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毛状根具有遗传性状稳定、生长速度快、代谢产物含量高等诸多优点，已被广泛用于植物次生代谢产物的生产。为刺激毛状根次生代谢产物的高含量表达，代谢调控成为了人们研究的重点之一。在反应器培养过程中，毛状根易结团生长，根团的形成阻碍液体的流动和溶解氧的扩散，影响毛状根的生长和代谢。本文以提高紫锥菊毛状根培养过程次生代谢产物菊苣酸产量为目的，针对紫锥菊毛状根培养中菊苣酸含量较低、反应器培养中结团严重不利于物质的传递等问题，采用超声手段来刺激毛状根的防御机制，并改善反应器内根团的供氧状况。进一步利用计算流体力学(Computational FluidDynamics，CFD)的方法建立了用于描述反应器内部流体流动和传质特性的模型，详细研究超声对毛状根生长和次生代谢的影响，并最终指导反应器的放大设计。取得主要成果如下：
建立了超声强化紫锥菊毛状根生产菊苣酸的操作策略，探讨了超声对毛状根生长和代谢的作用机制。适量的超声处理引起rolB基因表达量的升高，使得超声处理后一定时期毛状根内IAA含量比对照高1倍，从而影响毛状根的生长，生物量达到未超声的对照的相同水平时，生长周期缩短5天；超声激发了胞内的氧化爆发，活性氧(过氧化氢和超氧阴离子)含量的升高激活了抗氧化酶活性及抗氧化小分子黄酮和酚酸类物质的代谢，从而强化了PAL酶活，促进了菊苣酸的代谢。在每隔5天多次超声处理的条件下，PAL酶活持续增高，引起菊苣酸积累量的提高。多次超声策略对反应器培养过程的强化作用明显，在间隔5天超声处理6 min条件下反应器的生物量和菊苣酸含量分别比对照增加6％和28％。
基于多孔介质模型和离散的粒数衡算模型，利用CFD的方法建立了用于描述培养毛状根的反应器内气液两相流流动的二维轴对称模型，获得了反应器内气体和液体流速、气含率、传质系数以及溶氧的分布。模拟结果显示，液速及液体湍动对氧在毛状根区域的传质具有决定作用。反应器毛状根根团内溶氧浓度在轴向上分布不均，由底部向顶部逐渐增大。实验结果证明，氧浓度的分布不均对毛状根的生长和代谢影响明显，反应器轴向的毛状根生物量和菊苣酸含量的变化趋势与溶解氧的分布一致。
利用动网格结合调整施密特数(Schimdt number，Sc)的CFD模拟方法对超声作用下反应器内的流体流动和氧的传递进行了模拟。模拟结果与实验结果表明超声强化了溶解氧在毛状根根团内的传递，可刺激毛状根的生长和菊苣酸的合成。