CFD 在生物反应器放大过程中的作用

工艺工程师最常想到的一个问题是“如何将台式反应器扩大到工业规模的反应器？”。这个问题的答案并不简单，也不容易得到。例如，人们误以为工业规模的反应器的性能与台式反应器相同。因此，扩大规模的过程并不是一件容易的事。必须对影响反应器行为的不同因素进行深入分析。

生物加工或制药工艺开发通常从使用台式反应器开始。一旦加工团队确信该工艺是充分且可行的，该工艺就会被转移到中试规模的反应器中，工程师会在那里寻找最佳操作条件。这是最具挑战性的部分：将中试的最佳操作条件复制到商业规模的反应器中。这个过程称为放大。它在生物工艺、制药工艺和食品工艺的开发中至关重要 [1]。

放大过程从两个不同的角度进行，即几何和操作条件。最初，工程师倾向于保持反应器之间的几何相似性。因此，一旦确定了反应器的体积，就会计算出几何参数，例如直径、高度、挡板尺寸和搅拌器（如果适用）。然而，这不足以保证正确的放大。一些操作条件应该保持不变 [1]。放大策略的一些示例如下：

从几何角度来看，工程师可以缩放反应堆的体积或反应堆的关键尺寸。使用什么变量进行缩放将取决于许多因素，例如生产率和成本。

• 体积：对于放大，工程师的体积，即他们想要使用的新体积，是确定的。确定反应器的体积后，对反应器尺寸进行估算。为此，工程师通常试图保持现有反应器和工业上拟议的反应器之间的几何相似性。因此，没有办法对尺寸进行线性缩放，即用于缩放体积的比例因子与用于放大反应器直径或高度的比例因子不同。

• 直径或高度：有时，工程师决定线性缩放反应堆的直径或高度。这一决定是空间或设计限制的结果。然而，这样做并不意味着体积线性缩放，必须注意这一点。

 

图 1. 反应器内部两个不同平面的速度轮廓

正如我们之前提到的，仅进行几何级放大是不够的。一些工艺操作条件也必须保持不变。以下是一些应保持不变的操作条件示例：

• 叶轮速度：确定叶轮速度的典型方法依赖于经验相关性，以使相关参数随尺度变化而保持不变。叶轮速度的评估基于保持单位体积的搅拌功率输入 (P/V) 或叶轮尖端速度。

• 曝气率：曝气率也取决于经验相关性。要保持恒定的参数是保持体积氧传质系数 (kLa)、表观气速、特定气体流速或气体流量数恒定。

工程师通常在扩大规模的过程中保持一个或多个参数不变，并围绕它制定策略。

可以看出，开发反应器放大工艺并非易事。为了解决放大过程中出现的复杂问题，许多工程师和公司已开始使用计算流体动力学 (CFD) 技术进行放大[2][3][4]。

使用 CFD：可以执行反应器的放大过程，同时保持几何纵横比或操作条件不变。为了便于解释，下面显示了两个几何缩放反应器的行为。在此示例中，两个反应器在几何上相似，但缩放比例为 0.5。

 

参考书目

[1] E. Mahdinia、D. Cekmecelioglu 和 A. Demirci，《生物反应器扩大》，《发酵技术精髓》 ，Springer，Cham，2019 年，第 213-236 页。

[2] C. Bach、J. Yang、H. Larsson、S. Stocks、K. Germaey、M. Albaek 和 U. Kruhne，《利用 CFD 评估搅拌中试规模生物反应器中的混合和质量传递》，《化学工程科学》， 2017 年。

[3] V. Capello、C. Plais、C. Vial 和 F. Augier，《曝气生物反应器的扩大：cfd 验证及其在里氏木霉酶生产中的应用》，《化学工程科学》， 2021 年。

[4] T. Villiger、B. Neunstoecklin、D. Karst、E. Lucas、M. Stettler、H. Broly 和 M. Soos，《动物细胞生物反应器的实验和 CFD 物理表征：从微型到生产规模》，《生物化学工程杂志》，第 84-94 页，2018 年。