一种新型多节隔板-平板式光生物反应器的数值和实验研究

光是影响光生物反应器培养效率的最主要因素之一。而在一定的外部光强下,光生物反应器内部的混合状况对微藻细胞生长有重要影响。采用CFD(Computational Fluid Dynamics)模型对一种新型多节隔板-平板式光生物反应器在不同通气量下的流场分布进行了模拟并与PIV(Particle Image Velocimetry)测量结果进行比较,结果表明CFD模型可用于光生物反应器流场的模拟;利用CFD模型对不同隔板节数的平板式光生物反应器的内部流场进行了模拟,对光照方向混合进行定量研究,并通过分析光照方向径向速度U、下降通道体积平均湍动能ADT、流体(藻液)绕隔板循环一周所用时间tc、下降通道(光区)停留时间占藻液绕隔板循环一周所用时间的比例ε四个参数来优化光生物反应器的隔板节数。理论分析表明,三节隔板-平板式光生物反应器为最佳选择,并通过球等鞭金藻3011培养实验对此进行了验证。

生物反应器及其研究技术进展

阐述了生物反应器设计、放大的新理念及关键技术发展,并在此基础上综述了应用于生物技术产品生产的生物反应器的主要发展趋势,包括以代谢流分析为核心的生物反应器系统、基于计算流体力学模拟技术的传统发酵罐改良、微型生物反应器、动物细胞反应器和酶反应器。

蜂窝陶瓷固定化细胞气升式内循环生物反应器的水力学特性

在鼓泡塔式 (BubbleColumns ,BC)和气升式循环 (AirliftLoop ,AL)生物反应器基础上 ,于内循环管中加装蜂窝陶瓷载体 ,开发出蜂窝陶瓷固定化细胞的气升式内循环生物反应器 (InternalAirliftLoopBioreactorwithCellsImmobilizedontoCeramicHoneycombSupport,IALBR CICHS) .采用示踪技术通过测定反应器的水力停留时间分布来考察上述 3种反应器的有效工作体积和反应器内走旁路流体的比例 .实验和理论分析表明 ,IALBR CICHS可大大提高反应器的有效工作体积 ,减少流体走旁路的比例 .

应用生物反应器和微载体培养Vero细胞生产猪流行性腹泻病毒的研究

对应用生物反应器系统和微载体培养Vero细胞生产PEDV进行了实验研究,通过分析和比较批培养及换液培养过程中细胞生长、代谢和病毒增殖的相互关系,发现PEDV随着细胞的生长而不断在胞内增殖和积累,72h后Vero细胞需经过一个短暂的停止生长阶段,再继续呈指数生长。反应器换液培养的单位培养基细胞产量比批培养提高了28%,比方瓶培养提高了138%,疫苗生产效率显著提高。当接种密度为1 23×105cells/ml时,换液培养至96h时获得了1 74×106cells/ml的高细胞密度,细胞扩增了14 3倍,且单位细胞的病毒产量并不低于静态培养。

搅拌式生物反应器中造血细胞的灌注培养

为了消除造血细胞静态培养中存在的浓度梯度和搅拌悬浮培养时换液引起的波动,为造血细胞体外扩增提供更理想的培养环境和操作方式,利用自主开发的造血细胞重力沉降截留系统结合有溶氧和pH控制的生物反应器进行了脐血造血细胞的灌注培养。两次灌注培养中总细胞分别扩增11·5和18·6倍,扩增倍数最大时,CFU_Mix分别扩增23·2倍和20·4倍、CFU_GM扩增13·9倍和21·5倍、BFU_E扩增8·0倍和6·9倍、CD34+细胞扩增17·1倍和15·4倍。培养到12d时,第一次实验由267×106单个核细胞扩增得到1082×106个总细胞,6·31×106个CFU_GM,6·2×106个CFU_Mix和23×106个CD34+细胞;第二次实验由180×106单个核细胞扩增得到1080×106个总细胞,4·65×106个CFU_GM,11·0×106个CFU_Mix和25·0×106个CD34+细胞,这达到了临床规模,由于控制了较低的溶氧和稳定的培养环境,细胞中干/祖细胞含量显著高于方瓶。但灌注培养到后期细胞密度达到较高后,细胞生长受到抑制,这应该是由细胞密度过高本身所引起。搅拌式反应器中进行灌注培养有利于造血干/祖细胞的进一步扩增,培养得到的细胞中干/祖细胞含量较高,培养规模达到了临床要求,但过高的细胞密度将对造血细胞的生长产生抑制。

皮肤成纤维细胞在生物反应器中的生长和扩增

目的 探讨皮肤成纤维细胞在生物反应器中批式和间歇换液培养过程的生长、扩增与代谢特性。方法 将幼儿包皮组织中分离皮肤成纤维细胞接种到含 5 mg/ ml微载体浓度的 1.5升 Celli Gen生物反应器中 ,测定在间歇换液培养和批式培养过程中细胞生长密度、葡萄糖消耗及乳酸生成 ,同时与方瓶和转瓶中间歇换液培养结果进行比较。 结果 在生物反应器间歇换液培养过程中 ,成纤维细胞生长的最终密度达到 2 .0 8× 10 6 / ml,扩增 2 9.7倍 ,是批式培养的 1.81倍。与间歇换液的方瓶和转瓶培养结果相比 ,由于消除了营养和贴壁表面的限制 ,细胞密度分别提高9.16倍和 1.4 3倍。 结论 利用生物反应器和微载体悬浮培养人皮肤成纤维细胞 ,是大量制备组织工程种子细胞的一种有效方法。

磁处理光生物反应器的研制及其应用研究

开发出一种新型的气升式外环流磁处理光生物反应器， 将其应用于钝顶螺旋藻的高细胞密度培养，并从光合作用的角度对磁致生物效应机理进行了初步探讨。光生物反应器主要由反应器主体（气升管道、下降管、除气室） 、在线检测与控制系统，以及磁处理、光照、热交换和供气系统组成。结果表明，采用该生物反应器在０＜ Ｈ＜ ３２０ｋＡ／ ｍ 的磁场强度范围内培养钝顶螺旋藻，不仅能显著加快藻细胞生长速度， 而且可提高最大细胞干重浓度。钝顶螺旋藻培养的最佳磁场处理强度为２００ｋＡ／ ｍ ，３５℃、１０ｋｌｘ 时，该强度下钝顶螺旋藻最大细胞干重可达２．９０ｇ／ｌ，比非磁处理培养提高２８．３２ ％ ，培养时间缩短了３ 天，对数生长期藻细胞生长动力学方程为：ｄｃ／ｄｔ＝ ０ ．５９３ｃ。本文还初步证实磁处理对钝顶螺旋藻生长的刺激效应与其光合作用过程的加强有一定关系。

敞开式跑道池光生物反应器的CFD模拟与优化

采用CFD技术对敞开式跑道池光生物反应器流场进行了研究,考察了导流板结构、跑道池底部进气孔长度和宽度方向间距对流场的影响规律。结果表明,当内外导流板均为180°、导流板延伸长度ΔL/W为0.5时,跑道池平均速率最大,死区比例最小,功率输入最少;当宽度方向间距ΔY/W1为1/4、长度方向间距ΔX/L1为0.025时,平均光照方向速率最大。采用粒子追踪模型,分别计算不通气与通气情况下粒子的运动轨迹,分析得到藻细胞的光照强度、光暗交替频率。

增加内循环的生物反应器对啤酒废水处理效率的研究

用生物流化床反应器和气提式接触氧化生物反应器处理啤酒废水时 ,分别从废水COD的降解速率和去除率考察了有、无内循环时 ,对啤酒废水降解效率的影响 .结果表明 ,增加内循环装置 ,可以强化气 -液传质 ,明显地提高啤酒废水处理的效率 .

封闭式光生物反应器集胞藻6803光自养和混合营养培养比较

采用封闭式光生物反应器进行了蓝藻基因工程常用宿主系统集胞藻 Synechocystis sp.PCC 680 3的混合营养培养 ,并与光自养培养进行了比较。在两种培养方式下 ,集胞藻 680 3的饱和光强基本相同 ,都为 50 0 0 lx。当入射光强为 50 0 0 lx、初始葡萄糖浓度为 1 .74g/L时 ,混合营养生长在葡萄糖消耗完 ( 69.5h)时的藻细胞密度为 1 .36g/L、叶绿素浓度为 2 0 .0 8mg/L、能量得率为1 6.7% ,分别为同期光自养生长的 3.8倍、2 .3倍和 2 .6倍。这表明封闭式光生物反应器混合营养培养方式在促进集胞藻 680

内置蜂窝陶瓷的气升式内循环生物反应器I．水力学特征及其影响因素

在鼓泡塔式(BC)和气升式内循环(IAL)生物反应器的基础上,于内循环导流管中间安装了蜂窝陶瓷载体,构成了带有蜂窝陶瓷载体的气升式内循环(IAL-CHS)生物反应器.用示踪技术测定了流体在BC、IAL和IAL-CHS反应器内的停留时间分布,并用组合模型建立了描述反应器中流体停留时间分布的数学模型.比较研究了这3种形式的生物反应器的水力学特性,探讨了曝气量对停留时间分布的影响.结果表明,相同条件下,相比BC和IAL,IAL-CHS生物反应器提高了反应器内完全混合区的比例,减少了流体走旁路的比例.曝气量越大,完全混合区越大,而流体走旁路的比例越小.

生物搅拌反应器内混合情况的CFD模拟及在发酵中的应用

用计算流体力学(CFD)方法模拟了50 L生物反应器中不同的搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响,并从流体力学角度对生物反应器搅拌桨组合进行了优化。将模拟优化结果用于重组大肠杆菌发酵过程,结果表明,优化后的搅拌桨组合可以改善发酵罐内部的流场和气体分布,能够明显降低获得相同溶氧所需的转速和最大通气量,而菌体生物量和产酶水平也略有提高。

造血细胞体外悬浮培养和生物反应器开发

为解决造血细胞的静态培养中由浓度梯度引起的培养不稳定、环境不均一、难放大等问题 ,首先采用转瓶对脐血单个核细胞进行了悬浮培养研究 ,结果表明 ,悬浮培养中总细胞、集落和CD34+ 细胞的扩增都高于静态的方瓶培养。在测试了所用材料生物相容性的基础上 ,开发了可以控制溶氧和pH的生物反应器 ,并将其应用到造血细胞的批培养中 ,结果表明反应器的培养环境均一 ,可实现较高密度的培养 ,而且总细胞、集落和CD34+ 细胞的扩增都优于静态培养。大规模的反应器培养有利于解决临床应用中细胞数量不足的问题。

海洋鱼病疫苗开发与生物反应器大规模生产

鉴于海水养殖鱼类的经济特点和基因工程菌环境安全性的潜在风险,以现代生物反应器高密度培养技术和非基因工程手段代谢调控为技术特征的海洋鱼类疫苗研究开发将成为目前鱼病控制的及时、有效和安全的发展策略。本文就最新国内外发展动态进行了回顾,对我国海洋鱼病疫苗研究与开发的技术思路提出建议。

脐血细胞在搅拌悬浮生物反应器中的生长特性

目的:了解脐血细胞在搅拌悬浮生物反应器中的生长特性,为开发搅拌悬浮生物反应器大规模生产造血细胞提供实验依据。方法:实验于2003-06/11在华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室动物细胞与组织工程研究室完成。脐血细胞在基本细胞因子组合干细胞因子+白细胞介素3+白细胞介素6的刺激作用下,考察其在静态和动态培养系统中的生长规律,搅拌转速(30,60r/min)对脐血细胞细胞周期分布和凋亡的影响以及不同形状搅拌桨(平翼桨、搅拌棒)对脐血细胞生长的影响。结果:①总细胞的扩增:随着细胞逐步适应体外生存环境,总细胞开始表现出增殖的趋势,且转瓶扩增效果略好于孔板,但差异不显著。②CD34+细胞的扩增:在相同细胞因子组合的培养条件下,动态培养在短期培养(1周左右)过程中表现出了明显的增殖优势,而静态培养更有利于维持造血干/祖细胞状态。③总集落形成细胞的扩增:在短期培养中动态培养系统具有明显的生长优势,随着培养时间的延长,静态培养对总集落形成细胞的维持作用优于动态培养。④不同搅拌转速对脐血细胞细胞周期分布和凋亡的影响:相对于静态培养,CD34+细胞除了G2期含量显著增加外,对其他细胞周期和凋亡无显著影响,随着搅拌转速从30r/min提高到60r/min时,CD34+细胞周期分布和凋亡差异不明显,而细胞周期分布和凋亡比率在静态培养和60r/min的转瓶培养情况下更为相似,表明流体作用力的增强对CD34+细胞的生长行为没有影响。⑤不同搅拌桨形状对造血细胞培养的影响:相同搅拌转速(30r/min)下培养来源相同的脐血细胞,1周后平翼桨转瓶中的单个核细胞数锐减,而搅拌棒转瓶却能保持基本不变,且差异显著(P<0.05)。说明不同搅拌桨形式导致混合方式的差异以及由此产生的不同流体作用力等对造血细胞增殖造成某种程度的影响。结论:动态培养能支持脐血细胞的生长,且造血干/祖细胞的增殖优于静态培养。搅拌转速的增加对脐血细胞细胞周期分布和凋亡无显著影响,而不同的搅拌形式与脐血细胞的增殖有关。

集胞藻6803在封闭式光生物反应器中的混合营养培养

采用摇瓶和封闭式光生物反应器进行了蓝藻基因工程常用宿主系统集胞藻Syne chocystis680 3的混合营养培养研究。在摇瓶中对集胞藻 680 3利用有机碳源特性进行研究的结果表明 ,光照是集胞藻 680 3利用葡萄糖的必需条件 ,混合营养培养是集胞藻 680 3的最佳培养方式。以葡萄糖为基质 ,在 2 5L封闭式光生物反应器中经过 58.5h的混合营养培养 ,集胞藻 680 3的藻细胞密度和平均生长速率分别达到 2 .50g/L和 1 .0 1 g/L/d,分别是光自养培养同期的 9倍和 1 1倍 ,这表明封闭式光生物反应器混合营养培养方式在促进集胞藻 680 3生长上有显著作用。

蜂窝陶瓷固定化细胞气升式内循环生物反应器处理含糖废水的研究

研制了一种固定化细胞气升式内循环生物反应器 ,在处理含糖废水的同时生产单细胞蛋白 (SCP) .在与游离细胞处理废水进行了比较后 ,分别求出了两种方法的比生长速率和COD降解速率常数 ,其中固定化细胞降解COD的速率比游离细胞高出 1.5倍 .考察了氮源对废水COD降解和细胞生长的影响 ,实验表明 ,适当添加一些尿素可以促进含糖废水COD的降解 .进行了连续处理废水的实验 ,其有机物负荷最高可达到 15kg(COD) / (m3·d) .

葡萄糖流加策略对基因工程FR-008/杀念菌素衍生物CS103补料分批发酵过程的影响

以组合生物合成技术得到的链霉菌FR-008突变株CS103为研究对象,研究了3.7L发酵罐上维持一定葡萄糖浓度对其次级代谢产物脱羧FR-008/candicidin衍生聚酮抗生素CS103生物合成的影响。当初始葡萄糖浓度20g/L,发酵过程还原糖浓度维持在10g/L时,抗生素CS103最高产量较分批发酵最高产量相比提高30%。研究了3.7L罐上补料分批发酵生产CS103的工艺,主要考察了脉冲补料、间歇流加补料和连续流加补料三种补料分批发酵工艺,并与分批发酵进行了比较。连续流加补料维持糖浓度的效果明显,最高产量达到126.9μg/mL,与分批发酵相比提高了44%左右。

生物反应器流场特性研究及其在生物过程优化与放大中的应用研究

生物反应器是实现生物过程的核心设备,其内进行的生物反应过程受不同反应器内流场结构的影响会产生差异显著的结果,这也是导致生物过程放大困难的关键问题之一。为研究这一问题,必须对不同规模反应器内流场结构有充分的认识,必须对反应器内的混合、传质、剪切等影响生物过程的几个关键方面进行深入研究。首先简单介绍了反应器流场研究的实验及数值模拟方法,在此基础上详细论述了流场混合与传质对生物反应过程的影响,流场剪切对丝状菌形态及其生物过程的影响,最后从反应器流场与细胞生理代谢特性整合的角度,介绍了反应器流场与细胞生理之间的相互作用关系,并以三个实例简单介绍了基于Euler-Lagrange模拟框架的整合流场和细胞动力学模型的模拟方法及模拟结果。旨在通过介绍反应器流场研究及其在生物过程优化放大中的应用,提出基于反应器流场特性与细胞动力学响应的生物过程放大研究方法,为更高效、理性地生物过程放大提供一些理论参考。

微型生物反应器与高通量菌种筛选

生物技术和生命科学将成为21世纪引发新科技革命的重要推动力量，人类所面临的健康、疾病、食品、医药制造、能源、环境等一系列问题成为这一时期最重要的内容。以微生物发酵技术为核心的新一代工业生物技术正在发挥越来越重要的作用，功能菌株（高产菌种）的构建与大规模筛选技术被列为重点研究的新一代工业生物技术之一。