振荡式生物反应器流场特性实验与模拟研究

发布时间：2020-06-09 15:10

【摘要】：随着人们对健康医疗领域的日益关注,生物医药制品的需求逐渐增大,其中重要环节就是通过细胞培养来制备各种生物产品。生物反应器作为维持细胞体外生长的核心设备,其流场特性是影响其性能的重要因素。振荡式生物反应器是一种新型动物细胞培养设备,其溶氧效率高,剪切率低,具有广泛的应用前景,但反应器内部流动复杂,无法通过理论计算方法得到解析解,因此进行流场特性的实验与模拟研究具有重要意义。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,建立了振荡式生物反应器的CFD模型并进行了流动特性实验,研究了工作体积、转速、转动半径、反应器底部结构和挡板对反应器内流场混合特性、溶氧特性和剪切率等参数的影响规律。取得的主要成果如下:(1)建立了振荡式生物反应器的气液两相流模型,采用VOF(Volume of Fluid)追踪反应器内流体的气液界面,液体的贴壁圆周运动采用RNG k-ε湍流模型模拟,并采用动网格技术更新计算区域。不同工况下振荡式生物反应器流动特性的实验结果与数值模拟结果比较发现,两者液面形状和液面高度结果基本吻合,且变化规律一致,验证了本文数值仿真模型的可靠性。(2)研究了工艺参数对振荡式生物反应器流动特性的影响。随着转速提高,轴向交换速率加快,宏观对流扩散效果增强,同时单位体积氧传质系数k_La和平均剪切率增大;随着工作体积增加,单位体积的功率消耗降低,宏观对流扩散和湍流扩散效果减弱,单位体积氧传质系数k_La和平均剪切率减小;转动半径的增大会提升液相流速,但对反应器流动特性的影响不显著。(3)研究了锥底、椭球底、平底和球底等四种底部形状对振荡式生物反应器流动特性的影响,结果表明,锥底和椭球底反应器的湍动能和单位体积氧传质系数k_La值明显大于平底和球底反应器。四种底部形状反应器的剪切率差别不大,其变化范围均处于低剪切率范围,能满足细胞培养的要求。(4)研究了锥底反应器底部半锥角对流场特性的影响,结果表明,当半锥角从30°增大到60°时,湍动能和溶氧性能均表现为先增大后减小的变化趋势,半锥角等于50°时达到最大。不同半锥角振荡式生物反应器内部流场速度梯度分布较为接近,平均剪切率变化不明显。(5)对竖直挡板、倾斜挡板、水平挡板结构反应器的流场进行数值模拟,与无挡板反应器结构相比,三种挡板结构都打破了无挡板反应器准稳态的流动形态,形成不规则的气液界面,湍流参数显著提高,且溶氧特性也得到明显改善。三种挡板反应器内部流场的平均剪切率显著增加,但剪切率数值仍处于低剪切范围内。
【图文】：

生物反应器,搅拌桨,细胞培养,罐体

应器设计、优化以及放大过程提供理论参考依据。应器研究现状式生物反应器生物反应器是最早开发利用且应用最广泛的一种细胞培似于发酵罐罐体的容器，搅拌装置安装于罐体内部，密桨叶的作用下达到混合效果，通过灌注培养、批次培养的目的，因此也可称之为机械搅拌式动物细胞培养罐。械搅拌式生物反应器充分展现了动物细胞培养的考虑因分为罐体、搅拌器、电机、泵、阀门、管路等部分，搅液，最终使得细胞与营养物质均匀混合于培养液中，此成对培养液的温度、溶氧（DO）以及 pH 等与细胞生长测，为细胞提供稳定的生存环境[13]。

振荡式,生物反应器

图 1-2 振荡式生物反应器现状er 和 Tatterson[28]首先研究了振荡容器内的流体动力学，他们利用混合均匀时间随雷诺数增加的变化情况。Liu 和 Hong[29]成功开发应器系统，并利用 10L 振荡圆柱形培养罐来培养昆虫细胞、杂交究阶段，振荡式生物反应器的培养容器常常采用圆柱形结构。G量滴定板和旋转振荡器开发了一套用于进行CHO和HEK293细生物反应器系统。Muller 等人[31]利用成本较低的方形瓶替代旋转BNA 细胞和 CHO-DG44 细胞，发现方形容器的使用增强了自由表合和气体交换，，结果表明相同条件下方形结构在细胞生长和存活。Stettler 等人[32]结合振荡轨道和一次性细胞培养容器技术开发性生物反应器，用于 CHO 细胞快速高效产生重组抗体。国内白
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318

【参考文献】