發(fā)布時間：2020-06-09 15:10

【摘要】：隨著人們對健康醫(yī)療領域的日益關注,生物醫(yī)藥制品的需求逐漸增大,其中重要環(huán)節(jié)就是通過細胞培養(yǎng)來制備各種生物產(chǎn)品。生物反應器作為維持細胞體外生長的核心設備,其流場特性是影響其性能的重要因素。振蕩式生物反應器是一種新型動物細胞培養(yǎng)設備,其溶氧效率高,剪切率低,具有廣泛的應用前景,但反應器內(nèi)部流動復雜,無法通過理論計算方法得到解析解,因此進行流場特性的實驗與模擬研究具有重要意義。本文采用實驗和數(shù)值模擬相結合的方法,建立了振蕩式生物反應器的CFD模型并進行了流動特性實驗,研究了工作體積、轉速、轉動半徑、反應器底部結構和擋板對反應器內(nèi)流場混合特性、溶氧特性和剪切率等參數(shù)的影響規(guī)律。取得的主要成果如下:(1)建立了振蕩式生物反應器的氣液兩相流模型,采用VOF(Volume of Fluid)追蹤反應器內(nèi)流體的氣液界面,液體的貼壁圓周運動采用RNG k-ε湍流模型模擬,并采用動網(wǎng)格技術更新計算區(qū)域。不同工況下振蕩式生物反應器流動特性的實驗結果與數(shù)值模擬結果比較發(fā)現(xiàn),兩者液面形狀和液面高度結果基本吻合,且變化規(guī)律一致,驗證了本文數(shù)值仿真模型的可靠性。(2)研究了工藝參數(shù)對振蕩式生物反應器流動特性的影響。隨著轉速提高,軸向交換速率加快,宏觀對流擴散效果增強,同時單位體積氧傳質(zhì)系數(shù)k_La和平均剪切率增大;隨著工作體積增加,單位體積的功率消耗降低,宏觀對流擴散和湍流擴散效果減弱,單位體積氧傳質(zhì)系數(shù)k_La和平均剪切率減小;轉動半徑的增大會提升液相流速,但對反應器流動特性的影響不顯著。(3)研究了錐底、橢球底、平底和球底等四種底部形狀對振蕩式生物反應器流動特性的影響,結果表明,錐底和橢球底反應器的湍動能和單位體積氧傳質(zhì)系數(shù)k_La值明顯大于平底和球底反應器。四種底部形狀反應器的剪切率差別不大,其變化范圍均處于低剪切率范圍,能滿足細胞培養(yǎng)的要求。(4)研究了錐底反應器底部半錐角對流場特性的影響,結果表明,當半錐角從30°增大到60°時,湍動能和溶氧性能均表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢,半錐角等于50°時達到最大。不同半錐角振蕩式生物反應器內(nèi)部流場速度梯度分布較為接近,平均剪切率變化不明顯。(5)對豎直擋板、傾斜擋板、水平擋板結構反應器的流場進行數(shù)值模擬,與無擋板反應器結構相比,三種擋板結構都打破了無擋板反應器準穩(wěn)態(tài)的流動形態(tài),形成不規(guī)則的氣液界面,湍流參數(shù)顯著提高,且溶氧特性也得到明顯改善。三種擋板反應器內(nèi)部流場的平均剪切率顯著增加,但剪切率數(shù)值仍處于低剪切范圍內(nèi)。
【圖文】：

應器設計、優(yōu)化以及放大過程提供理論參考依據(jù)。應器研究現(xiàn)狀式生物反應器生物反應器是最早開發(fā)利用且應用最廣泛的一種細胞培似于發(fā)酵罐罐體的容器，攪拌裝置安裝于罐體內(nèi)部，密槳葉的作用下達到混合效果，通過灌注培養(yǎng)、批次培養(yǎng)的目的，因此也可稱之為機械攪拌式動物細胞培養(yǎng)罐。械攪拌式生物反應器充分展現(xiàn)了動物細胞培養(yǎng)的考慮因分為罐體、攪拌器、電機、泵、閥門、管路等部分，攪液，最終使得細胞與營養(yǎng)物質(zhì)均勻混合于培養(yǎng)液中，此成對培養(yǎng)液的溫度、溶氧（DO）以及 pH 等與細胞生長測，為細胞提供穩(wěn)定的生存環(huán)境[13]。

圖 1-2 振蕩式生物反應器現(xiàn)狀er 和 Tatterson[28]首先研究了振蕩容器內(nèi)的流體動力學，他們利用混合均勻時間隨雷諾數(shù)增加的變化情況。Liu 和 Hong[29]成功開發(fā)應器系統(tǒng)，并利用 10L 振蕩圓柱形培養(yǎng)罐來培養(yǎng)昆蟲細胞、雜交究階段，振蕩式生物反應器的培養(yǎng)容器常常采用圓柱形結構。G量滴定板和旋轉振蕩器開發(fā)了一套用于進行CHO和HEK293細生物反應器系統(tǒng)。Muller 等人[31]利用成本較低的方形瓶替代旋轉BNA 細胞和 CHO-DG44 細胞，發(fā)現(xiàn)方形容器的使用增強了自由表合和氣體交換，，結果表明相同條件下方形結構在細胞生長和存活。Stettler 等人[32]結合振蕩軌道和一次性細胞培養(yǎng)容器技術開發(fā)性生物反應器，用于 CHO 細胞快速高效產(chǎn)生重組抗體。國內(nèi)白
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R318

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

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2 白力;張淑香;唐寅;郭美錦;張嗣良;;錐底生物反應器的動物細胞培養(yǎng)[J];華東理工大學學報(自然科學版);2008年03期

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本文編號：2704867