动物细胞生物反应器中鼓泡溶氧及远程监控的研究

论文摘要

生物反应器是目前生物制药中的关键设备,它在很大程度上决定了细胞产生药用蛋白的质量和产量。生物反应器内溶氧主要采用鼓泡溶氧方式,鼓泡溶氧产生的气泡是生物反应器内细胞损伤的最主要原因之一,因此,生物反应器内鼓泡溶氧的研究具有非常重要的作用。本文运用Fluent软件分别对鼓泡溶氧的三个阶段进行了流体仿真分析,这三个阶段分别为:气泡产生、气泡上升和气泡破裂。首先建立了气泡大小与孔口直径、表面张力和通气速度之间的关系规律,并借助高速摄像设备对仿真结果进行验证;然后分析了气泡破裂过程释放的剪切力与气泡大小和表面张力的关系。并在此基础上,确定了在鼓泡溶氧过程中气泡直径应该控制在4mm以上;本文首次通过高性能计算机对气泡在搅拌流场中停留时间进行了三维仿真分析,并结合氧气供求平衡公式确定出对于5L搅拌式的反应器,溶氧过程中气泡直径应控制在8mm以下。最后根据现实溶氧控制中存在的问题,本文制定了一种基于Profibus-DP总线技术的远程监控系统方案,能够很好地解决实际细胞培养中出现的问题,而且在一定程度上使鼓泡溶氧的控制得到了改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外鼓泡溶氧研究的发展及现状
• 1.2.1 细胞培养过程中气泡损伤力的研究
• 1.2.2 气泡分布器结构的研究现状
• 1.2.3 气液两相流的研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 鼓泡溶氧中气泡产生规律的仿真分析
• 2.1 CFD 理论基础
• 2.1.1 计算机流体力学（CFD）基本思想
• 2.1.2 界面跟踪方法的确立
• 2.1.3 表面张力模型的确立
• 2.1.4 搅拌区域的处理
• 2.1.5 壁面粘附（wall Adhesion）处理
• 2.1.6 CFD 的求解过程
• 2.2 实验装置及测量平台
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 高速摄影系统
• 2.2.3 实验流程
• 2.2.4 气泡直径的测量
• 2.3 气泡上升过程的仿真
• 2.3.1 物理模型
• 2.3.2 仿真及后处理方法
• 2.3.3 气泡形成过程假设
• 2.3.4 初始条件和边界条件
• 2.3.5 仿真结果及分析
• 2.3.6 气泡直径与三种因素之间规律的拟合
• 2.4 本章小结
• 第3章 鼓泡溶氧中气泡破裂阶段的仿真分析
• 3.1 物理模型的建立
• 3.1.1 验证假设一
• 3.1.2 验证假设二
• 3.2 仿真及后处理方法
• 3.3 仿真结果及分析
• 3.3.1 气泡破裂过程
• 3.3.2 气泡破裂过程产生剪切力大小
• 3.3.3 剪切力与气泡直径的关系
• 3.3.4 剪切力与表面张力的关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 气泡上升阶段的仿真与溶氧量供求分析
• 4.1 气泡上升阶段的仿真
• 4.1.1 仿真方法的确立
• 4.1.2 物理模型的确立
• 4.1.3 仿真结果及分析
• 4.2 溶氧量供求分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 生物反应器远程监控方案的设计
• 5.1 远程监控方案设计
• 5.2 Wincc 组态通讯
• 5.2.1 Wincc 与PLC 之间的通讯
• 5.2.2 Wincc 建立客户机
• 5.3 总结
• 结论
• 参考文献
• 致谢