生物反應(yīng)器的流體力學(xué)性質(zhì)及放大應(yīng)用

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生物反應(yīng)器的流體力學(xué)性質(zhì)及放大應(yīng)用

生物反應(yīng)器的流場(chǎng)特性決定了細(xì)胞所處的環(huán)境條件，會(huì)對(duì)細(xì)胞生理代謝產(chǎn)生影響，從而限制細(xì)胞密度提高和生產(chǎn)規(guī)模放大。常關(guān)注的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有：

（1）傳質(zhì)。在氣液傳質(zhì)過(guò)程中，體積氧傳質(zhì)系數(shù)（𝑘𝐿𝑎）直接反映了反應(yīng)器的傳質(zhì)能力。

圖1 氧氣在氣相-液相-細(xì)胞內(nèi)的傳遞過(guò)程

（2）混合。混合時(shí)間指多種流體達(dá)到一定程度的混合所需要的時(shí)間，反映反應(yīng)器的混合性能。

圖2 示蹤劑在反應(yīng)器中的混合過(guò)程

（3）剪切力。流場(chǎng)的非均勻性分布導(dǎo)致剪切力空間分布不均一，且剪切力本身難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量。反應(yīng)器內(nèi)的剪切環(huán)境常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算整體區(qū)域的平均剪切來(lái)定量表示。

圖3 20m³ 攪拌釜反應(yīng)器的 CFD模擬

(a)氣含率分布云圖 (b)溶氧濃度分布云圖 (c)Kolmogorov長(zhǎng)度空間分布云圖

（4）能量耗散和功率消耗。能量耗散速率是單位流場(chǎng)內(nèi)能量的消耗速度，數(shù)值大小反映流場(chǎng)作用力的強(qiáng)弱，其宏觀表現(xiàn)是功率消耗。

圖4 能量耗散速率的重要性

在反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)放大方法應(yīng)用最多，常用的放大準(zhǔn)則有幾何相似、𝑘𝐿𝑎相等、葉端速度相等、單位體積能量輸入（P/V）相等準(zhǔn)則。而反應(yīng)器規(guī)模的增大會(huì)對(duì)這些參數(shù)產(chǎn)生不同影響，上述放大準(zhǔn)則不能同時(shí)滿足。

因此需要考慮其他參數(shù)的變化是否會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損害或影響反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)、混合、剪切等情況，即將反應(yīng)器流場(chǎng)特性與細(xì)胞生理特性相結(jié)合的放大方法。其核心理念是在大規(guī)模反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中保持與縮小模型（Scale-down model）內(nèi)微環(huán)境和流體力學(xué)特性的一致，以維持細(xì)胞生理代謝狀態(tài)的相似實(shí)現(xiàn)對(duì)生物過(guò)程的放大。

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