生物制药主要是指通过细胞的体外培养来获得药用蛋白的过程,是21世纪最具前景的产业之一。而为细胞生长代谢提供体外环境的生物反应器则是生物制药过程中极为关键的设备。细胞在生长代谢活动中需要不断从外界汲取营养物质,而且由于缺乏细胞壁的保护,细胞自身对外界环境变化十分敏感,这意味着生物反应器所提供的流体环境会对细胞生长代谢产生重要影响。然而,由于生物反应器内流体运动非常复杂,使得生物制药水平长期以来主要依靠优质的细胞系和良好的培养基。近年来,随着计算流体力学(CFD)技术不断发展和成熟,使得研究生物反应器内的流体运动特性成为可能。目前,生物反应器中的理论和实验研究工作主要基于搅拌式类型,而对于另一种新型的且更具有发展潜力的摇动式生物反应器,由于混合原理和供氧方式的不同,相关研究仍比较匮乏。因此,本文以摇动式生物反应器为研究对象,借助CFD流体仿真技术、细胞悬浮培养技术、PIV激光流体测速技术和运动流体图像捕捉技术等对该类型生物反应器内的物质混合、氧气传输以及细胞损伤等重要特性进行了仿真和实验研究。为了对摇动式生物反应器内的液体流动特性进行分析,本文首先通过CFD流体运动仿真技术、PIV流体测速技术和运动流体成像技术建立了适合模拟摇动式生物反应器内流体运动的仿真策略,优化了时间步长、网格数量和湍流模型等重要模型参数,发现重力矢量法的运动加载方式更有利于实现高效、稳定的仿真计算。有效的物质混合是生物反应器需要达到的首要目的之一,混合不均匀造成的养料浓度梯度和次级代谢产物增加将会抑制细胞生长。为了能够有效地评价摇动式生物反应器中的混合效率,本文针对不同规模的摇动式生物反应器分别建立了混合时间“瞬态法”和“动态冻结法”的仿真策略。通过对不同溶液体积和转速下的混合时间进行分析发现,溶液体积低于特定临界值或转速高于特定临界值时,混合时间将为常数,对应的临界值被分别定义为“饱和体积”或“饱和转速”。进一步分析发现,当液面波高度大于溶液初始高度1.5倍时,“饱和体积”或“饱和转速”将分别出现。混合的另外一重要目的是培养过程中保持细胞悬浮状态,而目前如何估计细胞悬浮状态仍缺乏有效的技术手段。本文通过对CHO细胞悬浮问题的实验和仿真研究发现,当流域内平均轴向速度小于0.04m/s时,培养溶液中很有可能出现细胞沉淀。生物反应器内的氧气供应效率对于动物细胞培养而言至关重要。本文首先建立了氧传质系数(kLa)的仿真模型,对溶液体积和转速影响kLa的机理进行了分析发现,传氧效率变化本质上取决于流域内的雷诺数和近壁面处流体的弗劳德数。并通过建立kLa预测模型,得到了转速、溶液体积、偏心距和罐体直径对氧气传输效率的影响规律。细胞损伤问题一直是生物反应器研究中的重点和难点。本文最后分别从反应器功耗、湍流损伤和流体剪切力三个方面对摇动式生物反应器中的细胞损伤问题进行研究。通过对SB10-X反应器功耗的影响因素进行曲面响应分析,确定出了细胞培养的适宜条件范围,并通过实验证明了该范围内的CHO细胞培养效果能够达到较高水平。其次,本文采用湍流特征尺度对不同流域内的湍流旋涡最小尺寸进行了估计,并通过CHO细胞培养发现,当湍流特征尺度处于细胞直径范围时,将发生致命性的细胞损伤。最后,本文通过对不同溶液体积和转速下OSR600中的流体剪切力分布进行研究发现,低于1.0Pa的剪切力并不会对CHO细胞产生致命性的损伤,但暴露在0.4-1.0Pa剪切力范围内细胞的蛋白产量却会明显降低。