多尺度CFD-代谢模型揭示混合桨叶构型缓解工业生物反应器底物与氧饥饿

本文通过多尺度计算流体动力学（CFD）与代谢模型耦合的框架，系统性研究了156 m3规模反应器中径向-轴向混合桨叶构型对气液混合、传质（kLa）及细胞微环境动态的调控机制，为工业发酵过程的放大优化提供了关键理论依据与设计策略。

　　

Bioreactor system and impeller configuration

本研究涉及的机械搅拌生物反应器总工作容积为156 m3，关键结构参数见图1。罐体直径T为4 m，配备6块挡板和4层桨叶。单块挡板宽度0.39 m，厚度0.04 m，高度10.8 m。为模拟典型好氧发酵场景，底层固定采用六叶半圆管式盘式涡轮桨（CD-6）用于气体分散，而上部三层桨叶组合则通过不同径向与轴向桨型的搭配形成混合构型。

Mesh independence test

为确保数值模拟的准确性与可靠性，并最小化网格密度对结果的影响，我们系统开展了网格无关性验证。共评估四种网格分辨率，分别包含约9.5×10⁵、13.3×10⁵、16.5×10⁵ 和21.6×10⁵ 个单元，依次命名为网格1至4。图2展示了在轴心径向位置 r = 1 m 处气体与液相速度、气含率及湍流耗散率的轴向分布情况。

Conclusions

针对工业规模生物反应器中持续存在的底物与溶氧梯度问题，本研究表明：径向-轴向混合桨叶构型通过协同增强气液混合与传质效率，同时降低能耗，显著优于单一类型桨叶系统。CFD与代谢动力学耦合模拟揭示，C-K-R-R桨叶构型（底层CD-6、二层KSX轴向桨、上部两层Rushton涡轮）的非饥饿区域覆盖率达到全轴向系统的3.3倍，性能接近全径向系统的1.6倍，为工业发酵系统的放大设计与强化提供了关键见解。