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

1、第29卷第1期高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)No.1Vol.292015年2月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesFeb.2015文章編號(hào)：10039015(2015)0全文數(shù)字和英文均為TimesNewRoman字體剪切應(yīng)力對(duì)紅豆杉細(xì)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(jìn)(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(chǎng)中研究了不同剪切應(yīng)力

2、(0.160.460.78Pa)對(duì)懸浮培養(yǎng)的南方紅豆杉細(xì)胞生理的短期影響。結(jié)果表明剪切應(yīng)力為0.16~0.46Pa時(shí)，有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)和初生代謝；剪切應(yīng)力為0.46~0.78Pa時(shí)有利于細(xì)胞的次生代謝；另一方面利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)20L生物攪拌釜(45?斜向上槳(45?PBT)，槳距為(13)T的流場(chǎng)進(jìn)行了三維模擬，獲得攪拌釜內(nèi)部的剪切場(chǎng)。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(shí)甚至高達(dá)7倍。通過將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CFD模擬相結(jié)合，預(yù)測(cè)了20L生物攪拌釜剪切應(yīng)力對(duì)南方紅豆杉細(xì)胞生理的影響。表明當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速小于150r?min?1時(shí)，攪拌釜內(nèi)相應(yīng)的剪切應(yīng)力有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)和初生代謝；而當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速大于200r?min?1時(shí)，則不宜于南方紅豆杉細(xì)胞的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)(CFD)剪切應(yīng)力植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)均勻剪切場(chǎng)中圖分類號(hào)：Q813.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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?xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(20176038)作者簡(jiǎn)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(jìn)，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(gè)10號(hào)字，每頁42行10號(hào)字欄數(shù)：1；應(yīng)用于：整篇文檔10號(hào)8號(hào)黑體10號(hào)12號(hào)加粗10號(hào)楷體中文14號(hào)黑體英文14號(hào)加粗8號(hào)宋體8號(hào)黑體6.5號(hào)宋體6.5號(hào)黑體圖內(nèi)英文、數(shù)字，圖題均為wd7.5號(hào)8號(hào)楷體10號(hào)加粗第29卷第1期商桂敏等：剪切應(yīng)力對(duì)紅豆杉細(xì)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(jī)硅的最低共聚率。室溫下，將膠膜在水中浸泡24h，稱重測(cè)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(gè)樣品準(zhǔn)備5個(gè)樣片，采用德國(guó)KRUSS公司K100表面張力儀、按白金板法測(cè)試膠膜的前進(jìn)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(píng)價(jià)手感及牢度，綜合三人以上的評(píng)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(píng)價(jià)

13、高低溫對(duì)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(jī)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(shí)，單體滴加方式對(duì)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(jī)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(jī)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(shí)手感表現(xiàn)也較好。在有機(jī)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(jī)硅改性丙烯酸酯乳液提升膠膜手感和耐水性與有機(jī)硅共聚率所對(duì)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(hào)說明：B?模型參數(shù)，Kα?NRTL方程非隨機(jī)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(jì)算值x?液相

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

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