带挡板的锥底振荡生物反应器流场特性研究

• 作 者: 李承拓
• 出 处: 浙江工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 锥底振荡式生物反应器 挡板结构 流场仿真 溶氧 剪切率

生物反应器是动物细胞培养的关键设备,而细胞的培养效率取决于反应器内流体的流场特性。振荡式生物反应器是近些年发展起来的新型生物反应器,培养液在反应器内作周期性圆周振荡运动,液体顺着壁面方向流动且不会与壁面产生直接碰撞,因此整体流场的剪切率较低,特别适合于动物细胞培养。但振荡式生物反应器与传统的搅拌式反应器相比,其混合和溶氧性能略差。在振荡式生物反应器内设置挡板是提升混合和溶氧性能的有效途径,所以本文提出了矩形挡板、圆弧挡板、单头螺旋挡板和双头螺旋挡板四种新颖的挡板结构,通过计算流体力学的方法研究带挡板的锥底振荡生物反应器的流动特性,并分析挡板几何参数对反应器内流体流动特性的影响规律。论文的主要研究工作和成果如下:(1)建立了带锥底的振荡式生物反应器模型,采用RNG k-ε双方程模型对反应器内的流场进行模拟,采用VOF(Volume of Fluid)模型对气液交界面进行追踪,利用动网格模型再现壁面振荡运动。通过模拟分析了不同工况下无挡板反应器的流动状态,并与实验结果相对比,发现两者的液面高度与液面形状基本吻合,且整体变化规律相近,验证了本文建立的反应器模型的可靠性。(2)通过数值模拟比较了额定容积为50 L的无挡板、矩形挡板和圆弧挡板振荡式生物反应器的流动特性,并研究了不同挡板宽度和挡板数量对流动特性的影响。研究发现矩形和圆弧挡板结构能显著提升反应器的混合和溶氧性能。随着挡板宽度和挡板数量的增加,矩形挡板和圆弧挡板反应器的湍动能耗散率ε和单位体积氧传质系数k_La均呈现增大趋势,有利于提升混合和溶氧性能。另一方面,反应器的平均剪切率也随挡板宽度和数量的增加而增大,即同时加大了对细胞的损伤。(3)通过不同挡板宽度和数量条件下矩形挡板和圆弧挡板反应器的流动特性数值模拟分析,得到矩形挡板反应器的湍动能耗散率ε和单位体积氧传质系数k_La均大于圆弧挡板反应器,即前者的混合和溶氧性能均优于后者。但从剪切性能来看,不同挡板宽度和数量条件下矩形挡板反应器的平均剪切率均大于CHO细胞适宜生长的范围,而圆弧挡板反应器的平均剪切率没有大幅增加,仍处于细胞适宜生长范围内,因此是生物反应器的优选结构。(4)研究了螺旋挡板结构对反应器流动特性的影响。与无挡板生物反应器相比,单头螺旋挡板和双头螺旋挡板生物反应器的湍动能耗散率ε分别增大了230%和544%,单位体积氧传质系数k_La分别增大了87.1%和152%,即螺旋挡板的生物反应器的混合和溶氧性能得到了较大提升。单头螺旋挡板和双头螺旋挡板生物反应器的平均剪切率比无挡板生物反应器有所增大,但均处于细胞适宜生长范围内。通过混合、溶氧和剪切等性能综合比较,双头螺旋挡板结构要优于单头螺旋挡板结构。