引言
华东理工大学生物工程学院庄英萍老师的研究团队，近日在《Scientific Reports》期刊上发表了一篇题为《Optimization of oxygen transfer and power consumption in aerobic bioprocess by designing disc turbine impeller based on CFD-Taguchi method》的文章。
研究背景
在好氧生物反应过程中，搅拌式生物反应器的性能直接决定了生产效率与经济成本。圆盘涡轮搅拌桨（Disc Turbine Impeller）作为核心组件，其结构显著影响氧传质效率（以体积氧传质系数kLa表征）与功耗（以单位体积功率输入P/V度量）。传统的Rushton涡轮搅拌桨（RT）因高气液传质能力被广泛应用，但其高能耗限制了规模化应用。现有研究通过改型叶片（如CD-6、PDT等）降低功率，但存在实验盲目性强、系统性不足的问题。此外，组合参数优化面临的巨额计算成本亟待解决。本研究创新性地结合计算流体力学（CFD）与田口实验设计（Taguchi Method），系统探究叶片曲率、非对称性和径向弯曲角对氧传质-功耗平衡的影响，提出面向工业场景的高效节能搅拌桨设计方案。
主要内容
1.单因素实验优化
以94L搅拌罐为研究对象，通过目标函数（归一化权重相等）衡量传质与能耗间的权衡。分别分析叶片曲率系数a、非对称性、径向弯曲角对kLa、P/V及EV的影响，确定优化参数区间。
叶片曲率
非对称性
径向弯曲角度
单因素实验结果
2.正交实验优化
采用L9(3³)正交表，探究三因素三水平的组合效应，结合极差分析与方差分析（ANOVA）筛选最优参数组合。
正交实验组合
正交实验结果统计分析
3.叶轮综合性能分析
在不同转速（100-500 rpm）和曝气速率（0-1.8 vvm）下进行了 CFD 模拟，以探究优化后叶轮的综合表现。P-0.1-T15B20-AM30°叶轮的平均功率需求仅为RT叶轮的31.2%和CD-6叶轮的46.1%，而平均体积氧转移系数kLa保持在RT叶轮的52.3%和CD-6叶轮的68.9%。与 RT 和 CD-6 叶轮相比，EV分别增加了 12.4% 和 8%。
四种叶轮结构示意图
四种叶轮在不同转速和通气速率下的kLa,P/V和EV
总结概括
本研究通过集成CFD与田口法，系统揭示了圆盘涡轮搅拌桨结构参数对传质与能耗的关联机制，验证了统计优化方法在桨型设计中的高效性。提出的P-0.1-T15B20-AM30°桨兼具经济性与实用性，为生物反应器规模化降耗提供了新思路。
文章致谢
本工作得到了国家重点研发计划[2021YFC2103500]、国家自然科学基金[No. 22208099]的支持。同时得到苏州沃美生物有限公司的支持和指导。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-025-92463-1
Gu,Q.,Yang,S.,Mohsin,A.etal.Optimization of oxygen transfer and power consumption in aerobic bioprocess by designing disc turbine impeller based on CFD-Taguchi method.Sci Rep 15, 8102 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41598-025-92463-1
