基于剪应力的缩放方法在结晶器设计及优化中的应用

《Chemical Engineering Research and Design》：Application of Shear Stress-Based Scale-Down Approaches for Crystallizer Design and Optimization

　　赵在勋|郑在允|许纳姆肯|李珍浩|金俊宇|朴赞勋

摘要：结晶过程是一种关键的纯化技术，最终产品的粒径分布会直接影响其质量和生产效率。尽管人们正在努力通过60升规模的试验优化来降低成本，但由于流体动力学上的差异，将这些结果可靠地应用到工厂规模上仍存在限制。具体而言，晶体破碎对搅拌和循环产生的剪切应力极为敏感，这影响了最终粒径分布的重现性。本研究旨在利用CFD模拟，建立工厂规模强制循环结晶器与60升规模搅拌结晶器之间的流体动力学等效性。通过对工厂系统进行3D CFD分析，量化了体积平均剪切应力及流动特性，这些指标可作为缩尺的重要依据。随后，系统地调整实验室规模结晶器的结构设计（如挡板、双叶轮、HSM）以及搅拌条件，以复制工厂的剪切应力环境。CFD模拟结果显示，所提出的设计在均值和整体分布形态上均再现了工厂规模系统的体积加权剪切应力分布，为解决因规模差异带来的流体动力学问题提供了定量依据。总之，利用基于CFD衍生的流体动力学指标的缩尺方法，为建立不同尺度间的流体动力学等效性提供了实用框架。这一方法有助于弥合实验室与工厂数据之间的差距，从而为各种对流体动力学敏感的工艺优化提供帮助。

引言：结晶是化学和生物技术行业中一种强大且广泛使用的分离技术，可用于从复杂的液体混合物中高纯度地分离目标物质（Capellades和Nordstrom，2025；Beckmann，2013；Urwin等人，2020）。它不仅仅是一种简单的固化过程，而是一个由分子受控自组装成高度有序晶体晶格的复杂过程（Anuar等人，2009）。这种严格的分子排序使得不仅可以提高化学纯度，还能精确控制最终的物理性质（Yu等人，2007）。这一过程在高端氨基酸的生产中尤为重要（Ivanov等人，2013；Tonouchi和Ito，2016）。这类氨基酸主要通过微生物发酵生产，其在发酵液中不可避免地会混有各种杂质，因此需要极其有效的纯化步骤，以满足制药、食品和动物饲料领域的高要求（Hong等人，2026）。结晶正是这一关键环节，它确保了赖氨酸和苏氨酸等重要工业氨基酸所需的纯度和质量（Leuchtenberger等人，2005；Jung和Kim，2025）。因此，优化结晶阶段被视为决定整个工艺产量以及最终产品商业可行性的关键因素（Harjo等人，2007；Orehek等人，2020）。成功的结晶依赖于对两个主要方面的精细调控：热力学的化学驱动力（如过饱和度曲线）以及结晶器内的物理流体动力学环境（Yin等人，2022；Yang等人，2008）。这一流体动力学环境主要由叶轮几何形状和搅拌速度等因素决定，它具有双重作用（Mullin，2001；Myerson，2002）。虽然强大的搅拌对于维持均匀的颗粒悬浮状态以及均匀的热量和质量传递至关重要，但它同时也会产生强烈的局部剪切应力（Vedantam和Ranade，2013；Tizbin等人，2020；?elan等人，2024）。这些物理力量决定了晶体的关键性质，尤其是粒径分布（Pu和Hadinoto，2024）。过高的剪切应力会导致晶体破碎和不必要的二次成核，从而使粒径分布发生突变。由于最终粒径分布会直接影响粉末的流动性、溶解速率和压缩性等固有性质（Beck等人，2009；Li等人，2024），它进而决定了整个后续流程的效率和经济效益，从过滤效率、干燥所需的热能到大量粉末的长期储存稳定性都受到影响（Martynek等人，2022；Hatti-Kaul，2010）。尽管剪切应力对粒径分布有着深远影响，但在可靠地实现不同尺度间流体动力学环境的转换方面，目前仍存在重要的知识缺口。在试验规模下复制大型工业结晶器复杂的非均匀剪切环境是一项重大的工程挑战（Moussa，2022；Kougoulos，2005）。工业设备在叶轮附近存在强烈的剪切区域，而其他地方则处于相对静止的状态（McConville和Kessler，2019；Achermann等人，2022）。此外，高浓度氨基酸浆液的不透明度限制了传统非侵入式光学测量技术，如在线成像探头或近红外光谱技术的应用（Jiang和Braatz，2019；Zhang等人，2024）。因此，直接测量并匹配不同物理尺度下由剪切力引起的流体-颗粒相互作用仍然是一项艰巨任务。在工业氨基酸结晶过程中，这种因尺度不同而产生的流体动力学差异尤为明显，因为工厂规模使用的轴流泵产生的强烈局部剪切力，使得其与60升规模搅拌结晶器的流体动力学条件有着本质上的不同。当比较不同尺度下的晶体特性时，就能清楚地看到这种差异带来的实际后果。如图1所示，通过聚焦光束反射测量法获得的工厂规模强制循环结晶器与60升规模搅拌结晶器的粒径分布显示出明显的差异。工厂规模的晶体含有相对较多细小颗粒，而60升规模的晶体则含有相对较多粗大颗粒。如图1所示，两种系统的粒径分布曲线存在显著差异，工厂规模的分布偏向较细的区间，而60升规模的分布则集中在较粗的区间。在这方面，CFD提供了一种无需侵入即可研究不透明浆液系统的方法，使研究人员能够定量识别理想化的试验规模装置与实际工业流场之间的流体动力学差异（Osmanbegovic等人，2022；Agarwal和Gupta，2022）。在各种缩尺方法中，基于种群平衡模型的方法被广泛用于通过系统调整来实现不同尺度间晶体尺寸分布的匹配（Shiea等人，2020；Qu等人，2021；Corzo等人，2026）。为了在CFD框架内高效求解种群平衡方程，人们采用了基于矩的数值方法，如矩量积分法和直接矩量积分法，这些方法使得所谓的多尺度建模成为可能，它将宏观尺度上的流体动力学与微观尺度上的种群动态相结合（Oh等人，2019；Lin等人，2025）。然而，这类方法存在一个根本性的挑战，即在进行尺度转换时，所有的流体动力学参数，包括混合强度、悬浮质量、能量耗散率以及剪切应力，都无法同时保持不变（Camacho Corzo等人，2020；Zarei等人，2024）。实际上，这些方法只是找到一组操作条件，使得最终得到与目标一致的晶体尺寸分布，而非让每个参数都达到单独的流体动力学等效状态（Oh等人，2018）。因此，由此得到的动力学参数本质上具有尺度依赖性，它们不仅反映了内在的结晶动力学，还体现了各尺度特有的流体动力学条件。虽然这种方法在重现目标晶体尺寸分布方面已经显示出有效性，但不同尺度间的流体动力学环境并未在这一过程中得到明确的均衡。尤其是剪切应力，作为影响晶体破碎和二次成核的关键因素，是决定最终粒径分布的最重要参数之一，对其进行系统性的量化并在不同尺度间进行精确匹配还有待进一步研究。氨基酸生产面临着独特的流体动力学和形态学挑战，比如极高的固体质量分数以及对应力极为敏感的晶体结构，这使得传统的缩尺关联方法不够适用，因此，目前尚未建立起一种系统化的方法，用于定量匹配工厂规模与实验室规模结晶器之间的剪切应力分布。本研究正是为弥补这一不足而提出的，它引入了一种基于CFD的缩尺框架，旨在定量重现流体动力学条件。CFD被用作主要的分析工具，用于对工业规模氨基酸结晶器与试验规模对应装置的三维流场进行建模和比较，从而详细量化导致粒径分布变化的体积加权剪切应力分布。尽管基于碰撞的机制，如晶体与叶轮的碰撞以及晶体之间的碰撞，也会引发二次成核，但在对这些种群层面的现象进行有意义的跨尺度建模之前，建立流体动力学等效性是必要的前提。因此，未来研究中，将CFD与种群平衡模型相结合并考虑这些效应，可视为对当前框架的自然延伸。

章节节选：结晶：主导的物理过程与流体动力学效应（Asakuma等人，2008；Penn和Soltis，2014；Rielly和Marquis，2001）产品的粒径分布、纯度及形态是由工艺中的物理和化学机制相互作用决定的。尤其是结晶器内的流体动力学条件，会显著影响各种机制的速率和结果，因此，要实现成功的放大或缩小生产，就必须深入理解这些条件。成核是初始阶段，在过饱和溶液中形成稳定尺寸的新晶体，进而决定最终的晶体数量。

轴流泵的建模与验证：在分析结晶器内部流动情况之前，首先对工厂结晶器中安装的轴流泵进行了性能评估，以此确保CFD模拟模型的可靠性，并确定工厂设备的最佳运行条件（图5(a)）。根据实际的泵体几何结构，在不同的流量条件下进行了CFD模拟，并计算了每种情况下泵的液压效率。通过计算得到的效率曲线为……

结论与讨论：本研究建立了一种基于CFD模拟的缩尺方法，用于在实验室和试验规模上定量重现复杂工厂规模结晶器的流体动力学环境。首先，通过比较轴流泵的性能曲线，证明了CFD模型在模拟实际物理现象方面的合理性，这一验证也为确定工厂设备的最佳运行条件提供了依据。

作者贡献声明：金俊宇：方法论、概念设计。朴赞勋：写作——审稿与编辑、方法论。赵在勋：写作——初稿撰写、可视化、研究、正式分析。郑在允：资源获取、方法论、概念设计。许纳姆肯：写作——审稿与编辑、可视化、方法论。李珍浩：资源获取。

利益冲突声明：作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：许纳姆肯表示获得了CJ CheilJedang的财务支持。其他作者则声明自己没有已知的、可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了韩国CJ BIO研究所及CJ CheilJedang的支持。

利益冲突声明：作者是韩国CJ CheilJedang的员工，本研究可能与正在开发的专有技术或正在审查的知识产权有关。不过，所有的结果和解读都是客观呈现的，不存在偏见。