随着动物细胞培养技术的不断发展,使在体外获得具有重要医用价值的生物制品成为可能。为了满足对生物制品日益增长的需求,研发更高效的动物细胞生物反应器就变得势在必行。笼式通气搅拌生物反应器是一种广泛应用于动物细胞培养的生物反应器,该反应器包括提升式搅拌器与通气笼体,不仅搅拌过程十分温和、混合性能好,而且通过丝网将通气区域和细胞培养区域分开,能大大降低反应液内的剪切力。但该反应器的缺点也十分突出,因传质范围有限,导致反应器内的氧传递速率较低,无法满足大规模细胞培养的耗氧需求。本文对提升式搅拌器的结构进行改进,通过在提升管内增设螺旋叶片,利用螺旋叶片对流体做功来增大反应器内的循环量,加快丝网内外的液体交换,从而达到提高氧传递速率的目的。通过CFD对叶片的结构进行优化,建立了反应器的数值分析模型,利用ICEM软件对网格进行划分,采用多重参考系法对搅拌器区域进行处理,并选用标准k-ε模型对搅拌过程进行模拟。通过分析叶片内径、叶片圈数、叶片角和叶片数对提升管内流量的影响,确定了螺旋叶片的最佳几何参数。通过CFD模拟分析了加入叶片前后反应器内流场的循环性能,结果表明加入叶片之后流速有了明显的提升,提升管内流量得到了显著的增大,在转速为200rpm时,流量提升了大约27.5%。利用PIV测试技术对流场进行研究并提取局部流速,结果显示加入叶片之后流速提升明显。通过与数值模拟结果进行对比,发现模拟结果与实验结果吻合较好,流场结构相似,局部流速变化趋势相同,且速度值改变量在合理范围之内,验证了模拟结果的准确性。在数值模拟的基础上,采用亚硫酸钠氧化法对笼式通气搅拌生物反应器的溶氧性能进行了研究,结果表明在200rpm时加入叶片之后反应器内的氧体积传递系数KLa增大约23.3%。通过测量不同操作条件下的KLa,发现增大搅拌转速和通气量都可以提高反应器内的氧传递速率。