基于流体力学与代谢动力学的红花细胞悬浮培养工艺优化与反应器放大技术研究

发布时间：2017-12-21 03:16

  本文关键词：基于流体力学与代谢动力学的红花细胞悬浮培养工艺优化与反应器放大技术研究　出处：《华东理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：植物细胞的悬浮培养是生产药用植物及其次级代谢产物的重要途径。但是以往的工业化应用进展表明,该技术在工程放大过程中依然存在较大的困难。红花是预防和治疗心脏病的常用中草药。随着市场需求的增加,悬浮培养逐渐成为高效、稳定生产该药用植物红花细胞最具潜力的方式。然而,在搅拌式反应器工业化放大过程中,经常出现细胞活性低、延滞期长、生长缓慢等问题,这些主要是由罐内剪切力对细胞生长造成的。在以往的植物细胞研究中并没有针对剪切力因素的工程放大原理和方法。因此,本文针对上述问题,以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)为工具,依据多尺度相关分析方法,研究定量剪切力条件下的细胞生理动力学响应,并结合红花细胞的实际悬浮培养过程,探索CFD与生理代谢动力学模型整合的方法,实现对红花细胞悬浮培养放大过程进行定量代谢考察,并优化放大过程技术。首先建立了红花细胞生理代谢特性参数的在线与离线的监控技术。建立了生理参数氧气消耗速率(OUR)、二氧化碳释放速率(CER)和活细胞电极与菌体生长代谢的相关性。进一步建立了一种利用活细胞电极全频扫描模式下的β色散曲线数据的分析计算解析出红花细胞培养过程中粒径变化的方法。使得活细胞电极不仅能够在线监测植物细胞的生物量,更能够在硬件条件不变的情况下监测细胞粒径分布的变化,该方法是在植物细胞发酵过程研究中首次应用。其次,从反应器的环境因素以及培养基的营养成分出发,分别考察了碳源、氨基酸、植物激素等对细胞生长的影响,确定了光照、供氧、剪切等因素对红花细胞生长的最优化工艺。研究结果表明供氧与剪切的矛盾是制约红花细胞反应器设计的核心和瓶颈问题。为了更好地定量研究剪切力对红花细胞代谢的影响,本研究利用CFD技术对反应器内流场环境变化进行定量化描述,建立了搅拌式反应器的模拟策略,考察了网格类型、网格数量、湍流模型等对计算结果的影响,并通过搭建的PIV实验平台对模拟结果进行了验证。提出了一种新的六面体与四面体混合网格模式,该类型网格的计算结果与实验数据吻合良好,优点在于在大型反应器的计算过程中可以大幅度降低网格的数量、提高计算效率。其次,通过对比各种网格密度及结构、四种湍流模型以及MRF、SM两种旋转区域的计算方法,权衡计算资源耗费以及模拟结果准确性等因素,最终确定了SM和标准k-ε模型的组合为最优计算模型。PIV实验平台的结果证明了反应器内CFD模拟方法的可靠性,其得到的模拟结果与实验结果相吻合。最后,利用VOF两相流模型,构建了摇瓶反应器的模拟方法,并通过模拟结果得到摇瓶反应器能量耗散率、剪切力、传质系数等工程参数。以CFD模拟的结果为指导,定量研究了剪切环境下的红花细胞代谢特性影响。首先,以比生长速率为目标得到了红花细胞耐受剪切力的阈值为平均剪切0.55 Pa (0.06 w/kg)和最大剪切4.00 Pa (0.93 w/kg),超过这个阈值时红花细胞生长会受到影响。其次,以比死亡速率为目标得到了红花细胞耐受剪切力的阈值为平均剪切1.25 Pa (0.21 w/kg)和最大剪切10.55 Pa (4.92 w/kg)。根据EDCF的概念,基于Euler-Lagrange法提出了最大剪切与剪切频率的乘积(SSF),其值反映了细胞经历轨迹上受到的局部剪切大小与受到剪切的频率概念。最后通过15L罐上实验验证了SSF参数的准确性。最后,通过特征时间的多尺度相关分析整合不同时间尺度的动力学模型,其模拟过程同时考虑了快速生理过程和慢速生理过程两个部分。搭建了CFD与生理代谢动力学模型整合的计算平台,通过100L反应器的悬浮培养过程验证了模型的准确性。结果表明,结构化模型能够很好地用于研究局部剪切的作用对菌体的生长代谢的影响,体现出了非均匀性流场对细胞生长的影响。这说明构建的模拟框架能够有效模拟由剪切带来的放大效应,探索了计算流体力学模型与菌体结构化动力模型整合的“理性放大”的可行性。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q942
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本文编号：1314473