基于计算流体动力学模拟的大规模动物细胞培养生物反应器流场环境优化研究及其在培养肉生产中的应用

为解决传统肉类生产的环境负担和培养肉规模化生产的技术瓶颈，研究人员通过计算流体动力学(CFD)模拟，系统研究了200L至200,000L规模生物反应器中剪切应力、氧传质系数(kLa)和Kolmogorov长度尺度的分布规律。研究发现保持恒定功率体积比(P/V)和表观气速时，不同规模反应器的流体力学参数变化较小，双Rushton叶轮配置相比Rushton-斜叶组合能提供更高kLa而剪切应力相近。该研究为培养肉商业化生产的大规模生物反应器设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球人口增长和肉类需求上升，传统畜牧业面临土地资源紧张、温室气体排放等严峻挑战。培养肉技术通过体外培养动物细胞生产肉类，为解决这些问题提供了新思路。然而要实现商业化生产，需要将当前最大20m³的动物细胞培养规模扩大十倍至200m³。这种规模放大面临诸多挑战：如何保证氧气供应、控制剪切应力避免细胞损伤、维持微载体完整性等。由于大规模实验成本高昂，计算流体动力学(CFD)模拟成为评估可行性的重要工具。

研究人员开展了这项开创性研究，系统模拟了200L至200,000L规模生物反应器的流体力学环境。研究采用Euler-Euler多相流模型和k-ε湍流模型，比较了Schiller-Naumann、Tomiyama和Ishii-Zuber三种气泡阻力模型，最终选择最保守的Schiller-Naumann模型进行后续分析。通过建立几何相似的生物反应器模型，保持恒定的功率体积比(25W/m³)和表观气速(6.7×10^-4m/s)，研究人员系统分析了不同规模下关键参数的分布特征。

在几何与网格划分方面，研究使用开源软件Salome生成从200L到200,000L工作体积的生物反应器几何模型，保持高度直径比2:1的动物细胞培养典型配置。网格在叶轮区域加密，确保壁面y⁺值在30-500的湍流对数律区。多相流模型采用可压缩的Euler-Euler方法，同时考虑阻力、虚拟质量和湍流分散力。气泡直径设为4mm(出口处)，基于细胞培养介质中气泡尺寸分布较窄的特性。

研究首先比较了不同阻力模型的影响。结果显示Schiller-Naumann模型预测的k_La最低(8.2h^-1)，剪切应力最高(0.099-0.105Pa)，因此被选为保守方案用于后续分析。验证研究表明，该模型预测的5,000L反应器结果与文献实验数据吻合良好，k_La为4.2h^-1，与实验值3.6h^-1接近。

规模影响分析显示，在保持P/V和表观气速恒定的条件下，不同规模反应器的平均参数变化很小：平均k_La维持在7.7-8.2h^-1，平均剪切应力0.099-0.105Pa，平均Kolmogorov长度78-82μm。值得注意的是，最大能量耗散率随规模增大而升高，200,000L时达到365W/kg，但超过99.94%体积的能量耗散率低于1W/kg。Kolmogorov长度分析表明，约5-6%体积的涡旋尺度可能对190μm微载体(临界阈值114μm)造成损伤。

在叶轮类型比较中，研究发现双Rushton叶轮配置比Rushton-斜叶组合具有优势。在相同P/V下，双Rushton配置的平均k_La更高(9.5vs8.1h^-1)，而平均剪切应力仅略高(0.107vs0.105Pa)。这表明在培养肉生产中，传统认为高剪切的Rushton叶轮可能反而是更优选择。

这项研究的重要意义在于首次系统评估了培养肉生产所需超大规模(200m³)生物反应器的流体力学环境。结果表明通过适当控制操作参数，可以维持与小型反应器相似的流体力学条件。研究还挑战了动物细胞培养中叶轮选择的传统认知，发现双Rushton配置在k_La和剪切应力方面具有优势。这些发现为培养肉商业化生产的大型生物反应器设计提供了重要理论指导，有助于降低技术风险和经济成本。未来研究可结合细胞生长模型，进一步优化操作参数，平衡氧传递、剪切应力和微载体完整性之间的关系。