气升式环流中空纤维膜生物反应器内骨髓间充质干细胞的培养与扩增

骨髓间充质干细胞(MSCs)具有多向分化的潜能,是重要的组织工程"种子细胞"和理想的基因治疗靶细胞,但在骨髓中的含量非常少,需体外扩增才能满足临床需求.今将第四代MSCs与Ⅰ型胶原溶液混合后接种于中空纤维膜(HFMs)内,置37℃、5% CO2、饱和湿度的培养箱内1 h后形成凝胶,然后将此HFMs接种至气升式环流生物反应器(ALB)内,进行MSCs的三维动态培养与扩增.实验过程中每24 h取样测吸光度、计细胞数、绘制细胞生长曲线,测定细胞代谢参数,并对扩增的细胞进行流式细胞仪分析及多向诱导分化检测.结果表明:在气升式环流中空纤维膜生物反应器(ALHFMB)内,O2含量基本保持恒定;细胞代谢旺盛,MSCs扩增倍数明显增加,7 d后扩增近16倍;扩增的细胞仍保持MSCs表型并具有较强的成骨、成软骨及成脂肪的多向分化能力.     

中空纤维膜在旋转壁式生物反应器内作为细胞载体的性能

利用中空纤维膜作为成骨细胞的载体,在旋转壁式中空纤维膜生物反应器(Rotating wall hollow-fiber membrane bioreactor, RWHMB)内对其进行大规模扩增,并在静态环境使用中空纤维膜和在旋转壁式生物反应器(Rotating wall vessel bioreactor, RWVB)中使用微载体以相同条件对照培养.每隔12 h 对细胞进行取样,培养 5 d 后对细胞进行收获.对所扩增的细胞分别进行扩增能力、扫描电镜(SEM)观察、苏木精-伊红染色、碱性磷酸酶(ALP)染色、钙化结节染色等生物学性能检测.结果显示在RWHMB内动态培养的成骨细胞生长良好,分泌大量的细胞外基质.证实RWHMB能结合RWVB和中空纤维膜的优点,较好地模拟体内环境,对所培养的细胞施加适当的流体应力刺激,促进细胞的新陈代谢和物质交换,更有利于细胞的生长及增殖.     

气泡循环流动型膜生物反应器流体力学特性研究

以气升式环流反应器和膜生物反应器为基础,提出气泡循环流动型膜生物反应器的概念.利用气液循环流动减缓膜污染,通过充压渗透的操作方式,降低水处理能耗与设备投资.实验研究了下降管内中空纤维膜填充率对反应器的平均气含率、循环液速等流体力学性能的影响,使用模拟体系考察膜分离性能. 研究结果表明:循环流动的气液两相能够明显缓解膜污染,提高膜渗透通量;利用充压渗透的操作方式可以实现膜分离过程,同时加压操作会导致平均气含率减小,循环液速降低.在理论分析基础上,导出平均气含率、循环液速随操作气速和压强的变化关系.     

新型温敏性中空纤维膜的制备与表征

采用自由基聚合方法对中空纤维膜（hollow fiber membranes,HFMs）进行了N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）的接枝聚合,制备了一系列PNIPAAm-g-HFMs,同时考察了成纤维细胞在PNIPAAm-g-HFMs表面的培养与降温脱附情况。傅里叶红外光谱和元素分析结果表明PNIPAAm成功地在中空纤维膜上接枝聚合。动态接触角分析结果显示,当温度降至LCST以下,PNIPAAm-g-HFMs表面接触角明显降低;蛋白黏附测定结果进一步证实了当温度发生改变时,PNIPAAm-g-HFMs表面呈现亲疏水性质变化,即具有温敏性。37℃时,成纤维细胞在HFMs-0.005,HFMs-0.01和HFMs-0.05表面均能正常黏附、铺展与增殖;而HFMs-0.2不适宜细胞的黏附与生长。降温孵育后,黏附于PNIPAAm-g-HFMs表面的细胞发生明显的形态变化并从其表面发生脱附,细胞脱附率高达90%以上。以上实验结果表明,PNIPAAm-g-HFMs具有良好的温敏性,可实现细胞的降温脱附,可与生物反应器相结合用于贴壁型细胞的大规模扩增与降温收获。     

气升式振荡环流反应器的数值模拟和结构优化

气升式振荡环流反应器（ARLR）作为一种新型的气升式环流反应器,能够有效地提高反应器的气含率和传质系数,并已得到生物发酵实验的验证。本文通过CFD的手段研究了反应器内的流动和传质状况,并利用CFD模拟和响应面分析相结合的方法,优化了反应器的结构参数,如高径比（H/D）、升液区降液区面积之比、导流筒高度等。经过实验测量,优化后的气升式振荡环流反应器与传统的气升式环流反应器相比,气含率提高了32%以上,传质系数提高了11%以上。结果表明,气升式振荡环流反应器作为生化反应器有着非常广阔的应用空间。     

甲烷生物转化膜反应器的CFD模拟

针对甲烷气体在发酵体系中的传质效率偏低,提出了将中空纤维膜反应器应用于甲烷生物转化体系的方法。使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真软件FLUENT对中空纤维膜生物反应器内部流场进行CFD仿真模拟,探究纤维束长度和通气速率对反应器内气含率和液环速率的影响。结果表明,增大纤维束长度可有效提高反应器内的甲烷气含率和液环速率,从而促进气液两相进行高效传质。最终,通过CFD仿真模拟研究,获得了可用于高效生物转化甲烷生物反应器的最优纤维束长度和通气速率的设计区间,为中空纤维膜反应器的设计和实现甲烷高效生物利用提供研究基础,具有重要的指导意义。     

PVDF和PTFE中空纤维膜生物反应器对垃圾渗滤液深度处理效能的中试比较研究简

文章利用中空纤维膜生物反应器作为垃圾渗滤液的深度处理工艺.通过现场中试试验,对聚偏氟乙烯（PVDF）膜和聚四氟乙烯（PTFE）膜的跨膜压差、产水水质、抗污染能力、化学清洗周期、清洗后膜通量恢复能力及经济性能进行了比较研究.结果表明,PTFE膜更适合应用于垃圾渗滤液的处理中.     

废水处理用ALR生物反应器研究与设计

生物反应器的设计和应用是当前生物工艺过程成功地进行商业化的瓶颈因素之一。气升式环流生物反应器（ＡＬＲ）在生物废水处理方面已显示出是最有前途的装置之一。然而，不象其它反应器那样，ＡＬＲ的研究设计工作还不十分成熟。本文结合玉米发酵制备酒精生产过程中，用洗渣废水培养单细胞蛋白（ＳＣＰ）所用的ＡＬＲ生物反应器的研究设计工作，对气升式环流生物反应器的结构类型、流体动力学特性和氧传统系数进行了深入的分析和计算     

气升式三相内环流生物反应器内流体力学和传质性能的实验研究

本文通过实验研究了气升式三相内环流反应器在非牛顿流体中的流体动力学特性和传质性能.考察了表观气速、导流筒与反应器截面积之比、固体粒子加入量及CMC溶液浓度等操作条件对气升式三相内环流生物反应器中导流筒与环隙内液体循环速度、气含率、固含率及气-液体积传质系数等流动与传质特性参数的影响.     

气升式内环流反应器中的液相轴向返混

在５５Ｌ工作体积的气升式内环流反应器中，用羧甲基纤维素溶液模拟生物发酵液的粘性非牛顿流体行为，研究了表观气速及流体物性等参数对气升式内环流反应器中液相在上升段及下降段区域中轴向返混系数的影响，并与其他作用的实验结果进行了比较和分析。     

新型温敏性中空纤维膜的制备与表征

采用自由基聚合方法对中空纤维膜(hollow fiber membranes,HFMs)进行了N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)的接枝聚合,制备了一系列PNIPAAm-g-HFMs,同时考察了成纤维细胞在PNIPAAm-g-HFMs表面的培养与降温脱附情况。傅里叶红外光谱和元素分析结果表明PNIPAAm成功地在中空纤维膜上接枝聚合。动态接触角分析结果显示,当温度降至LCST以下,PNIPAAm-g-HFMs表面接触角明显降低;蛋白黏附测定结果进一步证实了当温度发生改变时,PNIPAAm-g-HFMs表面呈现亲疏水性质变化,即具有温敏性。37℃时,成纤维细胞在HFMs-0.005,HFMs-0.01和HFMs-0.05表面均能正常黏附、铺展与增殖;而HFMs-0.2不适宜细胞的黏附与生长。降温孵育后,黏附于PNIPAAm-g-HFMs表面的细胞发生明显的形态变化并从其表面发生脱附,细胞脱附率高达90%以上。以上实验结果表明,PNIPAAm-g-HFMs具有良好的温敏性,可实现细胞的降温脱附,可与生物反应器相结合用于贴壁型细胞的大规模扩增与降温收获。     

巡视中空纤维膜的研发和产业进展

介绍了国内外用于人工肾的中空纤维透析膜、用于废水处理的微滤、超滤中空纤维及膜生物反应器（MBR）、用于海水淡化的中空纤维反渗透膜、用于气体分离及有机物代精馏的中空纤维膜、用于双亲和性吸附蛋白质的固定双配合剂多微孔中空纤维膜、用于回收海水资源的微滤和纳滤膜、用于脱氧核糖核酸链（DNA）切片的内含亲水性聚合物的中空纤维膜以及新型电池隔膜.     

环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性

针对中心气升式气固环流反应器在工业化中暴露出来的问题,提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器,并建立了一套大型的冷态实验装置（装置总高4．56m,环流反应器筒体外径300mm）来考察环隙气升式气固环流反应器内颗粒速度特性。操作条件为环隙区表观气速0.10-0.54m／s,导流筒区表观气速0.059-0.200m／s。分别测量了环流反应器环流段内颗粒的密度和速度,基于实验数据对催化剂颗粒的运动速度和环流推动力进行系统分析。结果表明,环隙区颗粒分布形式为“中心稀两边浓”;环隙气升式气固环流反应器内,颗粒环流速度随着环隙区表观气速的增大而增大,而环流速度梯度逐步减小。随着导流筒高径比H／D的增大,环隙气升式气固环流反应器的环流推动力增大而颗粒环流速度减小。     

气升式环流生物反应器微孔气体分布器结构优化与性能

目前,气升式环流生物反应器普遍使用管式气体分布器,管式气体分布器易堵塞,动力效率低。气泡粒径小,动力效率高的微孔气体分布器应用于气升式环流生物反应器的研究少有报道。本文为研究微孔气体分布器应用于气升式环流生物反应器的实际效果,对微孔气体分布器进行结构优化研究,考察分布器形式、直径和安装位置等因素对氧传质系数的影响,进而考察优化后的微孔气体分布器的充氧能力、氧利用率、动力效率等性能参数及其变化规律。指导微孔气体分布器的工业化应用。实验结果表明：盘式微孔气体分布器传质效果优于管式,且盘式微孔气体分布器直径为0.4R时,传质效果最佳;膜盘到导流筒底部距离为1R时,分布器的氧传质系数最大,R为导流筒半径;微孔气体分布器适宜的气体流量为1.5m³/h,充氧能力0.14kg/h,氧利用率为34.63%,动力效率为3.35kg/(kW·h)。     

化肥氨氮废水处理技术通过鉴定

由天津大学化工学院承担的国家自然科学青年基金和中国石化集团股份公司科技开发基金联合资助课题的延伸项目———气升式环流生物反应器与喷射环流生物反应器集成系统处理化肥氨氮废水技术 ,近日通过鉴定。该课题是在跟踪、借鉴、吸收国内外化肥氨氮废水处理技术基础上 ,通过对环境微生物的诱变、筛选、驯化和对新型高效反应器的开发和耦合 ,在国内外率先开发出处理化肥氨氮废水的气升式环流生物反应器与喷射环流生物反应器集成系统 ,经采用人工模拟废水和化肥企业生产废水 ,进行废水处理实验研究化肥氨氮废水处理技术通过鉴定     

气升-射流式多段环流反应器的流体力学和传质特性

气升式环流反应器在气液或气液固三相反应以及分离过程应用广泛,为提高气液分布和传质性能,在气升式多段环流反应器的第2段引入射流,开发一种气升-射流式多段环流反应器.在160 L的实验装置中,以水-空气体系,研究了气升-射流式多段环流反应器的流体力学和传质特性.射流可减小上升气泡的弦长,提高总体气含率,改善下降段气液分布,...     

同时扩增与收获脐带血来源造血干细胞及间充质干细胞的研究

目的为利用生物反应器,实现脐带血(Umbilical cord blood,UCB)来源的造血干细胞(Hematopoietic stem cells,HSCs)与间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)的同时扩增与收获。方法为在不添加血清、只添加细胞因子组合(SCF15ng·mL-1,FL5ng·mL-1,TPO6ng·mL-1,IL-315ng·mL-1,G-CSF1ng·mL-1,GM-CSF5ng·mL-1)及海藻酸钙壳聚糖胶珠包被基质细胞支持的条件下,采用玻璃包被的聚苯乙烯(Glass coated styrene copolymer,GCSC)微载体与生物反应器相结合的策略,考察了UCB-HSCs与UCB-MSCs在转瓶及旋转壁式生物反应器(Rotating wall vessel bioreactor,RWVB)内的共培养。结果RWVB中的扩增效果最佳,12天内有核细胞(Nuclear cells,NCs)扩增了3.7±0.3倍;集落形成细胞(Colony-forming units in culture,CFU-Cs)扩增了5.1±1.2倍;CD34+CD45+CD105-(HSCs)细胞扩增了5.2±0.4倍;CD34-CD45-CD105+(MSCs)细胞扩增了13.9±1.2倍。培养结束后,通过自由沉降的方法分离UCB-HSCs和粘附在GCSC微载体表面的UCB-MSCs。同时,细胞多向诱导分化及免疫表型分析结果显示,粘附在GCSC微载体表面上的细胞能够向骨、软骨及脂肪细胞分化;并能够表达间质细胞相关表面标志CD13,CD44,CD73和CD105,而不表达造血细胞的相关表面标志CD34,CD45及HLA-DR,与骨髓MSCs相一致。结论为添加细胞因子、基质细胞及微载体支持的条件下,在生物反应器内能够实现UCB-HSCs和UCB-MSCs的同时扩增与收获。     

内循环膜生物反应器处理啤酒废水

介绍了一种新型低能耗、高效膜生物反应器——内循环膜生物反应器（ICMBR）。反应器是在IC反应器的第二好氧反应室设置中空纤维膜组件和穿孔曝气管构成的IC＋MBR集成工艺;其运行特征相当于上流式厌氧污泥床（UASB）和膜生物反应器（MBR）的串联运行,并利用气体提升达到内循环,成功实现有机物去除和同步生物脱氮,CODCr和TN去除率分别达到90％以上。     

转光膜在雨生红球藻养殖上的应用

通过对雨生红球藻在不同光质条件下生长的比较,确定了红色光有利于藻生长,进而用2.5 L气升式光照反应器在转光膜及普通PE膜下培养藻进行对比,结果显示雨生红球藻生物量、色素、光合活性等几项生物指标在转光膜条件下明显高于普通PE膜. 在气升式反应器内培养的藻细胞,接种9 d,虾青素含量可达3.57 mg/L,叶绿素浓度达到12.42 mg/L,干重提高8.8%以上.     

气升式环流反应器特性参数的研究进展

介绍了气升式环流反应器的工作原理、分类及流型,综述了气升式环流反应器的流体力学特征参数(主要包含气含率和循环液速)、混合及传质特性参数的测量方法和影响因素。介绍了气含率和循环液速的数学模型,并评述了现有模型。展望了气升式环流反应器进一步的研究方向与发展前景。