本文關鍵詞：基于流體力學與代謝動力學的紅花細胞懸浮培養(yǎng)工藝優(yōu)化與反應器放大技術研究　出處：《華東理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：植物細胞的懸浮培養(yǎng)是生產(chǎn)藥用植物及其次級代謝產(chǎn)物的重要途徑。但是以往的工業(yè)化應用進展表明,該技術在工程放大過程中依然存在較大的困難。紅花是預防和治療心臟病的常用中草藥。隨著市場需求的增加,懸浮培養(yǎng)逐漸成為高效、穩(wěn)定生產(chǎn)該藥用植物紅花細胞最具潛力的方式。然而,在攪拌式反應器工業(yè)化放大過程中,經(jīng)常出現(xiàn)細胞活性低、延滯期長、生長緩慢等問題,這些主要是由罐內(nèi)剪切力對細胞生長造成的。在以往的植物細胞研究中并沒有針對剪切力因素的工程放大原理和方法。因此,本文針對上述問題,以計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)為工具,依據(jù)多尺度相關分析方法,研究定量剪切力條件下的細胞生理動力學響應,并結(jié)合紅花細胞的實際懸浮培養(yǎng)過程,探索CFD與生理代謝動力學模型整合的方法,實現(xiàn)對紅花細胞懸浮培養(yǎng)放大過程進行定量代謝考察,并優(yōu)化放大過程技術。首先建立了紅花細胞生理代謝特性參數(shù)的在線與離線的監(jiān)控技術。建立了生理參數(shù)氧氣消耗速率(OUR)、二氧化碳釋放速率(CER)和活細胞電極與菌體生長代謝的相關性。進一步建立了一種利用活細胞電極全頻掃描模式下的β色散曲線數(shù)據(jù)的分析計算解析出紅花細胞培養(yǎng)過程中粒徑變化的方法。使得活細胞電極不僅能夠在線監(jiān)測植物細胞的生物量,更能夠在硬件條件不變的情況下監(jiān)測細胞粒徑分布的變化,該方法是在植物細胞發(fā)酵過程研究中首次應用。其次,從反應器的環(huán)境因素以及培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分出發(fā),分別考察了碳源、氨基酸、植物激素等對細胞生長的影響,確定了光照、供氧、剪切等因素對紅花細胞生長的最優(yōu)化工藝。研究結(jié)果表明供氧與剪切的矛盾是制約紅花細胞反應器設計的核心和瓶頸問題。為了更好地定量研究剪切力對紅花細胞代謝的影響,本研究利用CFD技術對反應器內(nèi)流場環(huán)境變化進行定量化描述,建立了攪拌式反應器的模擬策略,考察了網(wǎng)格類型、網(wǎng)格數(shù)量、湍流模型等對計算結(jié)果的影響,并通過搭建的PIV實驗平臺對模擬結(jié)果進行了驗證。提出了一種新的六面體與四面體混合網(wǎng)格模式,該類型網(wǎng)格的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好,優(yōu)點在于在大型反應器的計算過程中可以大幅度降低網(wǎng)格的數(shù)量、提高計算效率。其次,通過對比各種網(wǎng)格密度及結(jié)構、四種湍流模型以及MRF、SM兩種旋轉(zhuǎn)區(qū)域的計算方法,權衡計算資源耗費以及模擬結(jié)果準確性等因素,最終確定了SM和標準k-ε模型的組合為最優(yōu)計算模型。PIV實驗平臺的結(jié)果證明了反應器內(nèi)CFD模擬方法的可靠性,其得到的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。最后,利用VOF兩相流模型,構建了搖瓶反應器的模擬方法,并通過模擬結(jié)果得到搖瓶反應器能量耗散率、剪切力、傳質(zhì)系數(shù)等工程參數(shù)。以CFD模擬的結(jié)果為指導,定量研究了剪切環(huán)境下的紅花細胞代謝特性影響。首先,以比生長速率為目標得到了紅花細胞耐受剪切力的閾值為平均剪切0.55 Pa (0.06 w/kg)和最大剪切4.00 Pa (0.93 w/kg),超過這個閾值時紅花細胞生長會受到影響。其次,以比死亡速率為目標得到了紅花細胞耐受剪切力的閾值為平均剪切1.25 Pa (0.21 w/kg)和最大剪切10.55 Pa (4.92 w/kg)。根據(jù)EDCF的概念,基于Euler-Lagrange法提出了最大剪切與剪切頻率的乘積(SSF),其值反映了細胞經(jīng)歷軌跡上受到的局部剪切大小與受到剪切的頻率概念。最后通過15L罐上實驗驗證了SSF參數(shù)的準確性。最后,通過特征時間的多尺度相關分析整合不同時間尺度的動力學模型,其模擬過程同時考慮了快速生理過程和慢速生理過程兩個部分。搭建了CFD與生理代謝動力學模型整合的計算平臺,通過100L反應器的懸浮培養(yǎng)過程驗證了模型的準確性。結(jié)果表明,結(jié)構化模型能夠很好地用于研究局部剪切的作用對菌體的生長代謝的影響,體現(xiàn)出了非均勻性流場對細胞生長的影響。這說明構建的模擬框架能夠有效模擬由剪切帶來的放大效應,探索了計算流體力學模型與菌體結(jié)構化動力模型整合的“理性放大”的可行性。
【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：Q942
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本文編號：1314473