3. 搅拌桨与搅拌系统

搅拌桨是生物反应器内实现混合、传质与传热的执行末端。同一台罐体，换一只桨，流场结构、剪切水平、气液分散能力和功耗都会发生明显变化。因此，理解桨型不能停留在“名字—外形”的记忆层面，而应把几何特征、诱导流型、剪切与循环能力、适用工况串成一条判断链：几何决定流型，流型决定混合与传质，剪切与功耗决定它对细胞的“友好程度”。

一、四类常用桨型的几何特征

Rushton 圆盘涡轮（六直叶圆盘涡轮）：桨叶为 6 片垂直矩形平板，安装在一个中心圆盘上，桨径 D 通常为罐径 T 的 0.3～0.5 倍，叶宽约为 D 的 0.2～0.25 倍，叶高约为 D 的 0.2 倍。圆盘的作用是阻止气体从桨叶上方直接短路逸出，使气泡被强制甩向罐壁。它的特征是“高剪切、强径向流、强气液分散”，是传统发酵罐中通气搅拌的经典选择。

斜叶涡轮（斜叶桨）：桨叶与水平面成一定角度（常见 45°、30°、60°），可为 4 叶或 6 叶，无圆盘或带小圆盘。45° 斜叶桨同时产生轴向流与径向流分量，属于“混合流型”桨。角度越小，轴向分量越强、剪切越温和；角度越大，径向分量和剪切越强。它常用于需要兼顾分散与循环的中等黏度发酵体系。

螺旋桨（船用推进式桨）：典型为 3 叶、大螺距比（pitch/D 约 1.0～1.5），桨径较小（D/T 约 0.2～0.33），转速较高。它产生强轴向流，泵送能力强、循环量大、剪切相对温和，适合低黏度、大高径比罐体的整体循环与悬浮，但单独使用时气体分散能力弱于圆盘涡轮。

锚式桨（锚框式）：桨叶外缘形状与罐壁、罐底轮廓贴合，间隙很小（通常 5～25 mm），桨径接近罐径（D/T 约 0.9～0.98），转速很低（常为 10～60 r/min）。它几乎不产生轴向泵送，主要靠“刮壁”作用消除近壁滞留层，适合高黏度、非牛顿流体，如高浓度菌丝体发酵、高固含物料或黏稠培养液。

二、流型：轴向流、径向流与切向流

桨型几何直接决定主流动方向。径向流桨（Rushton）把流体从桨叶沿半径方向甩向罐壁，形成上下两个环流回路，罐内存在明显的上下分区，混合时间较长但局部湍动强、气泡破碎充分。轴向流桨（螺旋桨、小角度斜叶桨）把流体沿轴向推下（下压式）或推上（上压式），形成贯穿全罐的大循环，混合时间短、悬浮均匀，但气泡破碎能力有限。切向流是伴随旋转产生的“打旋”分量，它不参与有效混合，反而降低气液接触、增加轴功率波动，工程上通过挡板（通常 4 块，宽度为 T/10～T/12）将其转化为轴向与径向流。

需要特别说明方向约定：本文及图示中，下压式指桨叶将流体推向罐底，上压式指将流体推向液面。同一只斜叶桨，改变旋转方向即可切换下压/上压，流型与功率消耗随之改变，安装与接线时必须确认转向。

三、选型依据：从体系黏度、剪切敏感性与传质需求出发

选型不是“哪个桨好”，而是“哪个桨匹配当前体系”。可按以下顺序判断：

1. 先看黏度与流变。低黏度（<50 mPa·s）优先轴向流桨，保证整体循环与悬浮；中黏度（50～500 mPa·s）用斜叶桨兼顾循环与分散；高黏度或非牛顿（>500 mPa·s，或存在屈服应力）必须用锚式、螺带等近壁型桨，否则桨叶周围形成“死区”，罐壁与罐底物料长期不更新。
2. 再看剪切敏感性。细菌、酵母较耐剪切，可用 Rushton 获得高 k_La；丝状真菌、动物细胞、剪切敏感产物应降低桨尖线速度，优先斜叶桨或螺旋桨，必要时降低转速、增大桨径，用“大桨低转”替代“小桨高转”。
3. 再看传质与通气需求。高耗氧发酵（如抗生素、酶制剂）需要高 k_La，Rushton 或“下层 Rushton + 上层斜叶/螺旋桨”的组合最常用：下层负责气泡破碎与分散，上层负责把气泡带回主体循环，避免气体短路。
4. 最后看固含与悬浮。含颗粒、菌丝球或载体时，要求“完全离底悬浮”，轴向流桨的泵送能力更有利；若同时需要分散气体，则采用组合桨。

四、一个可参考的选型示例

假设一台 20 L 实验室发酵罐，T = 0.25 m，装液高 H/T ≈ 1.5，培养大肠杆菌，黏度约 5 mPa·s，要求较高供氧。可选方案：下层 6 直叶 Rushton，D = 0.08 m（D/T = 0.32），离底 C = 0.08 m（C/D ≈ 1.0）；上层 45° 斜叶桨，D = 0.09 m，下压式安装，间距约 1.2D。转速先按桨尖线速度 1.5～2.5 m/s 估算：n = v/(πD) = 2.0/(3.14×0.08) ≈ 8 r/s ≈ 480 r/min。通气量 1 vvm，即 20 L/min。运行后观察：若溶氧持续下降、气泡在液面大量逸出，说明分散不足，可适当提高转速或检查挡板；若细胞活性下降、碎片增多，则说明剪切过强，应降低转速或把上层桨改为更大直径的斜叶桨。上述参数为教学示例，实际需结合罐体几何、挡板配置与实测 k_La 调整。

五、常见误区与检查要点

• 只看桨型不看 D/T 与 C/D：同一只桨，桨径和离底高度不同，流型与功率可能差一倍以上。
• 忽略转向：斜叶桨下压与上压的功率准数不同，安装后必须点动确认转向。
• 忽略挡板：无挡板时液体打旋，气液界面更新差，k_La 明显偏低。
• 高黏体系仍用 Rushton：桨叶附近混合尚可，但远离桨区形成停滞区，整体混合时间急剧上升。
• 组合桨间距过大：上下桨之间出现“脱节”，气泡无法被有效带回主体循环。

把桨型选择落到几何参数、流型方向、剪切与传质需求四个维度上，才能在后续的功率计算、放大与操作优化中有据可依。