机械搅拌生物反应器被广泛应用于生物发酵领域。工业规模反应器中的搅拌设备为多层桨组合，在反应器设计和放大过程中，需要清楚搅拌器组合的功率和气液传质特性，并清楚放大后反应器的流场状态、搅拌功率及气液传质特性。　　本文首先实验测定机械搅拌生物反应器的功耗和气液传质特性，结合CFD（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟技术分析反应器中的流场、气含率、气泡平均直径以及溶氧传质系数等局部分布，从宏观和微观的角度分析多层搅拌器及其放大后的功耗和气液传质性能，主要工作和研究成果如下:　　首先实验测定30L，300 L和3000 L机械搅拌生物反应器的性能:(1)PIV（粒子图像测试法）测定30 L罐中的液相速度场;(2)分别用扭矩法和溶氧电极-氮气排空法测定300 L和3000 L罐在不同操作条件下的搅拌功率和溶氧传质系数。　　其次，基于欧拉-欧拉气液两相流理论，结合MUSIG模型（多尺度气泡模型）和溶氧传质模型建立机械搅拌生物反应器的CFD模型。以30L罐的PIV液相速度场及300 L罐中的不通气搅拌功率和溶氧传质系数验证CFD模型，结果表明:PIV流场测试与CFD模拟液相流场形态相似，搅拌功率的模拟与实验结果相近，但随转速增大偏差逐渐增大，最大偏差分别为:①六叶不对称抛物线圆盘涡轮桨+四宽叶轴流桨13％，②六箭叶圆盘涡轮桨+四宽叶轴流桨16％和③六箭叶圆盘涡轮桨+四宽叶轴流桨20％，溶质渗透模型，表面更新模型和漩涡池模型三种传质模型中，漩涡池模型更接近实验测定结果。　　三种搅拌器组合的实验与模拟结果显示，CFD模拟可以较准确的预测机械搅拌生物反应器的相对功率消耗，模拟值与实验值最大误差分别为:①号桨组合10％，②号桨组合30％，③号桨组合22％;三种桨叶组合的气液分散作用大致相同，③号桨组合的局部气含率分布显示气液分布死区较多，分布均匀度略差于其他两种桨组合;①和③号桨组合对气泡的破碎作用较好;从总体上来看，①号桨组合在全罐范围内的kLa分布更均匀;建立两个传质效率评估参数（功率效率和设备利用率）评价搅拌器传质效率，对比发现①号桨组合的传质效率最高。　　按溶氧传质系数kLa和VVM（每分钟通气量与罐体实际料液体积的比值）相等放大准则，计算将300L罐放大到3000L罐所需搅拌转速和通气量，采用CFD模拟对比分析放大前后的液相速度场和局部气液传质特性发现，3000 L罐中三种搅拌器组合的气液传质能力低于300 L反应器的气液传质能力，需要提高搅拌转速。　　针对60m3木聚糖酶发酵罐中溶氧不足问题，采用CFD模拟技术对搅拌器进行优化改造，改造前模拟发现发酵罐中的流场分布和局部气含率分布不理想;改造方案:将三层桨改为四层桨，径向和轴向分别两层，采用六不对称抛物线桨;模拟改造前后发酵罐中的溶氧传质系数和搅拌功率，改造后溶氧传质系数从50h-1提高到91 h-1，功率消耗降低16％，发酵实验显示木聚糖酶产量最高可达120U/ml，较改造后提高22.4％。