采用Elephant Ear桨叶的生物反应器结构优化和细胞剪切特性研究

摘要

随着生物技术由实验室研究向实用化和产业化的不断转化，细胞培养作为其重要的手段已成为许多国家争先研究的领域。目前，国内外对于细胞培养的研究不仅仅只停留在实验室规模，而是迈向工业级别的大规模培养，这就对细胞体外培养技术的核心装置生物反应器提出了更高的要求。通过对细胞大规模培养的影响因素进行分析，发现反应器内流场混合的均匀性和搅拌剪切力是制约细胞大规模培养的主要原因，因此把这两个因素作为研究方向，进行一系列的仿真计算，为细胞大规模培养生物反应器的研究设计提供资料和理论依据。
　　首先，采用CFD数值模拟方法分析一种新型的Elephant Ear桨叶，把它和三种常用的搅拌桨叶在流场混合均匀性和剪切力这两方面进行了仿真对比，得出该桨叶不仅产生的剪切力较小而且流场的混合也比较均匀，采用该桨叶作为大规模生物反应器的搅拌桨叶。
　　在此基础上，使用FLUENT仿真软件对采用Elephant Ear桨叶的100L生物反应器进行了结构优化，优化了反应器的高径比、反应器罐底半径、桨叶安装高度、挡板数量；同时对Elephant Ear桨叶也进行了仿真分析。
　　然后，运用有限元分析软件 ABAQUS从宏观角度对 CHO细胞在流场内的力学特性进行了仿真分析，得到了在剪切力作用下细胞产生的应力和变形规律；分析了培养液压力和剪切力复合作用下的细胞力学特性，认为剪切力是引起细胞变形破坏的主要原因。
　　最后，把 CHO细胞在不同转速下的培养实验和仿真分析结合起来，得出最适合 CHO细胞生长的流场剪切力为0.3Pa，对细胞在该剪切力作用下进行了仿真分析，得出细胞在U方向的最大变形位移为8.5μm。

目录

采用 Elephant Ear 桨叶的生物反应器 结构优化和细胞剪切特性研究

RESEARCH ON THE STRUCTURAL OPTIMIZATON OF BIOREACTOR WITH ELEPHANT EAR IMPELLER AND STUDY ON THE SHEAR PROPERTIES OF CELL

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外生物反应器的发展及现状

1.2.1 国外生物反应器的发展现状

1.2.2 国内生物反应器的发展现状

1.3 大规模生物反应器研究设计时的主要考虑因素

1.3.1 动物细胞的大规模培养技术

1.3.2 动物细胞大规模培养时反应器内的主要影响因素

1.4 课题的主要研究内容

第2章 大规模生物反应器的结构优化和桨叶分析

2.1 流场仿真分析的理论基础

2.1.1 CFD 数值模拟方法

2.1.2 生物反应器的基本结构

2.1.3 CFD 仿真方法

2.1.4 网格划分和边界条件

2.2 桨叶对比分析

2.2.1 Elephant Ear 桨叶

2.2.2 Elephant Ear 桨叶与其他三种常用搅拌桨叶的对比仿真

2.3 采用 Elephant Ear 桨叶的 100L生物反应器的结构优化

2.3.1 反应器高径比优化

2.3.2 反应器罐底半径优化

2.3.3 桨叶安装高度优化

2.3.4 挡板数量优化

2.4 Elephant Ear桨叶的仿真分析

2.4.1 桨叶的上排式安装和下吸式安装

2.4.2 桨叶叶片数量的仿真分析

2.4.3 桨叶叶片安装角度的仿真分析

2.5 本章小结

第3章 CHO 细胞在流场中的剪切特性有限元仿真分析

3.1 CHO细胞有限元分析的理论基础

3.1.1 细胞力学模型

3.1.2 CHO 细胞在流场中的受力分析计算

3.2 流场中单纯剪切力作用下 CHO细胞的力学特性仿真分析

3.2.1 仿真流程

3.2.2 仿真结果分析与讨论

3.3 剪切力与压力复合作用下 CHO细胞的力学特性仿真分析

3.3.1 细胞模型的建立

3.3.2 仿真结果分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 不同搅拌转速下 CHO细胞的剪切特性研究分析

4.1 前言

4.2 CHO细胞在不同转速中的剪切特性仿真分析

4.2.1 CFD 模拟结果分析

4.2.2 不同转速下的剪切力计算

4.2.3 不同剪切力作用下的 CHO 细胞力学特性仿真分析

4.3 不同转速下 CHO细胞的培养实验和剪切特性研究

4.3.1 CHO 细胞在不同转速下的培养实验

4.3.2 实验结果处理与仿真分析

4.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢