随着生物技术由实验室研究向实用化和产业化的不断转化,细胞培养作为其重要的手段已成为许多国家争先研究的领域。目前,国内外对于细胞培养的研究不仅仅只停留在实验室规模,而是迈向工业级别的大规模培养,这就对细胞体外培养技术的核心装置生物反应器提出了更高的要求。通过对细胞大规模培养的影响因素进行分析,发现反应器内流场混合的均匀性和搅拌剪切力是制约细胞大规模培养的主要原因,因此把这两个因素作为研究方向,进行一系列的仿真计算,为细胞大规模培养生物反应器的研究设计提供资料和理论依据。首先,采用CFD数值模拟方法分析一种新型的Elephant Ear桨叶,把它和三种常用的搅拌桨叶在流场混合均匀性和剪切力这两方面进行了仿真对比,得出该桨叶不仅产生的剪切力较小而且流场的混合也比较均匀,采用该桨叶作为大规模生物反应器的搅拌桨叶。在此基础上,使用FLUENT仿真软件对采用Elephant Ear桨叶的100L生物反应器进行了结构优化,优化了反应器的高径比、反应器罐底半径、桨叶安装高度、挡板数量;同时对Elephant Ear桨叶也进行了仿真分析。然后,运用有限元分析软件ABAQUS从宏观角度对CHO细胞在流场内的力学特性进行了仿真分析,得到了在剪切力作用下细胞产生的应力和变形规律;分析了培养液压力和剪切力复合作用下的细胞力学特性,认为剪切力是引起细胞变形破坏的主要原因。最后,把CHO细胞在不同转速下的培养实验和仿真分析结合起来,得出最适合CHO细胞生长的流场剪切力为0.3Pa,对细胞在该剪切力作用下进行了仿真分析,得出细胞在U方向的最大变形位移为8.5μm。