生物反應(yīng)器內(nèi)攪拌器的優(yōu)化設(shè)計

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；

2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；

3.中國通用機械工程總公司，北京 100050；4.湖南智河化工技術(shù)設(shè)備有限公司，湖南 岳陽 414000）

生物反應(yīng)器內(nèi)攪拌器的優(yōu)化設(shè)計

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；

2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；

3.中國通用機械工程總公司，北京 100050；4.湖南智河化工技術(shù)設(shè)備有限公司，湖南 岳陽 414000）

簡述了生物攪拌器的槳葉型式，利用計算流體力學軟件對發(fā)酵罐內(nèi)的流場進行了數(shù)值模擬.針對某抗菌素廠發(fā)酵罐，直徑D＝3 800 mm，液位高度H＝8 600 mm，均布4塊擋板，轉(zhuǎn)速n＝110 r／min，上層攪拌器為三層A315攪拌器，原底槳使用Rushton渦輪攪拌器，現(xiàn)改用六葉渦輪攪拌器，對其流場進行了模擬分析比較，結(jié)果顯示后者有利于罐內(nèi)發(fā)酵液的物質(zhì)交換，攪拌效果得到改善.

生物反應(yīng)器；發(fā)酵罐；攪拌器；數(shù)值模擬

0 引 言

攪拌效果好、能耗小是攪拌設(shè)備追求的目標.如何準確地得到攪拌罐內(nèi)的流場、選用何種型式的葉輪從而降低能耗是攪拌設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵.生物發(fā)酵攪拌過程中的流場是非常復(fù)雜的，往往難以達到預(yù)期的設(shè)計效果，因此如何準確模擬和描述發(fā)酵罐中的流動情況和混合過程，是生物反應(yīng)器設(shè) 計 的 難 點［1－3］.借 助 計 算 流 體 力 學 軟 件（CFD），可以為攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，彌補經(jīng)驗設(shè)計方法的不足，有助于生物反應(yīng)器的技術(shù)創(chuàng)新.

在生物發(fā)酵行業(yè)中，攪拌器的槳葉型式主要有徑向流攪拌器和軸向流攪拌器.徑向流攪拌器的特點是氣體分散能力強，結(jié)構(gòu)簡單，但功耗較大，作用范圍有限，例如Rushton渦輪（見圖1）；而軸向流攪拌器對發(fā)酵過程中的混合性能較好、功耗低，但不足之處是對氣體的分散能力較差，其代表有LIGHTNIN公司的A315攪拌器（見圖2）［4－5］.

由于現(xiàn)代發(fā)酵罐的規(guī)模不斷擴大，光靠單層槳葉或槳葉型式已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，結(jié)合兩種流型的多級、多種組合方式攪拌器孕育而生.當發(fā)酵罐底部通入氣體時，安裝在底部的徑向流攪拌器使氣體打散成小氣泡，增加氣液兩相的接觸面積；利用軸向流攪拌器混合性能好的特點，使全部液體成周期循環(huán)，大范圍的實現(xiàn)氣液混合.充分利用兩種攪拌器的優(yōu)勢，取長補短，采用多級、多種組合方式是今后大型發(fā)酵罐設(shè)計的發(fā)展方向.

圖1 Rushton渦輪攪拌器Fig.1 Rushton turbine agitator

圖2 A315攪拌器Fig.2 A315 turbine agitator

在生物發(fā)酵行業(yè)中，攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依靠經(jīng)驗.但工程實例說明，由經(jīng)驗設(shè)計出的攪拌器往往難以處于最佳工作狀態(tài).例如選用的電機功率過大，攪拌效果不佳等，因此對攪拌器的優(yōu)化設(shè)計需要更可靠的設(shè)計準則.計算流體力學（CFD）方法被引入攪拌器設(shè)計行業(yè)，其優(yōu)勢在于可以應(yīng)用數(shù)值模擬軟件描述攪拌過程，實現(xiàn)攪拌器的設(shè)計與優(yōu)化.

1 生物反應(yīng)器的基本參數(shù)和模擬方法

1.1 模擬的基本參數(shù)

某抗菌素廠的老式發(fā)酵罐，罐體及攪拌器主要參數(shù)為：發(fā)酵罐直徑D＝3 800 mm，液位高度H＝8 600 mm，攪拌器為三層A315攪拌器和Rushton渦輪（底槳），均布4塊擋板，轉(zhuǎn)速n＝110 r／min，工作介質(zhì)為發(fā)酵液（因發(fā)酵液粘度參數(shù)與水相近，模擬過程以水作為工作介質(zhì)），使用CFD軟件Fluent進行數(shù)值模擬.圖3為三維模型示意圖.

圖3 組合式攪拌器Fig.3 Schematic diagram of the bioreactor

1.2 網(wǎng)格的劃分

選取整個發(fā)酵罐的流體作為計算域，利用Gambit生成網(wǎng)格.由于發(fā)酵罐所選用的攪拌槳和擋板結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故整體網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對槳葉區(qū)的網(wǎng)格進行了加密處理，以增加計算的精度，總的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為1 231 702個.

1.3 模擬方法

發(fā)酵罐內(nèi)的流場是非常復(fù)雜的，在對攪拌反應(yīng)過程進行數(shù)值模擬時，面對的難題是流體、罐體壁面、擋板和攪拌槳所圍成的區(qū)域的形狀與流動是隨時間周期性變化的.為了解決運動的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用，許多學者提出了不同的處理方法，有“黑箱”模型法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法（MRF）、滑移網(wǎng)格法和大渦模擬法等.

MRF方法是基于穩(wěn)態(tài)流場的計算方法，它是采用旋轉(zhuǎn)坐標系和靜止坐標系兩個參考系分別進行計算，由于兩個參考系沒有重疊的區(qū)域，故不需要進行內(nèi)外迭代，從而減少了計算成本.因此本文選用MRF方法進行模擬，將計算區(qū)域分為兩個區(qū)域，槳葉及其附近流體區(qū)采用旋轉(zhuǎn)坐標系（動區(qū)域），其他區(qū)域采用靜止坐標系（靜區(qū)域）.攪拌槳處于運動流體區(qū)域，與槳葉四周的流體以同樣的轉(zhuǎn)速進行運動，因此相對于該區(qū)域內(nèi)的流體是靜止的，為此做了如下邊界定義：槳葉壁面定義為動邊界，邊界類型為壁面邊界，擋板壁面和罐體壁面定義為靜止壁面邊界條件.湍流模型選用標準k-ε模型，圖4為網(wǎng)格示意圖.

圖4 網(wǎng)格示意圖Fig.4 Grid in the bioreactor

2 Rushton渦輪攪拌器的模擬結(jié)果及分析

Rushton渦輪攪拌器是典型的徑向流攪拌器，通過模擬計算得到了圖5、圖6的流場.

圖5 垂直面液相流場Fig.5 Vector plot of velocity in vertical plane

圖6 垂直面液相速度云圖Fig.6 Contours plot of velocity in vertical plane

Rushton渦輪在結(jié)構(gòu)設(shè)計上設(shè)置了圓盤，其目的是為了防止氣體未經(jīng)分散直接從軸周圍溢出液面，由圖5、6可以看出，圓盤阻礙了上層發(fā)酵液與下層發(fā)酵液的物質(zhì)交換，槳葉處又分別形成了上下兩個自循環(huán)區(qū)，也不利于物質(zhì)交換.

另外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，Rushton渦輪攪拌器的槳葉背面會出現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動的漩渦，漩渦內(nèi)負壓較大，從空氣分布器出來的氣體立即被吸入漩渦內(nèi)，從而形成氣穴現(xiàn)象，增大了攪拌器的攪拌阻力.

3 六葉渦輪攪拌器的模擬結(jié)果及分析

現(xiàn)將發(fā)酵罐原Rushton渦輪底槳改用六葉渦輪攪拌器，該攪拌器屬開啟渦輪式攪拌器中的一種，結(jié)構(gòu)如圖7所示.以相同的參數(shù)進行數(shù)值模擬.六葉渦輪攪拌器以徑向流為主，沒有Rushton渦輪中的圓盤，有利于上下發(fā)酵液的物質(zhì)交換，獨特的槳葉形式又可以避免氣穴的形成［6－7］.

圖7 六葉渦輪（底槳）Fig.7 six-leaves turbine agitator

由圖8、圖9可以看出，在罐體上方的三層A315攪拌器屬于軸向流攪拌器，槳葉推動流體，流體的流動方向平行于攪拌軸，流體向下流動，沖擊到罐體底部時流體開始向上翻轉(zhuǎn)，再經(jīng)罐體壁循環(huán)回到液體表面，形成上下循環(huán)流.罐體底部的六葉渦輪屬于徑向流攪拌器，槳葉產(chǎn)生推動流體產(chǎn)生徑向流，徑向流在流動過程中推動周圍流體，流體撞擊到壁面擋板時，流體被分為兩部分，一部分沿擋板向上流動，一部分向下流向罐體底部.由這兩張圖可看出整個罐體流程分布呈循環(huán)流形式，若考慮實際生產(chǎn)過程中罐體底部空氣分布器產(chǎn)生的氣體經(jīng)六葉渦輪破碎后再向上擴散，上層液體也會得到很好的循環(huán)與物質(zhì)交換.

圖8 垂直面液相流場Fig.8 Vector plot of velocity in vertical plane

圖9 垂直面液相速度云圖Fig.9 Contours plot of velocity in vertical plane

圖10、11是垂直于攪拌軸橫截面上的攪拌流場的速度矢量圖，截面位置選取在距離罐體底部Z＝1 100 mm和Z＝3 200 mm（六葉渦輪和底層A315攪拌器）的位置處.圖10和圖11的對比，能夠很好的看出六葉渦輪在推動流體向四周流動的能力和作用范圍遠遠大于A315攪拌器.

圖10 Z＝1 100 mm液相流場Fig.10 Vector plot of velocity（Z＝1 100 mm）

圖11 Z＝3 200 mm液相流場Fig.11 Vector plot of velocity（Z＝2 300 mm）

4 結(jié) 語

通過CFD計算模擬實驗分析，可以看出：上層為A315攪拌器，底層為六葉渦輪攪拌器比

Rushton渦輪攪拌器的組合方式更適用于通氣情況下的攪拌操作.計算流體力學模擬分析可以為攪拌器的槳葉選型提供參考，指導(dǎo)生物攪拌反應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)和優(yōu)化.對于實際生物發(fā)酵過程，還需考慮通氣流量和溫度等因素的影響，還有待于進一步的深入研究.

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Optimization design of stirrer in bioreactor

SHU An-qing1，2，LIU Kai1，MA Chang-chun3，WEI Hua-zhong1，2，GONG Zhe4，DONG Hou-sheng1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Wuhan Research Center of Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering，Wuhan 430074，China；
3.China National General Machinery Engineering Crop.，Beijing 100050，China；
4.Hunan Chi River Chemical Equipment Co.，Ltd.，Yueyang 414000，China）

The forms of agitator blades were outlined .The flow field in the fermentation tank was simulated by using computational fluid dynamics software.There was a fermenter，diameter D＝3 800 mm，liquid height H＝8 600 mm，Speed n＝110 r／min.A315 turbine agitator was used as up impeller ＆Rushton turbine agitator was used as down impeller.The simulated data shows that the six-leaves turbine stirrer effect is more excellent than Rushton turbine agitator，and much more conducive to the exchange of substances.

bioreactor；fermenter；agitator；computational fluid dynamic（CFD）

陳小平

TQ027.2

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.017

1674－2869（2011）11－0066－04

2011－10－26

舒安慶（1964－），男，浙江寧波人，教授，碩士.研究方向：流體機械和攪拌設(shè)備的研究開發(fā)、新型高效過程裝備及仿真技術(shù)和壓力容器壓力管道.