本文属于类型a，是一篇关于生物反应器流体动力学与设计对性能影响的原创研究论文。该研究由Parth Shah、Satchit Nagpal、Dong Hun Kwak、Jung Ho Kim、Jae Hoon Cho、Jun-woo Kim、Kosan Roh、Sang Min Park和Joseph Sang-II Kwon等人完成，主要作者分别来自Texas A&M University、CJ CheilJedang生物技术研究中心、Chungnam National University以及The Ohio State University。论文发表于Chemical Engineering Journal，卷号为527，文章编号171731，于2025年12月在线发表，属于开放获取文章。
该研究属于生物过程工程与计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的交叉领域。在大规模发酵过程中，由于混合不充分而产生的空间梯度是主要挑战之一，它会导致底物和溶解氧分布不均、生产率下降以及经济效益降低。传统的全尺寸CFD模拟虽然能提供高分辨率的流场信息，但计算成本极高，无法用于长时间补料分批发酵过程的模拟或多设计方案比较。而集总动力学模型又缺乏空间分辨率，无法解释不同设备设计导致的生产率差异。因此，本研究旨在开发一种动态分区模型（Compartment Model, CM）框架，将CFD导出的流体动力学信息与详细的微生物动力学模型相结合，用于研究525立方米工业规模反应器中不同搅拌桨高度配置对过程性能的影响，并进一步将结果转化为经济效益评估。
研究工作流程主要包括四个步骤。第一步是建立轴对称CFD模型。研究者使用COMSOL Multiphysics 5.5软件构建了525立方米工业发酵罐的二维轴对称几何模型，包含分布器、搅拌轴和搅拌桨等主要几何特征，但省略了挡板。气相采用底部进气，流量为0.40 kg/s。采用欧拉-欧拉双流体模型结合水平集方法追踪气液界面，湍流采用可实现的k-ε模型，近壁区域使用标准壁面函数。瞬态模拟在多个离散体积（280至360立方米）下进行，以捕捉补料分批过程中液位变化对流体拓扑结构的影响。当每个体积阶段的初始瞬态衰减后，研究者导出准稳态速度场快照，用于构建分区拓扑和区间流动矩阵，同时从局部剪切和湍流耗散特性中提取体积传质系数kLa的空间分布。
第二步是从CFD数据构建分区模型。反应器被离散为理想混合的控制体网络，每个分区具有均匀属性，分区之间的物质交换由CFD速度场导出的对流传输控制。在每个体积快照下，分区边界、区间连通性和kLa空间分布被确定。与以往采用经验假设或插值kLa的分区模型不同，本研究直接从CFD结果中提取每个分区的kLa值，从而实现了局部氧传递的显式表达。在分区模型模拟过程中，各个体积对应的分区布局和流场在相应的过程时间被激活，这种分段动态更新策略在保持计算效率的同时捕捉了流体动力学的演化。
第三步是将发酵动力学模型集成到分区模型中。动力学模型基于双底物Monod动力学，包含产物抑制和氧限制。微生物生长速率由两种碳源S1和S2的贡献之和表示，每个贡献项都受Monod饱和动力学、底物间耦合以及产物抑制的调制，同时乘以氧限制因子。完整的微分方程组包括生物量X、两种底物S1和S2、产物P以及溶解氧DO的平衡方程。溶解氧平衡方程中，kLa为体积氧传质系数，随分区变化；DO*为氧饱和浓度；qDO为比氧摄取速率。分区之间的物质交换通过CFD导出的对流流量控制，连续型方程在每个分区内得到满足。补料分批操作被划分为多个离散阶段，每个阶段对应不同的工作体积，每个阶段使用相应的速度矩阵和分区布局，阶段转换时将最终状态变量体积归一化并映射到新的分区配置以保持总质量守恒。动力学参数使用MATLAB的fmincon进行约束非线性最小二乘估计，基于多个工厂规模批次数据进行标定，标定后的参数在所有设计工况中保持固定。
第四步是设计评估与经济分析。研究者模拟了两种仅在上层搅拌桨高度上不同的反应器配置，分别记为Case 1和Case 2。Case 1的顶层搅拌桨位于距罐底7570 mm处，Case 2位于7050 mm处。两种配置的所有动力学参数、进料条件和初始化设置完全相同，唯一差异在于CFD预测的流场。结果显示，Case 1在整个批次过程中始终保持更高的kLa值，平均反应器kLa约为0.1294 h⁻¹，而Case 2为0.1095 h⁻¹，Case 1的平均kLa比Case 2高约19%。
主要结果方面，研究首先验证了动力学模型的准确性。非空间动力学模型的预测与实验测量值在生物量、两种底物、产物和工作体积五个变量上均吻合良好，所有状态变量的R²值均大于0.9。参数估计结果通过t值和p值提供了统计支持。随后，集成分区模型成功模拟了反应器域内生物量、底物和产物浓度的时空演化。在早期时间点（t=0.1），所有状态均表现出强烈的轴向梯度，特别是在底物1和产物中更为明显。随着发酵的进行，反应器体积从约280 m³增加到360 m³，轴向分区数量从50增加到64，总分区数从1300增加到1664，浓度场逐渐均化，但即使在后期（t=1），仍存在轻微的不对称性。
通过对比两种搅拌桨配置，Case 1的轴向循环更强，上部区域的kLa更高。在过程性能指标上，Case 1的产物体积生产率比Case 2高4.5%，总产物质量高7.5%，产量高4.5%，生产速率高7.1%，底物利用量高2.8%。将生产率提升映射到成本-生产率关系上，Case 1的生产率对应的单位成本比Case 2降低了约每吨4.63美元。按年产20000吨计算，潜在节约超过92600美元。这些改进完全源于搅拌桨位置的改变，不涉及原料、效价或代谢策略的变化。
研究结论指出，在集总模型中常被忽略的细微几何变化实际上可导致kLa、氧传递和整体生产率的显著改善。分区模型的空间分辨率能够解释这些收益的来源：Case 2在反应器上部三分之一区域始终存在混合不良，特别是在早期和中期填充水平下，这些滞留区导致氧限制分区，抑制了生物量生长并延迟了底物利用。该框架能够追踪过程偏差的空间起源，从而支持有针对性的硬件干预，如搅拌桨重新定位或挡板添加。该方法可直接用于比较搅拌桨数量、桨间距、分布器配置或容器高径比等多种设计变量，未来还可与实时传感器数据结合实现在线优化或模型预测控制。
本研究的主要亮点在于：这是首个将混合CFD-CM-动力学框架应用于基于经济指标的搅拌桨配置优化并针对工业规模性能进行验证的研究。该方法通过直接从CFD提取空间分辨的kLa场，避免了以往分区模型中使用经验或假设kLa值的简化；同时采用分段动态体积更新策略，在保持计算效率的同时捕捉了补料分批过程中流体动力学的时间演化。研究的特殊性在于将计算结果成功转化为经济指标，证明了纯硬件配置的优化即可带来显著的成本节约，为工业生物过程设计中的智能决策提供了有力工具。