Математическое моделирование в программных пакетах CFD является мощным элементом проектирования и расчета задач любой сферы инженерной деятельности. CFD-пакет содержит в себе комплекс программ, которые позволяют на основе математических законов моделировать объекты различных областей науки. Для биотехнологических процессов, как и для других химико-технологических процессов, используется программа ANSYS Fluent, которая приспособлена для описания гидродинамики подобных систем. Поскольку одной из актуальных тем современной биотехнологии является культивирование клеток, то с помощью данного программного пакета была создана модель половолоконного мембранного биореактора. Изучаемые волокна представляют собой полые цилиндрические мембраны, предназначенные для культивирования клеток. Показателем эффективности процесса роста клеток в рассматриваемом биореакторе является увеличение численности клеток, а именно полное заполнение ими внешнего пространства мембранных волокон биореактора. С ростом клеток уменьшается проницаемость волокна, что влияет на проникновение питательной среды сквозь поры мембраны. Особенность процесса состоит в необходимости подачи такого количества жидкости, чтобы организовать доставку оптимального количества питательной среды клеткам, расположенным по всей поверхности мембраны. Для этого при различных объемных расходах рассчитано скоростное распределение потока питания внутри мембранного волокна и в целом биореакторе с учетом законов сохранения массы и импульса, а также допущений при составлении математической модели. В работе описан анализ гидродинамики в половолоконном мембранном биореакторе с помощью созданной трехмерной математической модели в программном комплексе ANSYS Fluent. Рассмотрены особенности построения модели для одной мембраны, а также отражены результаты моделирования гидродинамики потоков в объеме биореактора.

культивирование, моделирование, мембрана, биореактор, гидродинамика

1. Freshney R. I. Animal cell culture: a practical approach. Oxford. IRL press. 1986, 235 p.

2. Crommelin D. J. A., Sindelar R. D., Meibohm B. Pharmaceutical Biotech-nology. Fundamentals and Applica-tions. Springer Science & Business Me-dia. 2013, 544 p.

3. P. Pattnaik, G. Adams Expediting Clin-ical Batch Production of Viral-Vectored Vaccines and Gene Therapy Products. BioProcessing Journal. 2013, V. 12, no. 3. pp. 41-45.

4. Delafosse A., Collignon M.-L., Calvo S. CFD-based compartment model for de-scription of mixing in bioreactors. Chemical EngineeringScience. 2014, V.106, pp. 76-85.

5. Patrachari A.R., Podichetty J.T., Ma-dihally S.V. Application of computa-tional fluid dynamics in tissue engi-neering. Journal of Bioscience and bio-engineering. 2012, V.114, no. 2, pp.123-132.

6. Pearson N.C., Waters S., Oliver M.J., Shipley R.J. Multiphase modeling of the effect of fluid shear stress on cell yield and distribution in a hollow fiber membrane bioreactor. Springer. 2014, 16 p.

7. Liew E.W.-T., Nandong J., SamyudiaY. Multi-scale models for the optimization of batch bioreactors. Chemical Engi-neering Science. 2013, V.95, pp. 257-266.

8. Sharma C., Malhotra D., Rathore A.S. Review of computational fluid dynam-ics applications in biotechnology pro-cess. Biotechnology programs. 2011, V. 27, no. 6, pp. 1497-1510.

9. Chapman A.C., Shipley R.J., Whiteley J.P. Optimising cell aggregate expan-sion in a perfused hollow fibre bioreac-tor via mathematical modeling. Plos one. 2014, V.9, 14 p.

10. Meier K., Carstensen F., Scheeren C. In situ product recovery of single-chain an-tibodies in a membrane bioreactor. Bio-technol Bioeng. 2014, V. 111, pp. 1566-1576.