本文所采用的生物反应体系为丝状真菌发酵体系,采用计算流体力学模拟的手段对生物反应设备(搅拌式发酵罐)的改良和优化进行研究,主要考虑其内部流场的混合情况以及剪切、溶氧等操作参数的情况,针对不同情况进行研究。首先,对传统的搅拌式发酵罐进行了模拟实验研究,研究结果发现,模拟结果与本构模型数据拟合度较好,说明计算流体力学模拟的方法能够较好的表现出发酵设备的内部混合情况。研究结果发现搅拌式发酵罐中,在一定范围内,气含率随表观气速的增大而增大,初期时气含率增长较快,之后当表观气速进一步增大时,气含率的增大趋势降低。气含率与搅拌转速的关系也呈现此趋势。其次,针对丝状真菌(少根根霉)无法耐受较高程度的剪切力以及对溶氧条件有较高的要求的特点,对传统搅拌式发酵罐进行改良优化。计划加入网布作为菌体生长的载体,以提高流场内部的混合情况以及改善菌体的生长情况。在经过对网布的设计、改良与对比后,确定了以正方形网布为载体的固定化发酵形式,借助计算流体力学模拟的手段对其进行分析。结果发现,加入网布作为载体后对流场的混合情况起到了明显的改善作用,增强了对气泡的分散作用,提高了气泡在液相中的停留时间,有利于菌体的生长与目标产物的生成。最后,由于六直叶圆盘涡轮桨容易产生气穴现象并且剪切力作用较大,因此考虑用六后弯叶圆盘涡轮桨代替六直叶圆盘涡轮桨组成新的搅拌桨组合。经过计算、设计与改良后,确定了桨叶的尺寸,建立了相应的模型。经过模拟计算后,发现该搅拌桨组合所产生的剪切速率分布相对均匀,有效的避免了“死角”的出现。在一定程度上起到了较好的分散气泡的作用。