利用cfd模擬研究攪拌釜剪切應(yīng)力對紅豆杉細胞懸浮培養(yǎng)的影響

1、第29卷第1期高校化學(xué)工程學(xué)報No.1Vol.292015年2月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesFeb.2015文章編號：10039015(2015)0全文數(shù)字和英文均為TimesNewRoman字體剪切應(yīng)力對紅豆杉細胞懸浮培養(yǎng)的影響及CFD模擬研究?商桂敏施中東未作君元英進(天津大學(xué)化工學(xué)院制藥工程系天津300072)摘要：在同軸圓筒裝置的均勻剪切場中研究了不同剪切應(yīng)力

2、(0.160.460.78Pa)對懸浮培養(yǎng)的南方紅豆杉細胞生理的短期影響。結(jié)果表明剪切應(yīng)力為0.16~0.46Pa時，有利于細胞的生長和初生代謝；剪切應(yīng)力為0.46~0.78Pa時有利于細胞的次生代謝；另一方面利用計算流體力學(xué)(CFD)對20L生物攪拌釜(45?斜向上槳(45?PBT)，槳距為(13)T的流場進行了三維模擬，獲得攪拌釜內(nèi)部的剪切場。結(jié)果表明攪拌釜內(nèi)剪切應(yīng)力分布極不均勻且主要集中在攪拌槳區(qū)和尾流區(qū)，約為主流區(qū)和擋板區(qū)值的3

3、~5倍，有時甚至高達7倍。通過將實驗結(jié)果和CFD模擬相結(jié)合，預(yù)測了20L生物攪拌釜剪切應(yīng)力對南方紅豆杉細胞生理的影響。表明當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速小于150r?min?1時，攪拌釜內(nèi)相應(yīng)的剪切應(yīng)力有利于細胞的生長和初生代謝；而當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速大于200r?min?1時，則不宜于南方紅豆杉細胞的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)(CFD)剪切應(yīng)力植物細胞懸浮培養(yǎng)均勻剪切場中圖分類號：Q813.11文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.3969j.issn.10039015.E

4、ffectsofShearStressonSuspensionCulturesofT.chinensisvar.maireiCellsitsCFDSimulationSHANGGuiminSHIZhongdongWEIZuojunYUANYingjin(DepartmentofPharmaceuticalEngineeringSchoolofChemicalEngineeringTechnologyTianjinUniversityTi

5、anjin300072China)Abstract:Aunifmshearstressfieldwasgeneratedbyusingacoaxialcylinderapparatustostudytheshtperiodeffectsofshearstress(?=0.160.460.78Pa)ontheTaxuscellsphysiology.Resultsshowedthatthecellsgrewwelltheprimaryme

6、tabolismwasvigouswhen0.16Pa?0.46Pathatthecellshadthetendencytoaccumulatemesecondarymetaboliteswhen0.46Pa?0.78Pa.Meanwhilea3DCFDsimulationofthehydrodynamicsacteristicsina20Limpellerstirredbieact(45?upwardPitchedBladeTurbi

7、ne(13)Toftheoffbottomclearance)wasconductedtoobtaintheshearstressfieldinsidethereact.Itcouldbeseenthatthestrengthoftheshearstresswasinhomogeneousmainlyconcentratedintheimpellersweptwakeflowregionswhichwasmethan7timeshigh

8、erthanthatinthebulkbaffleregions.BycombiningtheexperimentalresultsCFDsimulationstheeffectsoftheshearstressonTaxuscellsculturedinimpellerstirredreactswerepredicted.Resultsshowedthattheimpelleragitatingspeedlessthan150r?mi

9、n?1isbeneficialtocellgrowthprimarymetabolism.Whereaswhentheagitatingspeedishigherthan200r?min?1themagnitudeoftheaverageshearstressinthereactwillbetoobigbecomeunsuitabletocellculture.Keywds:computationalfluiddynamics(CFD)

10、shearstresssuspensionculturesofplantcells收稿日期:20011227修訂日期:20020708?；痦椖浚簢易匀豢茖W(xué)基金(20176038)作者簡介：商桂敏(1979)，女，山東德州人，天津大學(xué)博士生。通訊聯(lián)系人：元英進，Email:.頁邊距：上:2.65厘米下:2.5厘米左、右:2.47厘米裝訂線:0厘米；頁眉:1.9厘米頁腳:2.2厘米應(yīng)用于：整篇文檔；紙型：A4；版式：新建頁；奇偶頁不同和

11、首頁不同都打“?”文檔網(wǎng)格：(指定行網(wǎng)絡(luò)和字符網(wǎng)絡(luò))每行43個10號字，每頁42行10號字欄數(shù)：1；應(yīng)用于：整篇文檔10號8號黑體10號12號加粗10號楷體中文14號黑體英文14號加粗8號宋體8號黑體6.5號宋體6.5號黑體圖內(nèi)英文、數(shù)字，圖題均為wd7.5號8號楷體10號加粗第29卷第1期商桂敏等：剪切應(yīng)力對紅豆杉細胞懸浮培養(yǎng)的影響及CFD模擬研究3采用稱量法半定量分析有機硅的最低共聚率。室溫下，將膠膜在水中浸泡24h，稱重測試吸水率

12、。以載玻片浸入乳液使乳液在玻璃基材上流延鋪展，室溫干燥后置于150℃烘箱處理5min制得樣片，每個樣品準(zhǔn)備5個樣片，采用德國KRUSS公司K100表面張力儀、按白金板法測試膠膜的前進接觸角和后退接觸角，結(jié)果取平均值。稱取定量的硅丙共聚乳液與增稠劑混合制得織物涂層整理劑漿料，用刮刀將漿料均勻涂布于滌綸織物上，低溫預(yù)烘后在170℃下烘1min，自然回潮后，人工評價手感及牢度，綜合三人以上的評判結(jié)果為準(zhǔn)。將整理后面料置于不同的環(huán)境溫度中，評價

13、高低溫對手感的影響。表1攪拌釜內(nèi)各區(qū)域的劃分Table1DetailsofthesplitregionsRegionrcodinatezcodinateVolumeratio%Impeller0~0.05m0.08~0.12m5.61Wakeflow0.05~0.13m0.08~0.18m18.41Baffle0.13~0.15m0~0.3m11.83BulkTherest64.153結(jié)論采用半連續(xù)種子乳液聚合方法和間歇乳液聚合方法均可

14、合成核殼結(jié)構(gòu)的有機硅改性丙烯酸酯乳液，但半連續(xù)種子乳液聚合得到的硅丙乳液的平均粒徑較小，粒徑分布較窄。半連續(xù)法合成硅丙乳液時，單體滴加方式對單體總轉(zhuǎn)化率、乳膠粒子平均粒徑和粒徑分布影響不大，但采用純單體滴加可獲得比預(yù)乳化單體滴加更高的有機硅共聚率，膠膜及織物整理應(yīng)用性能也更好。以KH570為偶聯(lián)劑，間歇法合成的硅丙乳液具有最高有機硅共聚率(90.62%)，乳液膠膜的耐水性及手感在間歇法硅丙乳液中均最好，涂層整理時手感表現(xiàn)也較好。在有機硅

15、共聚率接近的前提下，半連續(xù)法硅丙乳液的耐水性優(yōu)于間歇法硅丙乳液膠膜，但手感表現(xiàn)稍差。有機硅改性丙烯酸酯乳液提升膠膜手感和耐水性與有機硅共聚率所對應(yīng)，將不同工藝制備的硅丙乳液應(yīng)用于織物的涂層整理，整理織物的應(yīng)用性能與膠膜性能一致。符號說明：B?模型參數(shù)，Kα?NRTL方程非隨機參數(shù)OF?目標(biāo)函數(shù)γ?活度系數(shù)p?體系總壓力，Pa上標(biāo)pis?組分i的飽和蒸汽壓，Pa?表示與另一相平衡的狀態(tài)Δp?壓差，Pa下標(biāo)T?溫度，Kcal?計算值x?液相

16、摩爾分?jǐn)?shù)exp?實驗值y?汽相摩爾分?jǐn)?shù)12ij?組分參考文獻:[1]LeckieFScraggAHCliffKR.EffectofbieactdesignagitatspeedonthegrowthalkaloidaccumulationbyculturesofCatharanthusroseus[J].EnzymeMicrobTechnol199113(2):296305.[2]HookerBSLeeJMAnG.Cultivation

17、ofplantcellsinastirredvessel:Effectofimpellerdesign[J].BiotechnolBioeng199035:296304.[3]WangerFVolgelmannH.Planttissuecultureitsbiotechnologicalapplication[M].Berlin:SpringerVerlag1977.245255.[4]ScraggAHAllanEJLeckieF.Ef

18、fectofshearontheviabilityofplantcellsuspensions[J].EnzymeMicrobTechnol198810(2):361367.[5]MeijerJJtenHoopenHJGvanGamerenYM.Effectsofhydrodynamicstressonthegrowthofplantcellsinbatchcontinuousculture[J].EnzymeMicrobTechnol