搅拌生物反应器流场模拟研究及其在发酵过程优化与放大中的应用

搅拌生物反应器流场模拟研究及其在发酵过程优化与放大中的应用

加入收藏夹 点击:114 下载:0 被引： 本文以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)为工具结合具体发酵过程中菌体生理特性对搅拌生物反应器内的流场模拟与放大技术进行了研究。 首先将计算流体力学数值模拟引入搅拌生物反应器内流场结构的研究。建立了用于模拟搅拌生物反应器内三维流场的模拟方法,通过模拟结果与文献报道数据的比较对模型进行了验证,并研究了不同模型设置与模拟方法对模拟结果的影响。通过研究发现对结果影响最大的有网格划分密度,湍流模型和对流项差分格式。网格划分密度的影响主要体现在速度梯度较大的桨叶排出区网格划分的密度上,这一区域网格密度越大对流场的模拟越接近测定值。本文所考察的湍流模型中,标准k-ε模型得到的流场结果与文献测定值最接近,而SST模型的结果误差最大。对流项差分格式对结果的影响主要体现在残差收敛速度上,Upwind格式的收敛速度最快结果误差也越大,High Resolution格式对流场的模拟结果与文献值最接近。 在以上模型基础上,进一步建立了模拟搅拌反应器内混合,氧传递及剪切等工程因素的模型,并将其应用于三层搅拌系统所形成流场的定量比较中。结果表明在所考察的三种组合中上两层为轴流桨底层为径流桨的组合混合效率最高,相反其它径流桨组合的混合过程存在分层现象,混合效率较低。体积氧传递系数的考察发现,其与桨型没有直接关系,另外不同搅拌系统的反应器内初始饱和氧浓度的值是有差别的,而且在罐体中有一个梯度分布。当菌体生长利用氧时,单位体积氧传递系数较大的搅拌系统的平衡氧浓度要高于单位体积氧传递系数小的。剪切强度的研究发现,径流桨形成的剪切力是固定的,而轴流桨则随其安装位置而有所差别,EDCF值和罐内平均剪切力都可以用来表征反应器内的流场对菌体的剪切强度。 结合计算流体力学模拟与阿维菌素发酵过程分析重点研究了阿维菌素发酵液的流变特性以及它对流场结构的影响。研究发现阿维菌素发酵液为典型的拟塑性流体,其流变特性随发酵进行而发生动态的变化,前期发酵液拟塑性越来越强到50h左右拟塑性最强,而后有所下降后期变化缓慢；CFD模拟结果显示拟塑性流体与牛顿流体形成的流场之间具有很大差异,阿维菌素发酵过程中流场内剪切强度不仅与搅拌转速有关还与通气速率及发酵液流变特性有直接的关系。 将建立的CFD模型应用于一种新型离心式搅拌反应器的几何与操作参数的优化设计中,重点研究了叶片个

数,叶片角度,导流筒长度,桨直径等对流场的影响。发现随着桨直径增大,流场中最大速度,循环流量,平均剪切力也增大,反之减小；搅拌桨导流筒长度越长,叶片个数越少循环流量也越小；叶片角度对平均剪切力的影响最大,当其为90度时所形成的平均剪切力最大,壁面剪切力的分析发现最大剪切力主要分布在三个区域：桨叶内边缘,底部圆盘内边缘及导流筒入口内边缘,搅拌桨的几何结构的变化对这种分布并不产生影响而只是影响剪切力大小。 应用CFD模拟进行大型工业搅拌发酵罐优化与改造,针对实际大型搅拌生物反应器中存在的问题运用流场模拟进行分析并提出改造方案。发现大型生物反应器中多层搅拌系统宜采用底层为气体分散能力好的径流桨,如半圆管桨,上部则采用轴流桨以增加轴向混合,同时整体功率也有所降低。对于好氧发酵中高粘度发酵液来说,必须保证底层桨对流型的绝对控制,否则可能出现气泛而引起逃液,DO水平下降等不利于发酵生产的问题。另外还运用大型集群系统对372m3超大规模发酵罐内流场进行了成功模拟。 最后针对实际工业生产中红霉素发酵与维生素B12好氧发酵放大过程的实际问题,分析了影响这两个发酵过程放大的生理及流场方面的因素,发现以OUR为调控因子的红霉素发酵放大过程所面临的设备方面的问题,结合CFD模拟分析与单参数多点测定技术研究了设备中溶氧的梯度分布,而维生素B12好氧发酵过程中氧消耗动力学的特殊性使得其具有很高的临界氧浓度,因而设备的供氧能力是限制放大的一个关键,通过CFD模拟分析对放大中设备选型提供了建议。在以上实际放大过程分析中提出了流体力学与生理模型的整合方法并对结合两者的放大技术进行了探索。