下喷式液泵型生物反应器的基础研究

【摘要】： 氧气是一种难溶性气体，常温常压下在纯水中的溶解度为8mg／L，而在含有机物质和糖类成分的发酵液中溶解度更低，在1.013×10~5pa、25℃下，空气中的氧在发酵液中的饱和溶解度仅为0.2×10~3mol／L，因此，在如SCP单细胞蛋白的高密度培养等发酵过程中，供氧成为主要矛盾；在动物细胞的培养中，由于其没有细胞壁，因此对剪切力相当敏感，国内外学者虽然研制出一系列动物细胞反应器，但均不太适应动物细胞的扩大培养；另外，目前对于液泵型生物反应器的研究大都基于空气／水或其它牛顿型流体体系，但发酵液的生物学特性决定了其流体特性并不属于牛顿型流体范畴。为此，本试验设计了一种低高径比(H／D=2.27)的下喷式液泵型生物反应器，在外部泵体动力驱动下，使发酵液在反应器内部和外部管路形成的系统中循环，并由反应器顶部的喷嘴以喷射的形式进入反应器，继而在导流筒的引导下在反应器内部形成整规流型，从而达到内外双循环的目的，发酵液各相在循环和喷射过程中充分接触混合，采用Na_2SO_3氧化法对其体积氧传递系数进行了测定并对导流筒结构尺寸进行了优化，其结果可达到磁力搅拌生物反应器转速在900rpm下的溶氧传递效果；该反应器以液体循环混合方式替代了搅拌装置，从而使剪切力对细胞产生的损伤大大降低；迄今为止，各国学者对下喷式JLR的进行了研究，而对具有非牛顿流体的低高径比液泵型生物反应器的传质特性的研究报道很少，本试验采用了羧甲基纤维素钠(CMC)溶液模拟了发酵液的非牛顿流体状态，通过D_E、L_E、ω_c％三因素三水平正交试验，得出了各因素对溶氧传质性能的重要性顺序以及因素水平变化与K_La值的变化规律，使该冷漠试验对实际发酵过程具有更好的指导效果。