用于流体运动与生物反应器中输运的模拟建模框架——以培育肉类生产为例
流体动力学
2025-04-09 v1
摘要
摇篮式或波浪混合生物反应器因其一次性、低运行成本和可扩展性而在培育肉类生产中成为有前景的创新。尽管存在这些优势，但由于市场历史短且几何和运行参数范围广，摇篮式生物反应器的性能尚未得到充分阐述。在本研究中，我们构建了一个严谨的计算框架，用于该多相、多物理系统定量评估混合、氧传质和剪切应力，以适用于不同运行条件下的矩形摇篮生物反应器。该框架基于 Basilisk 开源平台实现。我们采用二阶有限体积 Navier-Stokes 求解器和体积分散(VOF)界面重构方案准确解析高度非线性的流动。通过求解多相系统的扩散-迁移方程，我们考察不同运行条件下的混合时间和氧气传递系数，这两者均与瞬时层流下的稳态流动有强关联。我们进一步指出两个关键水动力现象显著影响生物反应器性能：其一，探讨从层流向湍流的过渡 regime；其二，识别特定运行条件可在生物反应器内触发共振，从而增强混合和氧传递。最后，我们讨论了剪切应力和能量耗散率对细胞存活率的潜在影响。我们的发现预计为设计优化生物反应器以支持下一代培育肉类产业链提供有价值的见解和指导。
引用
@article{arxiv.2504.05421,
title = {A simulation modeling framework for fluid motion and transport in a rocking bioreactor with application to cultivated meat production},
author = {Minki Kim and Daniel M. Harris and Radu Cimpeanu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2504.05421},
year = {2025}
}