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(huán)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(guī)模放大。常關注的流體動力學參數(shù)主要有：
（1）傳質。在氣液傳質過程中，體積氧傳質系數(shù)（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�；旌蠒r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(huán)境常采用經驗公式計算整體區(qū)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(shù)值大小反映流場作用力的強弱，其宏觀表現(xiàn)是功率消耗。
圖4 能量耗散速率的重要性
在反應器的放大設計中，傳統(tǒng)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(guī)模的增大會對這些參數(shù)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(shù)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(guī)模反應器的設計中保持與縮小模型（Scale-down model）內微環(huán)境和流體力學特性的一致，以維持細胞生理代謝狀態(tài)的相似實現(xiàn)對生物過程的放大。
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