激流式生物反應(yīng)器的流場仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、生物技術(shù)作為引導(dǎo)21世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的重要推動力量之一,在醫(yī)療、環(huán)保、化工等領(lǐng)域?qū)μ岣呷祟惖慕】禒?改善生存環(huán)境,提高產(chǎn)品的質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。生物反應(yīng)器是生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實踐的關(guān)鍵設(shè)備。激流式生物反應(yīng)器作為一種新型的動物細胞培養(yǎng)設(shè)備具有剪切力低,溶氧效率高,不需要成套的滅菌設(shè)備,操作簡單等優(yōu)勢,但其在大規(guī)模動物細胞培養(yǎng)的過程中存在細胞密度降低,代謝產(chǎn)物減少的問題。本文就是要用計算流體力學(xué)的方法,對激流式生物反應(yīng)器在的流場進行分析,并

2、進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
　　首先本文采用RNG k-ε湍流模型,VOF液面跟蹤方法,以及UDF和動網(wǎng)格的邊界運動控制方法建立了激流式生物反應(yīng)器的計算流體力學(xué)模型,并利用FLUENT軟件進行了數(shù)值計算,模擬了不同型號的生物反應(yīng)器在不同工作體積下的運動狀態(tài),并進行了冷模實驗。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的對比表明該仿真模型準(zhǔn)確可靠,能夠很好的反映生物反應(yīng)器內(nèi)流場的特性。
　　在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上對不同型號的激流式生物反應(yīng)器的氧傳遞效率,剪切率大小

3、和分布以及混合效果進行了研究,研究表明同型號的激流式生物反應(yīng)器在轉(zhuǎn)速相同的情況下,剪切率隨工作體積的增加而降低,有利于減小對細胞的傷害,但傳氧效率和混合效率也隨工作體積的增加而降低,這樣容易導(dǎo)致激流式生物反應(yīng)器在大規(guī)模培養(yǎng)時氧氣供給不足,營養(yǎng)物質(zhì)混合不均勻,代謝廢物排泄不暢。
　　針對激流式生物反應(yīng)器存在的問題,本文對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,并進行了仿真實驗。結(jié)果表明6.5L的激流式生物反應(yīng)器在添加螺旋擋板后,氣液交界面面積比原來增加了

4、55％,培養(yǎng)液中平均體積剪切力略有增加,但不明顯只有9.7%,而湍動能耗散率卻有原來的0.034增大到0.368,得到了很大程度的提高,這使得生物反應(yīng)器具有了更好的溶氧性能,混合特性也得到了顯著的提高;50L激流式生物反應(yīng)器最優(yōu)方案為方形結(jié)構(gòu)方案,該方案氣液交界面積下降約4%,湍動能耗散率由原來的0.034增大到0.368,得到了很大程度的提高,剪切率分布在低剪切率區(qū)域所占體積百分比增多,而在會對細胞造成傷害的高剪切率區(qū)域并沒有比優(yōu)化前