课程文献中心 更多>>

关键词： PD-1   CAR-T   CD30   慢病毒载体   悬浮培养   生物反应器   冻存液  

摘要： CAR-T(Chimeric antigen receptor T)细胞疗法作为目前最有前景的肿瘤免疫疗法之一,在恶性血液肿瘤细胞过继免疫治疗中表现出显著抗肿瘤疗效和良好临床缓解率。但就目前CAR-T细胞治疗仍存在较多的挑战,单一的CAR-T细胞免疫疗法在治疗实体肿瘤时存在效果不佳、生存时间不长的问题,在血液瘤治疗中仍存在较高复发机率和产生耐药性的可能;慢病毒载体的短缺已经成为其应用于细胞免疫治疗行业的瓶颈。探索符合c GMP(Current good manufacture practices)级别规模化和可重复的慢病毒生产工艺,成为临床细胞治疗中关键的环节;且目前市面上可用于直接临床注射的CAR-T细胞冻存液相对较少,临床级的细胞冻存液的研发也成为了CAR-T细胞治疗必不可少的环节。随着细胞免疫疗法研究的发展,越来越多联合疗法得到应用。然而,关于最具潜力的治疗靶点CD30联合免疫检查点PD-1敲降技术抗肿瘤效果的研究还未见报道。实验选择CD30作为治疗靶点,联合PD-1敲降技术并研究其对霍奇金淋巴瘤临床前联合效果,为临床治疗提供理论依据。实验首先研究CAR-T细胞制备工艺中anti-CD3/CD28磁珠和慢病毒对T细胞中PD-1蛋白表达的影响。实验结果显示,在Jurkat细胞系中加入anti-CD3/CD28磁珠和CAR-CD30慢病毒能够显著刺激PD-1蛋白表达,分别为63.5±4.9%(P＜0.01)和63.0±5.3%(P＜0.01)的。添加0.5:1抗CD3/CD28磁珠对Jurkat中PD-1表达的刺激48 h内呈量效关系,之后随时间增加PD-1蛋白表达下降,144 h时下降到4.5±0.3%以内。CAR-CD30慢病毒以MOI=3感染复数刺激Jurkat细胞后,载体携带CAR-CD30抗体与细胞系CD30抗原蛋白反复结合,持续上调PD-1,致使转染阳性细胞过度刺激,其阳性细胞比例随时间增加而减少。0.5:1比例添加的anti-CD3/CD28磁珠能短暂性提高T细胞中PD-1蛋白3倍左右的表达,且不影响T细胞活率。CD30蛋白在正常人T细胞中表达相对较低,实验证实在CAR-CD30慢病毒刺激T细胞没有呈现显著的PD-1上调(P＞0.05)。肿瘤患者微环境复杂,周边细胞携带抗原蛋白可能刺激T细胞PD-1的表达。实验同时进一步强调CAR-T细胞联合免疫检查点PD-1治疗药物的有效性。本研究体外筛选出一条敲降50%左右PD-1表达的序列。通过慢病毒载体携带PD-1干扰RNA方式联合CAR-CD30蛋白的方法在体外治疗霍奇金淋巴瘤。实验结果表明PD-1敲低和CAR-CD30蛋白的增加,都会显著抑制T细胞增殖(P＜0.01),且CAR-CD30蛋白的影响更为显著。同时实验证实CAR-CD30-T细胞对L428具有一定的靶向杀伤性,而PD-1的敲低在一定程度上抑制其杀伤效果。因此,实验表明PD-1干扰RNA可能不适合与CAR-CD30细胞治疗联合抗肿瘤。同时本研究采用L型大泡通气系统的机械式搅拌生物反应器培养293悬浮细胞进行规模化包装慢病毒载体。实验首先应用4种方法驯化293T细胞,并对其慢病毒包装能力进行验证。随后建立种子扩增链,并在5.5 L的工作体积生物反应器中绘制悬浮细胞生长曲线和包装慢病毒载体。实验表明,采用293CD05Medium无血清基础培养基和SMM293-TⅡ培养基体积一比一混合培养可以快速驯化293T细胞,成功得到野生型且具有慢病毒包装能力的悬浮细胞系。悬浮细胞在机械式搅拌生物反应器中培养,两天后细胞密度可达1.5×10～6cells/m L。添加质粒复合物和补料培养基,共经四天的培养可以收获6.5×10～7TU/m L滴度的慢病毒粗产品。机械式搅拌生物反应器慢病毒包装工艺与细胞工厂工艺相比,成本低、效率高,具有很强的竞争力。为了得到足够数量的活性CAR-T细胞,实验研发出一种临床级可注射的CAR-T细胞冻存液。实验研究冻存液稳定性,优化最佳冻存配方,摸索CAR-T细胞复苏后回输时间,检测了冻存液渗透压和p H及冻存前后细胞CAR的表达和体内外对肿瘤细胞的杀瘤作用。实验结果证实按不同比例原料配制成冻存液在安瓿中4℃放置60天化学性质依然稳定。采用最佳冻存溶液配方(7.5%DMSO、30%转化糖和电解质注射液、4%葡聚糖40葡萄糖注射液、10%HES和电解质注射液、1%Vc和30%HSA),CAR-T细胞凋亡率仅为2%,效果好于目前商业冻存溶液。冻存液的渗透压为1922m Osm/kg,p H为6.4。为了减少高渗透压带来的危害,稀释40倍后渗透压为311m Osm/kg,满足注射的要求。实验表明在1-1.5 h内CAR-T细胞恢复了对RAJI杀伤的特性,并且复苏CAR-T细胞在体内外也具有有效的抗肿瘤

关键词： 人多能干细胞(hPSCs)   悬浮培养   细胞聚集体   生物反应器   微载体   肝细胞定向分化  

摘要： 人多能干细胞及其终末分化的功能性细胞在药物筛选、疾病模型、细胞移植与临床治疗上具有广泛的应用,而这要求率先获取较高数量级、高质量的人多能干细胞（hPSCs）作为基础。目前,结合搅拌式生物反应器,以细胞聚集体和微载体形式的3D悬浮培养方法已成为规模化扩增hPSCs的重要手段。肝脏移植是急性肝衰病人的首选治疗方法,但由于供体肝的缺乏,肝细胞治疗以及生物人工肝治疗是目前延长急性肝衰病人生命的重要治疗手段。然而每次治疗至少需要1010数量级的肝细胞,这就使得临床上对肝细胞的需求更加迫切,而人多能干细胞定向诱导分化肝细胞有望能够解决这一问题。目的:为解决生物制药和临床上对人多能干细胞及其终末分化的功能性细胞的大量需求这一问题,我们探索建立高效的3D悬浮培养扩增人多能干细胞的方法,以及建立人多能干细胞3D悬浮培养定向诱导分化肝细胞的路线,为获得高数量级且高质量的人多能干细胞和功能性良好的肝细胞奠定基础工作。方法:1、以细胞聚集体或微载体形式在静态或动态3D悬浮培养条件下扩增人多能干细胞;2、分析细胞聚集体形态、细胞计数、细胞聚集体尺寸、细胞活力和细胞扩增倍数;3、通过实时荧光定量聚合酶链式反应（RT-q PCR）、蛋白质免疫印迹（WB）、流式细胞检测（FACS）和聚集体的免疫荧光染色验证所建立的3D悬浮培养方法中收获的细胞能够维持多能性;4、通过拟胚体（EB）形成实验、拟胚体（EB）的免疫荧光染色分析和畸胎瘤形成实验验证所建立的3D悬浮培养方法中收获的细胞能够保持多向分化的潜能;5、通过转录组测序（m RNA-seq）和数据分析寻找化合物葡聚糖硫酸酯（DS）能够控制聚集体尺寸大小的机理以及化学高分子聚乙烯醇（PVA）能够促进细胞增殖的机理;6、使用水/油/水（W/O/W）双乳化技术制备多孔以及实心的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）微载体;7、使用钨灯丝扫描电镜（SEM）对所制备出的多孔以及实心的PLGA微载体进行喷金扫描成像;8、使用RT-q PCR、FACS分析人多能干细胞定向诱导分化成内胚层细胞球、肝祖细胞球和肝细胞球的分化效率;9、使用免疫荧光染色、琼脂糖包埋切片和H&E染色分析肝祖细胞球的结构以及功能;10、使用酶联免疫吸附法（ELISA）检测培养基上清中白蛋白（ALB）的分泌量,通过奥美拉唑、利福平等药物诱导药物代谢酶表达的实验分析肝细胞球对诱导物反应的能力。结果:在本课题研究中,我们建立了一种基于添加化学成分的人多能干细胞体外3D悬浮扩增培养的方法,即联合使用化合物葡聚糖硫酸酯（DS）和化学高分子聚乙烯醇（PVA）提高人多能干细胞3D悬浮培养的产量以及扩增效率。我们发现DS和PVA的组合搭配使用不仅促进了人多能干细胞的增殖,而且还控制了细胞聚集体的尺寸大小,联合处理后的人多能干细胞仍然能够保持自我更新能力以及多向分化潜能。转录组测序结果表明,DS通过影响与细胞间粘附有关的基因和通路阻止细胞聚集从而控制细胞聚集体尺寸,而PVA通过改善细胞能量代谢相关过程,调节细胞生长、增殖和分裂,从而提高细胞扩增速率,两者联合处理后既能控制细胞聚集体尺寸以保证细胞质量与回收率,也能促进细胞增殖,最终提高体外悬浮培养的效率。总而言之,我们建立了一种简单且可靠的基于搅拌式生物反应器的3D悬浮规模化扩增培养人多能干细胞方法。此外,我们还制备了质量较优的实心和多孔PLGA微载体,后续将应用于人多能干细胞规模化扩增以及定向分化。最后,我们还建立了一条高效、低成本的在3D悬浮培养条件下人多能干细胞定向诱导分化肝细胞的方法,所分化的肝细胞球具有良好的白蛋白分泌水平和药物代谢能力。因此,本课题的研究结果将有助于解决生物制药和临床上对人多能干细胞及其终末分化的功能性肝细胞的紧迫需求。

关键词： SNAD工艺   脱氮除碳   同位素追踪   高通量测序   分子学网络  

摘要： 新型短程硝化、厌氧氨氧化和短程反硝化(SNAD)工艺可以实现同步脱氮除碳。能够弥补传统生物脱氮法的额外投加碳源、曝气提高处理成本和高污泥产量的缺点，是目前对于低C/N比废水一体式的自养脱氮工艺的主要研究方向，在未来工程应用中具有较为广阔的发展空间。　　在本研究中，以C/N比为1∶1的模拟废水为研究对象，通过将生物膜和微氧的反应器结合的方式(一种新型的升流式微氧膜生物反应器)，探究SNAD工艺稳定运行以及脱氮途径的机制。论文的主要研究内容如下:　　(1)在C/N=1(COD=200mg/L，NH4+-N=200mg/L)条件下，控制溶解氧为0.3-0.5mg/L，、碱度在1400mg/L左右，及控制进水氮负荷0.9kg/m3·d条件下，长期稳定运行SNAD工艺，在过程中，监测亚硝氮和硝氮，通过调整进水氮负荷，实现高效的的脱氮除碳效率，最终系统内NH4+-N、TN和COD的去除效率分别为96％、86％和89％，出水浓度分别在16、25、21mg/L左右。　　(2)SNAD稳定运行时可实现颗粒和絮体共存状态，颗粒状污泥在显微镜下观察呈现出血红色，其边缘饱满，且有凸起，混合污泥中的絮状污泥的形貌则呈现出土黄色，则为絮体。粒径和污泥浓度等理化特征可以得出，随着时间的增加，污泥的粒径逐渐从67.197到231.198μm，污泥浓度从8.65g/L增加到14g/L。　　(3)批式实验研究结果表明，在稳定运行阶段的厌氧氨氧化、短程反硝化菌和短程硝化的活性测定，其活性分别为3.16mg-TN/gVSS·h、1.55mg-TN/gVSS·h和2.798mg-NH4+-N/gVSS·h。　　(4)通过化学计量以及物质守恒定律，建立模型，反硝化反应中COD∶NO2--N=1∶1.71关系，计算出最终厌氧氨氧化和短程反硝化的脱氮贡献比分别为47.37％和52.63％，根据15N同位素追踪技术表明厌氧氨氧化与短程反硝化的脱氮贡献比，分别为26％和74％。　　(5)高通量测序结果表明，在门与属水平下研究不同形态下污泥间的菌群丰度分布差异，颗粒中的主要的菌属为Candidatus_Jettenia(AnAOB)，在颗粒和絮体中丰度分别为21.26％和2.69％，Denitratisoma(短程反硝化菌)，在颗粒和絮体中丰度分别为20.60％和22.70％。在絮体中则主要是Chloroflexi(异养菌)，在颗粒和絮体中丰度分别为29.53％和42.52％。　　(6)通过菌群间的网络图分析，表明在此系统中的主要功能细菌AnAOB和反硝化菌所代表的单位OTU382和OTU196之间的相互关系为正相关，且AnAOB与颗粒中的异养菌也能够构建一个互相处于正相关的关系，对于异养菌本身通过不同菌种间的相互作用关系也会有相互抑制和促进的关系，实现了AOA、AOB和AnAOB的共存。对于古菌的微生物网络图，可以看出属于AOA的OTU83和OTU244之间是互相促进生长的。

关键词： 生物反应器   泥鳅   粘液腺   干扰素   抗菌肽  

摘要： 蛋白质药物可分为多肽和基因工程药物、单克隆抗体和基因工程抗体、重组疫苗等，具有高活性、特异性强、低毒性、生物功能明确、有利于临床应用的特点，已成为医药产品中的重要组成部分。生物反应器是利用生物技术将目的基因转移到微生物、动植物的基因组中，构建的可高效表达具有相应生物活性重组蛋白的系统，可有效地解决当前蛋白质药物紧缺的问题。目前可用的生物反应器在蛋白质表达效率、活性或纯化等方面存在一定的缺陷，亟待开发新型生物反应器。我们的前期研究发现，泥鳅粘液腺作为一种新型生物反应器具有克服现有生物反应器上述缺陷的潜能。在此基础上，本研究深入研究了泥鳅粘液腺中草鱼Ⅰ型干扰素(IFN1)的抗病毒活性和泥鳅粘液细胞的分泌机制，并研制了表达罗非鱼抗菌肽TP3和TP4的转基因泥鳅。　　体外表达实验结果显示，草鱼肾脏细胞(CIK)分泌的草鱼IFN1可以抑制草鱼出血病病毒(GCRV873)的复制，激活IFN信号通路的下游因子IRF-9和STAT1，表明体外表达的草鱼IFN1具有一定的抗GCRV873活性能力。Westernblots检测发现，CIK分泌的草鱼IFN1分子量显著增大，利用N-糖苷酶处理或单突变IFN1的N-糖基化位点，草鱼IFN1的分子量恢复正常，说明CIK细胞分泌草鱼IFN1到细胞外的过程中，发生了N-糖基化修饰。Southernblots结果显示，在转基因泥鳅的基因组中整合了单拷贝的草鱼IFN1表达盒。利用Westernblots、质谱、组织切片荧光等技术，本研究在转基因泥鳅粘液或组织中检测到IFN1的表达;并以体外表达且纯化的草鱼IFN1为标准品，在20μL阳性泥鳅的粘液中检测到大约0.0825μg草鱼IFN1。进一步研究发现，泥鳅粘液中的草鱼IFN1也能抑制GCRV873的复制和激活IFN信号通路的下游因子IRF-9和STAT1。此外，在GCRV873病毒滴度为1×103PFU/mL时，在实验平板上，含有转基因泥鳅粘液的空斑数比含有对照粘液的空斑数减少了18％，表明阳性泥鳅粘液具有一定的抗GCRV873活性能力。　　体外表达实验结果显示，293T细胞分泌的罗非鱼抗菌肽TP3和TP4具有抑制无乳链球菌的活性。在此基础上，本研究还利用Tol2转座子系统构建罗非鱼抗菌肽TP3和TP4的表达载体，研制出转罗非鱼抗菌肽cDNA的泥鳅品系，利用PCR的方法在尾鳍中检测到TP3和TP4的表达。　　利用前期获得的鲇转录组学数据，本研究构建了一个鲇的蛋白质组学数据库，可以更加精准的解读鲇蛋白质信息。利用定性蛋白质组学对鲇的粘液进行分析，将其进行GO功能分类，在其中找到24个与胁迫相关的蛋白，这些蛋白可能与粘液分泌有关。利用组织差异蛋白质组学，对皮肤、鳃、肌肉以及粘液组织鉴定到的蛋白进行分析，找到588个粘液特异性蛋白。将588个粘液特异蛋白进行GO注释分析，大部分蛋白涉及与ATP结合蛋白和钙离子结合蛋白相关的生物学过程，推测粘液分泌可能与能量供应和钙离子信号密切相关。用不同胁迫因子对泥鳅进行处理发现，适当和安全的电刺激有助于泥鳅粘液的分泌，并可以导致泥鳅表皮粘液细胞的形状发生改变、面积变小。　　总之，本研究成功研制出3种转基因泥鳅品系，证实了外源基因的稳定整合、遗传和表达，并探究了泥鳅粘液蛋白的糖基化修饰和粘液分泌机制，为泥鳅粘液腺生物反应器的实用化奠定了理论和技术基础。

关键词： 链带藻   鳗鱼养殖污水   高效除磷   优化   光生物反应器  

摘要： 近年来,鳗鱼产业蓬勃发展,养殖规模不断扩大,而养殖技术革新跟不上发展的脚步,大引大排的换水方式仍然普遍存在。虽然鳗鱼养殖污水的富营养化污染水平相对较低,但巨大的日排水量,导致周边水体污染现象严重,而磷的超标则是主要的污染因素。因此,本论文针对鳗鱼养殖污水营养成分低且日排水量巨大的特点,从20株微藻和8株非藻类微生物中筛选出具有自絮凝和高效除磷特性的链带藻(Desmodesmus sp.),并且对其处理条件进行优化,再根据其自絮凝特性优化建立一套经济适用、操作易控的污水除磷工艺。主要内容如下:1、比较分析了20株微藻和8株非藻类微生物在鳗鱼养殖污水中的生长情况以及其对总磷、氨氮和总氮等污染物的去除情况。结果表明链带藻在鳗鱼养殖污水除磷方面具有很大应用的潜力,它在鳗鱼养殖污水中培养7天后OD由0.22增加至0.86,增长达3.9倍,且污水中总磷含量由2.93 mg/L降至0.28 mg/L,除磷率高达90.56%。氨氮含量也由4.28 mg/L降至0.05 mg/L,去除率高达99.21%,总氮含量由27.68 mg/L降至16.04 mg/L,去除率达42.12%。2、随后,通过比较不同光照强度、初始p H值、处理温度、光照周期和接种浓度对链带藻在鳗鱼养殖污水中的生长情况以及除磷效率,优化处理工艺参数,获得链带藻在鳗鱼养殖污水中生长繁殖及除磷的较佳条件。结果表明光照强度300μmol/(m·s)时链带藻的生长更佳,初始p H为8链带藻生长和总磷的去除更好。处理温度25℃时,适合链带藻生长和总磷去除。光暗周期24:0时生长及除磷效率较好。一定范围内接种量越高,微藻长势更好,当接种浓度高于15%后,对生长和总磷的去除效果差异不大。因此,光照强度为300μmol/(m·s)、p H为8、处理温度25℃、光暗周期24:0、接种浓度为15%时,培养处理24 h总磷浓度由3.36 mg/L降至0.36mg/L,去除率达89%,培养处理168 h降至0.25 mg/L,去除率达92.34%。3、进一步比较了1 L管式光生物反应器和3 L罐式光生物反应器半连续培养链带藻处理鳗鱼养殖污水效果,以建立其处理过程的基本工艺参数。半连续更新操作依据以反应器中水体总磷含量低于排放标准0.50 mg/L。更新方法一是链带藻细胞因通气培养而均匀分布在污水处理液中,在更新操作时随处理达标污水的更新而排出,细胞的稀释率较大。由于藻细胞的流出,细胞浓度低导致链带藻在相同时长的生长量减少,反应器生态系统除磷能力由初始的1.06 mg/L/d,降至运行结束时的0.72mg/L/d。方法二是利用链带藻的自絮凝特性,在补料更新操作前先停止通气,使藻细胞静置絮凝沉降,大部分链带藻沉降到反应器底部后,再进行更新操作,此时大部分藻细胞保留在反应器中,细胞稀释率较小。由于大部分微藻保留在反应器中,随着反应器的不断运行,菌体浓度不断增加,除磷效率也不断提高,到一定时间后体系能保持稳定性。除磷效率由初始的0.94 mg/L/d,提高至2.53 mg/L/d。并在此工艺基础上,发现该工艺也能在3 L罐式光反应器良好运行,具有优良的除磷的效率,由0.88 mg/L/d提升至1.06 mg/L/d。本文通过筛选高效除磷链带藻及处理工艺优化,并通过小型光反应器验证,为鳗鱼养殖污水除磷的规模化应用奠定了基础。

关键词： 膜生物反应器   抗生素抗性基因   聚合氯化铝   絮凝   膜污染  

摘要： 膜生物反应器(membrane bioreactor,MBR)作为一种高效水处理技术可用于处理抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs),但MBR对ARGs的处理效能和作用机制仍需要进一步的研究。本课题通过搭建实验室规模的缺氧-好氧膜生物反应器(anoxic/aerobic membrane bioreactor,A/O-MBR),探究MBR对ARGs去除的作用机制。针对MBR出水仍存在较高丰度ARGs问题,通过投加聚合氯化铝(PAC),构建PAC-MBR系统并探究其对ARGs的去除效能以及对ARGs去除的作用机制,并对实验过程中膜污染性能进行相关研究。论文研究的主要内容和结论如下:1.研究了A/O-MBR工艺对污水中抗生素抗性基因的去除效果和作用机制。通过持续投加0.2mg/L的磺胺(sulfamethoxazole,SMX)和四环素(tetracycline,TC)促使tet G、sul1、sul2增殖,抗生素的添加使得污泥混合液中的ARGs总丰度增加了0.64个数量级,附着在膜表面的泥饼层中的ARGs总丰度增加了0.42个数量级,MBR对tet G、sul1、sul2的去除率可达1.29-3.07log,但仍检测出10copies/m L的sul1。污泥微生物群落多样性和丰度上升,检测出新菌属硝化菌Nitrospira。胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)中的蛋白质/多糖比值从1.74增长至3.02,污泥絮凝功能增强。2.研究了PAC-A/O-MBR对污水中抗生素抗性基因的去除效果及作用机制。构建PAC-MBR系统后,好氧污泥中中的sul1和sul2各增长了0.77、1.62个数量级,tet G丰度基本没有变化,泥饼层中的ARGs总丰度增加了0.83个数量级,但sul1出水浓度降低至10copies/m L,tet G、sul1、sul2的去除率达到1.87-3.28log。微生物群落结构结果显示,携带sul1和sul2并促进絮凝的假单胞菌(Pseudomonas)是新出现的菌属,相对丰度比例达到18.40%。污泥蛋白质浓度从13.45mg/g SS增长至19.89mg/g SS,蛋白质与多糖比值增长至3.26,污泥疏水性增强,静电斥力减弱,携带ARGs等细小游离片段的污泥絮体进一步聚集。3.研究了膜污染特征及其去除抗生素抗性基因的作用机制。与膜污染相关的泥饼层在ARGs增殖过程中的平均粒径均大于好氧污泥,有效截留携带ARGs和int1的污泥颗粒。VSS/SS比值逐渐增加至98.4%,表示泥饼层中的絮体增大增多。EPS产量波动较大,但蛋白质/多糖平均比值随着抗生素的投加逐渐由1.65增长至2.31,在PAC-MBR系统中达到3.39。PAC时期泥饼层的疏水相互作用相对最强,絮凝吸附能力较好,最终ARGs出水浓度降低。

关键词： 膜生物反应器   有机膜   陶瓷膜   出水水质   膜污染  

摘要： 我国大部分农村地区没有建设生活污水收集管网和处理设施,污水未经处理随意排放,不仅影响环境卫生,甚至危害到人类健康。由于农村经济发展滞后,对农村生活污水的处理应选择投资和运行费用低、环境可持续和社会可接受的技术。随着膜材料与膜技术的发展,膜生物反应器（MBR）逐渐优势突显。膜生物反应器将生物处理技术与膜分离相结合,具有出水水质优、污泥膨胀率低、占地面积小、操作灵活等优点。本研究选择某村的生活污水为研究对象,自行设计并构建了一体化膜生物反应器,采用液位计和时间继电器控制进出水,实现MBR完全自动化运行。试验用水为人工模拟生活污水,选用不同材质膜探讨膜生物反应器处理农村生活污水运行效果和膜组件通量变化情况,从缓解膜污染的角度得出膜生物反应器最佳运行工况。研究表明,膜生物反应器在次临界膜通量、最佳曝气量和最优抽停比下运行,显著缓解膜污染。膜生物反应器在最佳工况下运行,有机膜对COD、氨氮、总磷去除率分别为88%、95%、62%,陶瓷膜对COD、氨氮、总磷去除率分别为90%、98%、43%,有机膜出水浊度0.4～0.7NTU,陶瓷膜出水浊度0.1～0.4 NTU。出水水质优于城市污水再生利用城市杂用水质标准和农田灌溉水质标准。分析膜污染机理,拟合滤饼层模型具良好的相关性,证明主要发生滤饼层堵塞,对比不同清洗方式的差异,最终采用物理和0.3%过氧化氢试剂组合方式清洗膜组件。研究中对比有机膜和陶瓷膜膜生物反应器运行性能,陶瓷膜的稳定运行通量大于有机膜,产水量多,且相同处理水量下,陶瓷膜膜组件有效面积小。在最佳工况下运行,陶瓷膜的出水水质优于有机膜,出水浊度小,有良好的过滤性能。

关键词： 正渗透膜生物反应器   吸附   焙烧镁铝水滑石   膜污染   水通量  

摘要： 正渗透膜生物反应器(Osmotic membrane bioreactor,OMBR)作为新兴的污水处理工艺,因其无需外加压力、出水水质好、膜污染轻等优点受到广泛关注。但OMBR中盐积累现象以及膜污染问题,也是制约OMBR发展推广的主要因素。本文以焙烧态镁铝水滑石(Mg/Al-CO-CLDHs)作为吸附剂,构建吸附-正渗透膜生物反应器-膜蒸馏(Membrane distillation,MD)复合系统即吸附-OMBR-MD复合系统,通过对比运行吸附-OMBR-MD复合系统与传统OMBR-MD系统,考察Mg/Al-CO-CLDHs对OMBR膜污染缓解以及水通量提升的作用。采用共沉淀法制备了镁铝水滑石Mg/Al-CO-LDHs,经焙烧得到产物Mg/Al-CO-CLDHs,适宜制备条件为:Mg/Al比为4:1;反应温度30℃;反应时间3h;焙烧温度500℃;焙烧时间2h。适宜吸附条件为:吸附剂投加量4 g/L;吸附平衡时间6h;吸附温度30℃。吸附动力学拟合结果表明Mg/Al-CO-CLDHs吸附氯离子更符合拟二级动力学;吸附等温线符合Langmuir等温吸附模型。Mg/Al-CO-CLDHs吸附氯离子机理为水滑石的“记忆效应”即通过吸附溶液中阴离子来恢复其层状结构。在不进行膜清洗的情况下,吸附-OMBR-MD复合系统运行到20天时水通量仍可维持在4.36 LMH,而OMBR-MD水通量较低为2.49 LMH。由于吸附-OMBR-MD水通量及反向扩散通量大,造成生物反应器中电导率大于OMBR-MD,但其反向扩散比通量(Specific reverse solute flux,SRSF)值低于OMBR-MD,说明回收单位体积水扩散到生物反应器中的氯化钠较低。由于正渗透膜和MD膜的高效截留作用,吸附-OMBR-MD对COD、、、TN的平均去除率分别为90.27%、96.84%、99.74%、95.61%;OMBR-MD对COD、、、TN的平均去除率分别为94.62%、96.21%、97.59%、96.52%。二者出水均可达到《城市污水再生利用城市杂用水水质GB/T 18920-2020》中规定的冲厕、车辆冲洗标准。结合污泥浓度、溶解性微生物产物与胞外聚合物浓度、比好氧呼吸速率等结果说明Mg/Al-CO-CLDHs的加入导致污泥活性降低,但Mg/Al-CO-CLDHs的加入并没有呈现较强的碱性。以渗透阻力过滤(Osmotic-resistance filtration,ORF)模型为基础对吸附-OMBR-MD与OMBR-MD进行膜污染阻力分析,结果表明,复合系统运行到20天时,吸附-OMBR-MD膜污染阻力为23.82×10 m,OMBR-MD膜污染阻力为54.15×10 m,加入吸附剂后膜污染阻力较未加吸附剂的OMBR-MD膜污染阻力显著降低。由膜表面扫描电镜图像可知,吸附-OMBR-MD膜表面相对平滑,OMBR-MD膜表面基本被污染物附着。红外光谱结果表明,膜表面污染物成分皆为多糖与蛋白质。膜表面污染物中,吸附-OMBR-MD膜表面多糖含量为3.5 mg/L,蛋白质含量为3.8mg/L;OMBR-MD中多糖含量为23.9 mg/L,蛋白质含量为10.5 mg/L。单位面积下吸附-OMBR-MD膜表面污染物含量低于OMBR-MD。吸附剂在OMBR中的主要作用包括:对膜面污染物的“冲刷”作用;吸附生物反应器中阴离子,减轻FO膜无机污染;吸附生物反应器中蛋白质等有机物,减轻FO膜有机污染;对微生物活性的抑制阻碍了微生物在膜面上的附着、生长、繁殖,减轻了生物污染。

关键词： 振荡式生物反应器   输入功率   流场特性   失相现象   计算流体力学  

摘要： 生物反应器是细胞体外培养的关键设备，而细胞的培养效率取决于反应器内流体的功率特性和流场特性。振荡式生物反应器是一种新型的反应器，反应器作偏心旋转运动，培养液随反应器作周期性圆周振荡运动。与传统搅拌式生物反应器相比，振荡式生物反应器流体的剪切率较低，同时保持了较好的混合和溶氧性能，因此特别适合于动物细胞培养。通常情况下反应器的混合和溶氧性能随着转速升高而提高，但当转速增大一定数值后，反应器内的液体将不能随反应器一起作振荡运动，即出现了失相现象。反应器失相后，将严重影响反应器细胞培养功能。因此本文从反应器输入功率特性入手，开展失相现象的研究，对于振荡式生物反应器的开发具有重要的参考价值。　　论文通过数值模拟方法，对不同容积的振荡式生物反应器功率特性和失相现象开展研究，分析液体输入功率随转速、工作体积、偏心距等工艺参数的变化规律，研究失相现象对混合和溶氧性能的影响。论文的主要研究工作和成果如下：　　（1）建立了振荡式生物反应器的CFD仿真模型，采用RNG k-ε双方程模型对反应器内的湍流进行模拟，采用VOF（Volume of Fluid）模型对气液交界面进行追踪，利用UDF的动网格模型模拟反应器壁面的运动规律。通过数值模拟方法，计算了振荡式生物反应器的输入功率，将数值模拟结果与实验数据进行比较，两者吻合较好，验证了本文提出的振荡式生物反应器CFD模型的准确性。　　（2）分别建立2L、30L和200L振荡式生物反应器的CFD模型，研究了液体输入功率随转速的变化规律。结果表明，当工作转速小于失相临界转速时，输入功率随着转速的升高而增大。而当工作转速大于失相临界转速后，输入功率急剧减小，其数值为正常工作状态的20%左右，即反应器出现失相现象。研究了失相现象对流场特性的影响，结果表明，随着转速升高，当反应器出现失相现象后，混合、溶氧和剪切特性均急剧降低。　　（3）研究了2L、30L和200L振荡式生物反应器工作体积对失相临界转速的影响，发现随着工作体积的增大，失相临界转速也增大。研究了2L、30L和200L振荡式生物反应器偏心距对失相临界转速的影响，随着偏心距的增大，失相临界转速也增大。当偏心距较大时，反应器将直接从正常工作状态转变为激烈振荡状态，不会出现失相状态。　　（4）分析了振荡式生物反应器失相的影响因素，采用液膜雷诺数Ref和几何数GR表征转速、工作体积和偏心距等参数，通过30L振荡式反应器数值模拟结果的拟合，得到了几何准数随液膜雷诺数的变化规律，提出失相的预判方法与判别模型。通过30L反应器在相位工况功率数据的拟合，推演得到了改进牛顿数的计算公式。