生物反應器的流體力學性質及放大應用
生物反應器的流體力學性質及放大應用
生物反應器的流場特性決定了細胞所處的環境條件，會對細胞生理代謝產生影響，從而限制細胞密度提高和生產規模放大。常關注的流體動力學參數主要有：
（1）傳質。在氣液傳質過程中，體積氧傳質系數（𝑘𝐿𝑎）直接反映了反應器的傳質能力。
圖1 氧氣在氣相-液相-細胞內的傳遞過程
（2）混合。混合時間指多種流體達到一定程度的混合所需要的時間，反映反應器的混合性能。
圖2 示蹤劑在反應器中的混合過程
（3）剪切力。流場的非均勻性分布導致剪切力空間分布不均一，且剪切力本身難以通過實驗直接測量。反應器內的剪切環境常采用經驗公式計算整體區域的平均剪切來定量表示。
圖3 20m³ 攪拌釜反應器的 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內能量的消耗速度，數值大小反映流場作用力的強弱，其宏觀表現是功率消耗。
圖4 能量耗散速率的重要性
在反應器的放大設計中，傳統的經驗放大方法應用最多，常用的放大準則有幾何相似、𝑘𝐿𝑎相等、葉端速度相等、單位體積能量輸入（P/V）相等準則。而反應器規模的增大會對這些參數產生不同影響，上述放大準則不能同時滿足。
因此需要考慮其他參數的變化是否會對細胞造成損害或影響反應器內傳質、混合、剪切等情況，即將反應器流場特性與細胞生理特性相結合的放大方法。其核心理念是在大規模反應器的設計中保持與縮小模型（Scale-down model）內微環境和流體力學特性的一致，以維持細胞生理代謝狀態的相似實現對生物過程的放大。
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