论文摘要
生物技术广泛应用于能源、化工、医药、食品、保健品等产业中,然而,实验研究结果在产业化过程中常常会遇到放大问题,主要原因是缺乏对放大关键因素的认识。目前广泛采用的一种方法是通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）万法研究反应器内流场、传质、混合等特性,并结合适当的实验方法进行验证以确保结果的可靠性,以此指导生物过程的放大。本文首先建立了旋转式反应器的CFD研究方法,对比了不同孔板的流体力学特性,发现由于48孔板流动形态最无规则,导致气液传质面积和剪切较大。96孔板过于狭窄,液体无法充分流动,传质和剪切特性很差。随着反应器体积的增大,湍流动能和单位体积功率消耗逐渐增大。24孔板和48孔板的传质能力能达到摇瓶的水平,孔板中kL和α对kLa的贡献几乎相同,而摇瓶中kL对kLα的贡献要远远大于a对kLα的贡献。24孔板和48孔板的剪切率与摇瓶相当,剪切率的大小与反应器结构直接相关。在上述流体力学模型的基础上,研究和对比了普通摇瓶和挡板摇瓶的流体力学特性,发现挡板摇瓶的传质和剪切特性优于普通摇瓶,挡板摇瓶的传质系数能够达到搅拌式生物反应器的水平。进一步研究不同装液量和转速下挡板摇瓶的工程参数发现,随着转速的增加,功率消耗和传质面积增加；而随着装液量的增加功率消耗和传质面积减小。随着转速的增加,传质系数kL和传质面积α都明显增大,导致体积氧传质系数kLα明显增加；而装液量对传质系数没有明显影响,主要影响传质面积。挡板摇瓶内的剪切力与转速直接相关,而装液量对其几乎没有影响。两种摇瓶内进行的丝状菌发酵实验初步验证了模拟结果。然后采用PBM模型研究了四种搅拌桨组合形式下50L反应器中的流场特性、气液分布特性以及传质、混合等工程特性。结果发现,在相同的转速和通气情况下,3RT桨型组合的气体分散特性最好,气含率分布比较均匀,其混合时间最长,剪切率最大,功率消耗最大；3WHu桨型组合的气体分散效果最差,气体主要集中于轴部和顶层桨上方,但其混合时间最短,剪切率最小,功率消耗也最小；BTD-2WHd的持气能力最强,气含率最高,传质能力最好。对比了模拟和实验测定得到的流场、气泡大小分布、气含率分布、总体气含率、局部气含率、局部气泡直径、传质系数和混合时间,结果发现模拟值与实验值基本吻合,实验结果验证了模拟结果的可靠性,说明这种模拟方法是可行的。最后,本文将CFD方法用于解决实际工业生物过程中遇到的各种问题,通过CFD研究,为500mL动物细胞反应器工艺优化提供了解决方案,为30L-1000L生产规模动物细胞发酵过程的放大提供了重要的工艺参数,为50t大规模微生物反应器的改进提供了一定的指导。通过研究生产规模反应器内的流场和各工程参数,为实际生产过程中遇到的与反应器结构相关的问题提供了改造和优化方案。