统的分析,可以得到反应器内氧气的物料平衡算式:
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