基于计算流体力学的搅拌式生物反应器内流场环境对微生物发酵过程的影响研究

发布时间：2021-10-06 21:24

　　搅拌式生物反应器广泛应用于微生物发酵过程并占主导地位,其结构设计和过程放大始终是工业发酵过程的重点研究内容之一。本文采用计算流体力学仿真和物理实验相结合的方法,以生物搅拌式反应器为研究对象,对其混合、传质和剪切等流场特性进行研究,并将这些流场特性与微生物发酵过程相关联,以预测搅拌式生物反应器内的发酵过程,为反应器的设计和放大奠定基础。文中首先建立了以平均年龄理论为基础的混合时间模拟方法。分别考察了非结构化网格的数量、速度场计算时入口流量、Matlab后处理条件等这些因素对模拟结果的影响,得出结论:1)对于非结构化网格数量,网格数量过少时会使得能量耗散率获得的功率减小,导致获得的混合时间偏差较大,能量耗散计算的功率与扭矩计算的功率的比值需达到80%以上,模拟得到的速度场和湍流强度不会受网格的影响,由此模拟的混合时间更准确;2)入口流量需小于桨叶循环流量两个数量级,才不会使原先流场发生较大改变,流场模拟更准确;3)进行Matlab后处理时,平均年龄分组数小于12500组,会导致混合时间的模拟准确性降低。在保证以上条件的基础上,得到的混合时间与实验值基本一致。当反应器的高径比大于1.5:1,... 

【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：149 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１双层Ｋｉｉｓｈｔｏｎ桨叶形成的稳态流型１２９１??

（ｂ）?Ｗｇ＝０．７３ｃｍ／ｓ??（１）?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ?（２）?Ｅｕｌｅｒｉａｎ－Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ?（３）?Ｅｕｌｅｒｉａｎ－?Ｅｕｌｅｒｉａｎ??图１．３实验和模拟获得的气体分布１１７５１??Ｆｉｇ．?１．３?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ａｎｄ?ｓｉｍｕｌａｔｅｄ?ｓｎａｐｓｈｏｔｓ?ｏｆ?ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇ?ｂｕｂｂｌｅ?ｐｌｕｍｅ??

２．２．１搅拌式反应器速度场的ＣＦＤ模拟??此处选用Ｌｉｕ１１４１的反应器几何模型进行计算，以期建立基于非结构化网格的计算方??法。采用的是单层ＰＢＴ桨叶，如图２．２所示。反应器的内径０．２９２?ｎｉ，底部为碟形，高??径比为１：１。ＰＢＴ桨叶的离底距离Ｃ＝Ｄ，／３。桨叶的直径是罐体内径的三分之一，即Ｄ？？＝??Ｄ，／３。四块竖直挡板的宽度是内径的十二分之一。为了能够使用平均年龄理论，反应器??结构加入了小段入口和出口（图２．２）来形成流体连续流动的系统。入口为内径８?ｍｍ??的管道，离搅拌轴的径向距离是３０?出口也是个８?ｍｍ的管道，位于罐底中心。???Ｄ，??■??ｌｉ＼ｊＬ?＼ｈ??ｒ??＂，??ｃ??一４＾?１??图?２．２?奖叶和罐体尺寸。／），＝／／尸０．２９２?ｍ；?／），〃，＝?〖／＝８?ｍｍ；?ｒ＝３０?ｍｍ；?／／＝４０?ｍｍ??Ｆｉｇ．?２．２?Ｉｍｐｅｌｌｅｒ?ａｎｄ?ｔａｎｋ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ．?Ｄ，＝Ｈｉ＝０．２９２?ｍ．?Ｄｉｍ＝Ｄ，／３．?Ｃ＝Ｄｌｍ．?ｄ＝８?ｍｍ．?ｒ＝３０?ｍｍ．?ｈ＝４０?ｍｍ??运用ＰｒｏＥ?５．０和ＩＣＥＭ?ＣＦＤ?１５．０建立反应器几何和生成网格

【参考文献】：
期刊论文
[1]发酵工程技术发展现状与趋势[J]. 张嗣良.  生物产业技术. 2011(01)
[2]发展我国大规模细胞培养生物反应器装备制造业[J]. 张嗣良,张恂,唐寅,刘健.  中国生物工程杂志. 2005(07)
[3]搅拌生物反应器的结构模型、放大及搅拌器改型[J]. 赵学明.  化学反应工程与工艺. 1996(01)



本文编号：3420770