釜底后回到搅拌桨处，形成搅拌桨下部的流体环。由于进气方向不同，会对两种布气结构下层桨叶下方的流型有所影响。
图6 布气开口向上气-液发酵罐内液相速度矢量图
总体气含率
布气开口向上装置的总体气含率的模拟计算结果为5.6%，向下装置的总体气含率的模拟计算结果为5.8%，实验结果为9.8%，总体气含率的模拟结果与实验值都相差较多，相对误差分别为42.8%和40.8%。产生较大误差的原因主要有以下三方面：一是水与实际物料的性质相差很大，实际物料是幂率流体。二是气泡尺寸假设与实际相差较大。三是标准k－ε湍流模型假设与实际实验的误差。另外，比较两种结构的计算结果发现，两种结构对总体气含率影响很小。
2.2.3 针对环流反应器，探索得到了环流反应器体系粘度、界面张力等因素对气泡直径、气含率等影响
生化反应器内的流体粘度和表面张力随体系不同有显著差别，并且随反应进程也发生较大变化。很多发酵反应体系最初阶段与水近似，随后粘度增大，表面张力下降。液体粘度和表面张力对气含率、气泡大小分布和传质行为有显著影响。通过改变体系粘度和表面张力，测量气泡大小分布和气含率等，为认识该类体系和反应器设计提供数据，为理论建模和数值模拟提供基础。
粘度增加时，气含率下降，其径向不均匀性增加。粘度由1cp增加大30cp时，平均气含率下降近1倍。另外，随着粘度增大，气泡破碎作用变弱，形成更多的大尺寸气泡，大气泡上升速度较大，并且倾向于在中心区域上升，导致气含率下降，径向分布更不均匀。
2.2.4 建立了微通道反应器，测试了气液两相流和液液两相流的调控和传质规律
（1）系统地进行了微通道中液-液、气-液分散基本规律的实验研究和理论分析。对于液液微分散过程，分别在液柱分散和液滴分散条件下，系统考察了各个因素对液滴（液柱）形成及其尺寸的影响，对于不同的形成方法和实验条件，分散尺寸的变化规律存在着很大的区别。根据微通道中液滴（液柱）受力的无因次分析，界面张力和连续相剪切力是影响微通道中液滴（液柱）形成的主要作用力，Ca数是划分微通道中两相流型和区分液滴（液柱）形成机理的重要参数。根据
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Ca数的差别，对不同条件下的液滴（液柱）形成机理进行划分，分别得到不同形成机理下预测液滴（液柱）尺寸的理论模型。在此基础上进行归纳与分析，得到了能够在各种条件下预测分散尺寸的数学模型。经过验证，该模型是适用于多种微通道分散过程的预测液滴（液柱）尺寸变化规律的统一模型。
对于气液微分散过程，提出了采用T形微通道错流剪切和垂直流剪切制备单分散气泡的新方法，发展了新型气液微分散技术。所制得的气泡粒径均一，具有很好的单分散性，且通过改变实验条件可以实现气泡（气柱）尺寸在150 μm - 1100 μm范围内可控调节。气泡（气柱）形成由气泡所受的连续相剪切力和界面张力的相互平衡决定。借鉴微通道中液滴形成过程数学模型得到了准确预测气泡（气柱）尺寸的数学模型。该模型为气液微分散技术在生物反应和分离过程中的应用提供了基础。
（2）进行了微通道中分散尺度对于液液、气液传质和反应特性影响规律的实验研究和理论探讨。在液液体系方面，采用酸碱中和反应和指示剂在线示踪为反应探针，进行了微通道内液液分散传质和反应性能的基础研究。通过调节两相流速，可以调控分散相液滴直径在130μm-550μm，传质完成时间在0.4 s-4.5 s。研究表明，液滴形成阶段的传质对整个传质过程有着较大的贡献，大大强化了传质过程。通过与扩散传质过程比较，微通道中液滴形成阶段的传质速率增大了10-100倍。通过考虑滴内对流循环和界面反应强化的共同作用，建立了定量表征液滴形成阶段传质强化的数学模型，模型计算值与实验值有很好的一致性。 在气液体系方面，采用碱液吸收二氧化碳作为反应体系，进行了微通道内气液分散传质和反应性能的基础研究。分析了微米尺度下传质性能，发现与传统塔设备中毫米尺度气泡传质相比，微米尺度的气泡/气柱具有传质系数高、比表面积大以及气泡/气柱形成方式对传质过程的影响较大等特点，气液微尺度传质过程的理论分析正在进行中。
2.3 生化反应过程放大原理与方法
研究目标：建立适合生物过程的新型放大方法和模型，即同时反映生物反应特性和反应器传递特性的直接放大理论，最终用于指导主要工业生物技术产品如有机醇、有机酸等大规模发酵过程，突破传统“实验室－小试－中试－工业”逐级放大的思路与方法，实现工业发酵过程的定量设计与直接放大。根据原定目标开展了下述研究，达到了原定的阶段性目标，并取得了一些突出进展。
2.3.1 多尺度工艺优化研究方法的建立
为了充分了解生物反应过程细胞生理代谢特性，对生物反应过程的相关参数实现在线检测是使此工作进一步深入的关键技术基础，为此本课题在线活细胞传感器、在线显微细胞图像处理系统、发酵过程尾气在线质谱仪检测，在醇类与
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有机酸类大量厌氧发酵过程中的重要参数如氧化还原电位电极的应用等方面取得了突破。
（1）发酵过程尾气质谱仪的应用
发酵过程中的尾气测量非常重要，项目对商品化的质谱仪用于发酵尾气测量的应用进行了开发，并取得了成功。首先解决了一个质谱仪同时分析多个发酵罐尾气数据的实时采集问题，设计了通用的数据通信软件Biodata，实现了质谱仪分析数据和其他过程数据的集成。其次，设计了尾气前处理系统，解决了在实验室中应用质谱仪时的发酵尾气除湿、除尘问题，保证了仪器的正常运行。最后，在谷胱甘肽通纯氧发酵中应用，获得了以往尾气分析仪难以检测到的数据。在发酵中期，菌体代谢十分旺盛，所通空气提供的氧已不能满足需要，因此通入了纯氧。此时，尾气中的氧和二氧化碳含量已超出了传统的尾气分析仪的量程，但质谱仪仍能较好地检测出。
（2）原位细胞形态观察仪的研制
研制了ZYH-1000型高分辨率在线细胞显微观察仪，由光学系统、CCD摄像机和数据处理软件包组成，可直接插入到发酵罐（反应器）接口中，从而实现在线监控发酵过程中细胞的数量变化和形态变化等。通过数字化的显微图像经计算机相应的图像处理算法可以得到有关细胞大小分布、细胞浓度、细胞形态和细胞成活率等信息，所有这些信息组成了发酵过程实时代谢流检测的重要组成部分。本项目以酵母高密度发酵为例，一方面在线观察到酵母在发酵过程中的形态变化与增殖生长；另一方面将在线显微细胞计数仪的细胞计数数据与与离线细胞量计数数据（如离线OD600、细胞湿重、细胞干重、离线显微计数）和在线活细胞浓度传感测量数据（在线OD1）进行比较，获得了较好的生物量测定结果。 （3）氧化还原电位电极的应用研究
在厌氧发酵过程的优化与放大研究中，氧化还原电位是一个非常重要的表征细胞实时代谢流的参数，控制不同的氧化还原电位有可能对细胞代谢造成较大影响。长期来国内由于厌氧发酵的研究相对落后，所以在此传感器的研究和应用方面缺乏基础。本项目将此传感器应用在乙醇发酵过程的研究中，通过对氧化还原电位与乙醇的产率、细胞活性、副产物关系等进行深入研究，使我们对厌氧代谢的实时代谢流研究有了一个很好的调控入手。尤其在与中粮集团合作的纤维素发酵产乙醇项目中，利用氧化还原电位电极对发酵过程进行优化后，使乙醇发酵产率大大提升。
2.3.2 细胞生理代谢与流场特性相关分析方法建立
以生理代谢参数相似的放大原则，并不能代表大型发酵罐的几何结构和动力也就是说在放大规模的状态参数转化为操作或设计参结构等可设计参数的确定，
数又有一个研究过程，需要在积累性的工作基础上提升到理论和方法。例如根据
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OUR、KLa以及所选用的搅拌桨特性测算不同发酵罐规模所需的搅拌功率研究；根据OUR与菌体细胞剪切适应量选择不同规模发酵罐的搅拌器形式、转速或其他结构的研究；搅拌器的混和与剪切特性的冷态研究，特别是计算流体力学的应用研究，利用计算流体力学（CFD）软件对不同类型与规模的生物反应器流场相关特性如剪切力分布、气体分布、流场特性等诸多特性参数进行了定量计算，重点研究了不同规模的发酵罐搅拌器形式、转速等对生理特性的影响。以及上述研究的数据库建立与推广应用。
（1）利用计算流体力学方法对阿维菌素发酵过程不同反应器搅拌桨形式对细胞生理特性影响的研究。
在阿维菌素发酵放大过程中，课题组发现了阿维菌素发酵过程中供氧与剪切是一对矛盾，如何解决好这对矛盾将会是放大过程中的关键。为此课题组利用50L搅拌式反应器，并选取三种不同桨叶组合进行发酵实验，并运用CFD对反应器流场进行模拟，系统地分析反应器剪切力、气含率等流场参数与阿维链霉菌菌丝形态学参数、碳氮代谢等细胞代谢特性之间的关系，对生物放大过程中建立基于流场特性与生理特性相结合的准则做出了有益的尝试。
课题组首先在50L发酵罐上设置了三种搅拌桨形式：
类型/搅拌桨位置 第一种 第二种 第三种
底部 半圆管 半圆管 三箭叶
中层 三宽折页 三箭叶 三箭叶
上层 三宽折页 三箭叶 三箭叶
然后利用计算流体力学（CFD）软件对三种搅拌桨的不同搅拌桨叶平均剪切力、不同桨叶组合的轴切面湍动剪切力分布图、不同桨叶组合的速度矢量场、气含率、不同桨叶组合下平均KLa以及各层桨叶的KLa比较等，最后得出如下结论：第一组搅拌消耗的功率最低，平均剪切力最小，但气含率高，平均氧传递系数最大；第二种组合搅拌消耗的功率较高，平均剪切力最大但气含率少，平均氧传递系数也最低；第三种组合在同样操作条件下功率消耗最高，且会存在混合的死区，可见以箭叶形式作为最低层桨不合适；而同种桨在不同桨叶组合中作用也不一样。
课题组在50L发酵罐上对阿维菌素的发酵代谢特性进行了研究，由于阿维菌素的菌丝形态与细胞代谢特性密切相关，所以对采用上述不同搅拌桨形式下菌丝形态运用自行设计的软件进行了定量研究，获得了各种菌型参数计算结果。剪切力最大的搅拌桨组合其菌球尺寸最小，即球核面积，核区周长和菌丝球面积这三项参数值都小于其他两组。混合不均引起的传质受阻也会引起菌丝形态的变化，会使菌球比较松散。外围菌丝在发酵前期的生长也会受到剪切力的影响，较小的
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剪切力利于外围菌丝的生长。
在此基础上又对糖、氮消耗等代谢特性均进行了测定，第一组搅拌下糖的消耗比其他两组快，可能是因为剪切力小气含率高，菌球生长较好。三组桨叶组合下发酵过程中的还原糖，氨氮，pH变化趋势基本一致。整个发酵过程中的PMV基本上是第二组的值最小，这与该组在整个发酵过程中菌球都最小相对应。而第三组的PMV最大，前期是由于其菌球较大，后期则可以证明是由于受到剪切力的作用被破碎成较小而紧密的菌球。而第三组PMV在250h后的下降是菌体自溶又一表象。从效价看，第一组明显优于其他两组，该桨叶组合剪切力最小，菌球尺寸维持一定值的时间最长，即菌球尺寸维持一定值而非持续下降对菌体产素有利。
最终通过实验证明了三宽—三宽—六弯叶的搅拌桨组合最后效价明显优于其他两组，该桨叶组合剪切力最小，菌球尺寸维持一定值的时间最长，这跟前面研究的结论一致，即菌球尺寸维持一定值而非持续下降对菌体产素有利。但六箭叶—六箭叶—六箭叶组合在前期菌球较大，后期较另外两组自溶早，可见前期菌球尺寸过大并不利于后期阿维菌素合成。
（2）利用计算流体力学方法针对工业规模灰黄霉素发酵过程的反应器设计调整与放大。
发现原定设计的放大发酵罐形式有可能课题组在灰黄霉素发酵放大过程中，
不适应灰黄霉素菌的代谢特性，所以当发酵罐从30吨放大到50吨发酵罐后，发酵单位下降了20%左右。为此课题组对新设计的发酵罐结构利用计算流体力学的方法进行了反应器流场模拟，通过研究发现由于灰黄霉素发酵采用了较特殊的米粉作为发酵基质，导致发酵过程的发酵液流变特性发生了严重的非牛顿流体特性，而在该种情况下，发酵罐内的氧分布情况不能满足代谢的需求，于是通过模拟制定了对现有发酵罐的改造方案（即调整原有搅拌桨的安装位置和直径），是发酵罐内的空气分布有了好好的改善。改造方案在工业规模实施后，发酵单位较改造前提高了15%以上，达到了放大的成功。
2.3.3 工业生物过程放大理论研究
课题组根据原定的科学问题研究思路，突破原有仅从生理调控等单一机制进行工业生物过程研究的局限性，建立了生物反应器的生物学与工程学研究相结合的理论与方法，也即提出了在工业生物反应过程中存在着由细胞基因、代谢尺度所决定的细胞生理代谢特性和由反应器多相流混合系统所决定的环境特性，而本课题则是通过多尺度参数相关分析方法实现了细胞生理代谢特性的研究，通过利用计算流体力学方法实现了反应器流场特性的研究，最终实现了跨尺度动态观察
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