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随着以动物细胞表达的治疗型重组蛋白的应用越来越广泛,动物细胞大规模培养技术备受关注。生物反应器内流体混合和气液传质是动物细胞大规模高密度培养过程中的两个重要方面。氧供应和二氧化碳移除的矛盾已成为动物细胞大规模高密度培养过程优化与放大中亟待研究的关键问题。为此,本文以动物细胞培养用生物反应器为研究对象,考察了操作参数对流体混合和气液传质的影响,并利用自主设计的鼓泡柱对搅拌式生物反应器内复杂环境进行简化,研究了氧和二氧化碳在气液两相间的微观传质特性。发现在相同操作条件下,反应器规模越大,混合效果越差；搅拌转速的提高可有效地改善混合效果。进而以雷诺数、反应器体积和搅拌桨直径为变量,建立了生物反应器内的混合时间模型,可对不同规模生物反应器内各操作条件下的混合时间进行很好的预测。在气液传质方面,通过鼓泡柱冷模实验对氧和二氧化碳的传质特性进行研究,发现在一定操作条件下,二氧化碳的传质速率是氧的24倍。由于传质速率的显著差异,在反应器内气泡运动过程中二氧化碳更容易达到气液平衡,达到气液平衡所需的时间随着气泡直径的减小而缩短。反应器操作参数中搅拌转速的提高虽对体积氧传质系数具有明显的促进作用,但对二氧化碳传质速率无显著影响；通气速率和气泡直径对气液传质具有显著影响,氧和二氧化碳的传质系数均随着通气速率的提高或气泡直径的减小而增大,但较小直径的气泡不利于二氧化碳的移除,在相同的体积氧传质速率下,由microsparger产生的小气泡的二氧化碳移除速率为ringsparger产生的大气泡的33%/~66%。基于以上研究结果,建立了氧和二氧化碳的传质模型,对200L生物反应器内各操作条件下的氧和二氧化碳传质系数进行了很好的预测,据此建立的200L动物细胞高密度培养过程中氧和二氧化碳的强化操作策略可有效地防止二氧化碳的过量累积,该传质模型对培养过程中二氧化碳分压的预测值与实验值相对偏差小于15%。以上研究结果为建立动物细胞大规模高密度培养过程设计、放大与强化操作策略奠定了基础,也为大型生物反应器的设计制造提供了科学依据。