生物反应器的流体力学性质及放大应用
2023-07-12 来源:本站 点击次数:1847生物反应器的流体力学性质及放大应用
生物反应器的流场特性决定了细胞所处的环境条件，会对细胞生理代谢产生影响，从而限制细胞密度提高和生产规模放大。常关注的流体动力学参数主要有：
（1）传质。在气液传质过程中，体积氧传质系数（𝑘𝐿𝑎）直接反映了反应器的传质能力。
图1 氧气在气相-液相-细胞内的传递过程
（2）混合。混合时间指多种流体达到一定程度的混合所需要的时间，反映反应器的混合性能。
图2 示踪剂在反应器中的混合过程
（3）剪切力。流场的非均匀性分布导致剪切力空间分布不均一，且剪切力本身难以通过实验直接测量。反应器内的剪切环境常采用经验公式计算整体区域的平均剪切来定量表示。
图3 20m³ 搅拌釜反应器的 CFD模拟
(a)气含率分布云图 (b)溶氧浓度分布云图 (c)Kolmogorov长度空间分布云图
（4）能量耗散和功率消耗。能量耗散速率是单位流场内能量的消耗速度，数值大小反映流场作用力的强弱，其宏观表现是功率消耗。
图4 能量耗散速率的重要性
在反应器的放大设计中，传统的经验放大方法应用最多，常用的放大准则有几何相似、𝑘𝐿𝑎相等、叶端速度相等、单位体积能量输入（P/V）相等准则。而反应器规模的增大会对这些参数产生不同影响，上述放大准则不能同时满足。
因此需要考虑其他参数的变化是否会对细胞造成损害或影响反应器内传质、混合、剪切等情况，即将反应器流场特性与细胞生理特性相结合的放大方法。其核心理念是在大规模反应器的设计中保持与缩小模型（Scale-down model）内微环境和流体力学特性的一致，以维持细胞生理代谢状态的相似实现对生物过程的放大。
相关文章
更多 >