搅拌式生物反应器广泛应用于微生物发酵过程并占主导地位,其结构设计和过程放大始终是工业发酵过程的重点研究内容之一。本文采用计算流体力学仿真和物理实验相结合的方法,以生物搅拌式反应器为研究对象,对其混合、传质和剪切等流场特性进行研究,并将这些流场特性与微生物发酵过程相关联,以预测搅拌式生物反应器内的发酵过程,为反应器的设计和放大奠定基础。文中首先建立了以平均年龄理论为基础的混合时间模拟方法。分别考察了非结构化网格的数量、速度场计算时入口流量、Matlab后处理条件等这些因素对模拟结果的影响,得出结论:1)对于非结构化网格数量,网格数量过少时会使得能量耗散率获得的功率减小,导致获得的混合时间偏差较大,能量耗散计算的功率与扭矩计算的功率的比值需达到80%以上,模拟得到的速度场和湍流强度不会受网格的影响,由此模拟的混合时间更准确;2)入口流量需小于桨叶循环流量两个数量级,才不会使原先流场发生较大改变,流场模拟更准确;3)进行Matlab后处理时,平均年龄分组数小于12500组,会导致混合时间的模拟准确性降低。在保证以上条件的基础上,得到的混合时间与实验值基本一致。当反应器的高径比大于1.5:1,雷诺数小于2.1×105时会导致模拟结果与实验值的差异变大,误差达12%。对比单层PBTD和PBTU,PBTD的模拟结果都在实验数据范围之内,而PBTU的模拟结果都要比实验值高,最大误差达到14%,轴流桨叶在搅拌轴和桨叶排出区域附近液体的平均停留时间都更低。另外,不少混合时间经验公式没有考虑体积的因素,经本文研究发现,模拟得到的Nθ准数不受反应器规模影响。反应器中的气液氧传递效率对发酵过程具有非常重要的影响。本文通过实验运用亚硫酸钠稳态法获得桨叶的传质经验公式,对单层和双层桨叶的传质速率、传质效率(单位功率消耗获得的气液传质系数的大小)进行分析。单层桨叶比较了径流桨(平叶涡轮桨、半圆管涡轮桨、抛物线涡轮桨),轴流桨(三窄叶轴流桨、45°斜叶涡轮桨、三宽叶轴流下压桨、轴流叶涡轮桨)和四宽叶混流桨。对于单层桨叶,在相同的通气量和搅拌转速下,径流桨叶的传质速率最高,而轴流桨叶最低,比如:平叶涡轮桨的传质系数是三窄叶轴流桨的4-6倍。在传质效率方面,相同的能量消耗下,单层径流桨叶也比单层轴流桨叶的传质系数更高,单层径流桨叶的传质经验公式为kLa=0.02×(Pg/V)0.47(Ug)0.48,单层轴流桨的传质经验公式kLa=0.018×(Pg/V)0.44(ug)0.45。对于双层桨叶结构,在相同的转速和通气量条件下,RT+RT桨叶的传质速率比WHD+WHD结构要高。但是当功率输入相同时,在0.2到1.8 vvm条件下,WHD+WHD的传质效率更高,其经验公式为kLa=0.01×(P/V)0.59(ug)047,而 RT+RT 为kLa=0.026×(Pg/V)0.5(Ug)0.58。基于气液传质的研究,针对相间作用力模型、群平衡模型和气液传质模型等对气液两相流场模拟准确性的影响进行了详细研究,以期形成一套准确的模拟气液两相流的方法。首先利用实验数据对描述相间曳力的Brucato模型进行了修正,获得较好结果,模拟的总气含率与实验的差异为1%。在此基础上,考查了虚拟质量力、升力及壁面润滑力的影响,结果发现:三者均对罐内平均气含率的影响较小,这是由于虚拟质量力对轴向滑移速度的影响甚微,升力仅在桨叶和气体分布器附近有影响,而壁面润滑力仅在壁面附近对气体分布有作用。对于局部气液特性的模拟,加入群平衡模型后,在靠近罐体壁面和桨叶附近的区域,迎风格式模拟的结果与实验的平均误差为10%,而高阶差分格式的平均误差为15%。对于气含率的模拟,在气含率低(搅拌轴附近)的区域,迎风差分格式获得的模拟结果与实验的误差在10%以内,而在其他区域,迎风获得的结果比实验值高10%至60%。迎风格式三组算例(算例之间的差异在于其他相间作用力模型不同)之间的气含率分布基本一致(平均误差5%),高阶差分三组算例模拟的气含率分布并无明显规律。对于局部气泡Sauter直径,当使用迎风格式时,模拟结果和实验数据平均误差低于10%,三组算例的差异范围仅为1%～2%。使用高阶差分时,CFD模拟值与实验值的平均误差达到20%,不同算例之间误差范围在1%～20%,非曳力相间作用力的加入会对模拟结果有一定的影响,但规律不明显。在不同的传质模型中,小涡模型获得的传质系数更准确,与实验值误差仅3%。在上述流场研究的基础上,进一步开发了 CFD/CM模型,用于研究混合差异对发酵过程的影响。将流场模拟与生物模型相整合,实现了补料批发酵过程的模拟。论文模拟过程中创新性地同时引入了体积和速度场的变化,解决了长期以来,CFD无法进行体积变化过程模拟的难题。文中比较了不同反应器规模(3L以及400L)和桨叶结构(2RT以及RT+45°PBT)条件下,同一发酵过程的底物消耗和产物生成情况。相对工业规模反应器(400 L),实验室规模反应器(3 L)相对底物的得率更高(3L的Yp/s为159.7 mol PenG/mol glu,而 400 L 为 152 mol PenG/mol glu)。RT+45°PBT 结构能通过更少的能量消耗(482 W/m3)获得和2RT(609 W/m3)相同的产量。文中还提出了底物混合指数,用来定量反应器内的底物非均匀性,混合指数越大混合越差,反之混合越好。批培养阶段混合指数近似为零,开始补料,混合指数迅速增加,且罐的规模越大增加幅度越大。在补料批发酵初期,底物混合指数会逐渐升高并在28 h达到峰值并下降。混合指数达到峰值时反应器内底物的非均匀性达到最大,这是由于反应器的系统特性造成的,主要体现在混合效率和底物消耗速率方面。最后,分别将反应器流场模拟用于两个不同品种发酵过程的分析,试图探索将CFD技术应用于实际发酵过程的优化分析。重点以丝状菌的发酵过程即黑曲霉产糖化酶和蓝灰色链霉菌产尼莫克汀发酵为例,研究了不同桨型和不同操作条件对发酵结果的影响。对于黑曲霉发酵,尝试了两种桨叶结构,3RT和3WHu。相比3RT,3WHu通过消耗更少的能量获得了更高的产量。3WHu的剪切较低,能较好的保留菌体球形结构这有利于产物的形成。在混合方面,轴流桨叶的表观粘度更低,反应器内的死区更少,有利于体系分散均匀。尼莫克汀的发酵需要将溶氧保持在25%以上才能达到非氧限制状态。文中对比了 5 L反应器的两种双层桨叶结构,2RT和RT+WHd。在相同的溶氧条件下,2RT的罐内平均剪切比RT+WHd高43%,从而导致了更松散的菌形,不利于产物的合成。RT+WHd的能量利用率也更高,其每消耗1 W能量所生成的尼莫克汀593.6μg,而2RT单位能耗生产的尼莫克汀为264.71μg。对于尼莫克汀的生产,在溶氧达到临界溶氧值(25%)以上,罐内平均剪切不宜超过110.3 s-1,否则过高的剪切会破坏菌形,使最终产率降低。