高校化学工程学报论文格式

第17卷第1期高校化学工程学报No.1Vol.172003年2月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesFeb.2003文章编号：1003-9015(2003)01-剪切应力对红豆杉细胞悬浮培养的影响及CFD模拟研究商桂敏,施中东,未作君,元英进(天津大学化工学院制药工程系,天津300072)摘要：在同轴圆筒装置的均匀剪切场中研究了不同剪切应力(0.16,0.46,0.78Pa)对悬浮培养的南方红豆杉细胞生理的短期影响。结果表明剪切应力为0.16~0.46Pa时，有利于细胞的生长和初生代谢；剪切应力为0.46~0.78Pa时,有利于细胞的次生代谢；另一方面利用计算流体力学(CFD)对20L生物搅拌釜(45-斜向上桨(45-PBT)，桨距为(1/3)T的流场进行了三维模拟，获得搅拌釜内部的剪切场。结果表明搅拌釜内剪切应力分布极不均匀,且主要集中在搅拌桨区和尾流区，约为主流区和挡板区值的3~5倍，有时甚至高达7倍。通过将实验结果和CFD模拟相结合，预测了20L生物搅拌釜剪切应力对南方红豆杉细胞生理的影响。表明当搅拌转速小于150rmin1时，搅拌釜内相应的剪切应力有利于细胞的生长和初生代谢；而当搅拌转速大于200rmin1时，则不宜于南方红豆杉细胞的培养。关键词：计算流体力学(CFD);剪切应力;植物细胞悬浮培养;均匀剪切场中图分类号：Q813.11文献标识码：A（本刊刊出的文章均标识为A）EffectsofShearStressonSuspensionCulturesofT.chinensisvar.maireiCellsanditsCFDSimulationSHANGGui-min,SHIZhong-dong,WEIZuo-jun,YUANYing-jin(DepartmentofPharmaceuticalEngineering,SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Auniformshearstressfieldwasgeneratedbyusingaco-axialcylinderapparatustostudytheshort-periodeffectsofshearstress(=0.16,0.46,0.78Pa)ontheTaxuscellsphysiology.Resultsshowedthatthecellsgrewwellandtheprimarymetabolismwasvigorouswhen0.16Pa0.46Pa,andthatthecellshadthetendencytoaccumulatemoresecondarymetaboliteswhen0.46Pa0.78Pa.Meanwhile,a3-DCFDsimulationofthehydrodynamicscharacteristicsina20Limpellerstirredbioreactor(45-upwardPitched-Blade-Turbine,(1/3)Toftheoff-bottomclearance)wasconductedtoobtaintheshearstressfieldinsidethereactor.Itcouldbeseenthatthestrengthoftheshearstresswasinhomogeneousandmainlyconcentratedintheimpellersweptandwakeflowregions,whichwasmorethan7timeshigherthanthatinthebulkandbaffleregions.BycombiningtheexperimentalresultsandCFDsimulations,theeffectsoftheshearstressonTaxuscellsculturedinimpeller-stirredreactorswerepredicted.Resultsshowedthattheimpelleragitatingspeedlessthan150rmin1isbeneficialtocellgrowthandprimarymetabolism.Whereaswhentheagitatingspeedishigherthan200rmin1,themagnitudeoftheaverageshearstressinthereactorwillbetoobigandbecomeunsuitabletocellculture.Keywords:computationalfluiddynamics(CFD);shearstress;suspensionculturesofplantcells;uniformshearstressfield1前言收稿日期:2001-12-27;修订日期:2002-07-08。基金项目：国家自然科学基金(20176038)作者简介：商桂敏(1979-)，女，山东德州人，天津大学博士生。通讯联系人：元英进；E-mail:[e-mail]页边距：上:2.65厘米;下:2.5厘米;左、右:2.47厘米;装订线:0厘米；页眉:1.9厘米;页脚:2.2厘米应用于：整篇文档；纸型：A4；版式：新建页；奇偶页不同和首页不同都打“”文档网格：(指定行网络和字符网络)每行:44个字符;每页:42行;栏数：1；应用于：整篇文档2高校化学工程学报2003年10月植物细胞悬浮培养在一些小型的反应器中已经取得了成功，但是在较大的生物搅拌釜中仍然很难形成突破，一个重要的问题就是搅拌釜内搅拌与通气产生的剪切应力对植物细胞的生长和代谢有显著的影响。剪切应力有两方面的影响：一方面表现为积极影响，如增加透气、保持良好的混合状态和细胞分散性[1]。在适合条件下，可以提高细胞产率和增加次生代谢产物产量。而多数情况下则呈现负作用，造成植物细胞损伤，影响细胞形态、代谢等。为寻找一种最佳状态，人们研究了各种搅拌桨和不同转速情况下所产生的剪切场对细胞生理状态的影响[2~5]。然而由于实验手段的限制，这些研究无法区分搅拌釜中各个区域流体剪切应力的差异，往往是将其简单地当作搅拌转速的单值函数，这一简化使得搅拌釜内剪切应力大小与细胞生理变化之间的定量关系仍不明确。因此人们引入同轴圆筒装置,其产生的剪切场被认为是均匀的[6]。[phone][(CH)COH][HO][(CH)C]rkk(1)2实验(材料和方法)2.1细胞系细胞株系采用南方红豆杉(T.chinensisvar.maireiT)细胞，由中国科学院植物研究所提供。细胞株系在改良B5培养基上培养，具体条件见文献[7]。表1搅拌釜内各区域的划分Table1DetailsofthesplitregionsRegionr-coordinatez-coordinateVolumeratio/%Impeller0~0.05m0.08~0.12m5.61Wakeflow0.05~0.13m0.08~0.18m18.41Baffle0.13~0.15m0~0.3m11.83BulkTherest64.15符号说明：71234568910111213141516图1实验装置流程图Fig.1Theflowchartofexperimentapparatus1.C3H6steelbottle2.pressurereducingvalve3.cut-offvalve4.pressurestabilizationvalve5.flowstabilizationvalve6.rotermeter7.O2steelbottle8.N2steelbottle9.H2steelbottle(carriergas)10.preheater11.6-wayvalvegroup12.reactor13.temperaturecontroller14.gasphasechromatograph15.dataprocessingsystem16.exhaustabsorptionbottleFe2+concentrationC/mgL1t/h图2Fe2+浓度随时间的变化关系Fig.2ThechangofFe2+concentrationduringreaction051015202502004006008001000t/min图3不同催化剂载体降解苯酚的比较Fig.3Phenoldegradationratefordifferentcatalystsystem05101520253035020406080100silicagelD001resinNa-XzeoliteNa-Yzeolite/%第17卷第1期商桂敏等：剪切应力对红豆杉细胞悬浮培养的影响及CFD模拟研究3A—膜器传质总面积,cm2Qorg—有机相体积流量,mLmin1de—壳程的当量直径,cmuw—水相有机相流速,cms1Dw—苯酚在水相的扩散系数,cm2s1uo—有机相流速,cms1Do—苯酚在有机相中的扩散系数,cm2s1—中空纤维膜的膜厚,mKw—基于水相的总传质系数,cms1m—中空纤维膜的孔隙率L—膜器有效长度,cm—膜器的装填因子m—体系的分配系数m—中空纤维膜的弯曲因子Qaq—水相体积流量,mLmin1o—有机相运动粘度,cm2s1参考文献:[1]LeckieF,ScraggAH,CliffKR.EffectofbioreactordesignandagitatorspeedonthegrowthandalkaloidaccumulationbyculturesofCatharanthusroseus[J].EnzymeMicrobTechnol,1991,13(2):296-305.[2]HookerBS,LeeJM,AnG.Cultivationofplantcellsinastirredvessel:Effectofimpellerdesign[J].BiotechnolBioeng,1990,35:296-304.[3]WangerF,VolgelmannH.PlantTissueCultureanditsBiotechnologicalApplication[M].Berlin:Springer-Verlag,1977.245-255.[4]ScraggAH,AllanEJ,LeckieF.Effectofshearontheviabilityofplantcellsuspensions[J].EnzymeMicrobTechnol,1988,10(2):361-367.[5]MeijerJJ,tenHoopenHJG,vanGamerenYM.Effectsofhydrodynamicstressonthegrowthofplantcellsinbatchandcontinuousculture[J].EnzymeandMicrobTechnol,1994,16(3):467-477.[6]HookerBS,LeeJM,AnG.Responseofplanttissueculturetoahighshearenvironment[J].EnzymeMicrobTechnol,1989,11(3):484-490.[7]ZhangCP,LiC,YuanYJ.EffectsoffungalelicitoroncellstatusandtaxolproductionincellssuspensionculturesofTaxuschinesisvar.Mairei[J].ChineseJBiotechnol,2001,17(4):