采用計(jì)算流體力學(xué)仿真優(yōu)化50 L發(fā)酵罐攪拌系統(tǒng)

羅宇笛　李嘯　石小丹

摘 要：采用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent 對(duì)50 L全自動(dòng)發(fā)酵罐內(nèi)不同兩層槳葉組合的攪拌效果進(jìn)行氣液兩相流模擬。針對(duì)發(fā)酵罐模擬了4種槳葉組合，對(duì)比分析4種組合的速度云圖，剪切速率云圖以及氣含率分布云圖，以此優(yōu)化出一種攪拌效果較好的槳型組合。根據(jù)模擬結(jié)果，初步判斷組合B的混合效果最好；試驗(yàn)驗(yàn)證組合B的酶活達(dá)到193.20 U·mL-1，與原始組合相比，提高了1.1倍。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；50 L發(fā)酵罐；槳葉組合優(yōu)化；網(wǎng)格劃分

中圖分類號(hào)：S817.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.012

發(fā)酵罐是工業(yè)上用來進(jìn)行微生物發(fā)酵的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于飲料、化工、食品、乳品、佐料、釀酒、制藥等行業(yè)。設(shè)計(jì)成熟的發(fā)酵罐物料與能量傳遞性能強(qiáng)，有利于發(fā)酵生產(chǎn)及降低能耗[1]。按照設(shè)備的類別，發(fā)酵罐可分為機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐和非機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，其中，機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐在工業(yè)上使用較多。通常，此類發(fā)酵罐的高徑比大于1，罐內(nèi)會(huì)裝備多層攪拌葉輪，以求達(dá)到較均勻的傳質(zhì)混合效果和較好的氣含率[2-5]。

傳統(tǒng)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)主要依靠實(shí)際發(fā)酵過程中所積累的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)研究手段存在投資大、周期長、測(cè)量困難、效果差等缺點(diǎn)[6]。因此，尋找一種能夠節(jié)約成本、縮短開發(fā)周期的研究方法顯得尤為重要。近年來，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的理論與方法，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬的技術(shù)在發(fā)酵罐設(shè)計(jì)方面應(yīng)用廣泛，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)發(fā)展迅速[7-8]。

目前，利用計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)軟件對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)流場的研究多集中在6直葉圓盤渦輪槳、半圓管圓盤渦輪槳等徑流槳，且絕大多數(shù)情況下只是對(duì)一種槳葉的兩層組合甚至單層槳葉進(jìn)行研究[9]。本研究對(duì)50 L全自動(dòng)發(fā)酵罐設(shè)計(jì)了4種不同的2層槳葉組合，并采用CFD軟件Fluent模擬氣液兩相流。通過綜合分析計(jì)算結(jié)果，得出最優(yōu)的兩層攪拌器組合。

1 構(gòu)建模型及設(shè)計(jì)攪拌器組合

1.1 發(fā)酵罐初步建模

需要建模的生物反應(yīng)器為國強(qiáng)牌FUS-50L（A）發(fā)酵罐，攪拌器的類型有6直葉圓盤渦輪槳、半圓管圓盤渦輪槳以及四寬折葉軸流槳3種，所建模型見圖1～2，具體參數(shù)如表1所示。

1.2 槳葉組合設(shè)計(jì)

底部槳葉是決定氣液分散效果的關(guān)鍵[10]。本文所模擬的槳葉組合有4種，如圖3所示。

1.3 模擬工況條件

模擬物料參數(shù)：見表2。

模擬工況條件：通氣量 1. 2 vvm，攪拌轉(zhuǎn)速為 200 r·min-1。

2 CFD構(gòu)建模型及仿真計(jì)算

2.1 控制方程

CFD模擬氣液兩相流動(dòng)的方法基于Navier-Stokes 方程建立，該方程是流體力學(xué)中描述黏性牛頓流體的方程，能展示出液體的黏度。納維—斯托克斯方程描述作用于液體任意給定區(qū)域的力的動(dòng)態(tài)平衡。方程介紹見文獻(xiàn)[5]。

2.2 模型建立、簡化及網(wǎng)格劃分

發(fā)酵罐模型建立首先在軟件CAD 2010上完成，并且可以成功導(dǎo)入到Fluent的前處理軟件Gambit中；然后，在Gambit 2.4.6上修改簡化模型，比如去掉探頭和電極，以達(dá)到適合模擬計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)；最后，選取整個(gè)罐體及內(nèi)部流體為研究對(duì)象，合理分為槳葉區(qū)域和罐體區(qū)域，在專業(yè)的CAE前處理軟件ICEM CFD中采取罐體區(qū)域劃分高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（六面體），攪拌器區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（四面體、三棱柱與金字塔混合），并充分考慮到網(wǎng)格敏感度[3]及計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能，經(jīng)過多次試驗(yàn)計(jì)算，最終確定網(wǎng)格總數(shù)量約為176萬。

2.3 模擬方法與邊界條件

模擬通氣攪拌反應(yīng)器的一大難題是如何處理好運(yùn)動(dòng)區(qū)域（攪拌槳葉和攪拌軸）與靜止區(qū)域（擋板和壁面等）之間的相互作用[6]。多重參考系法（Multi-reference frame，MRF）是一種經(jīng)典的處理方法， 采用兩種不同的參考系分別計(jì)算，槳葉區(qū)域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系，具有計(jì)算量小、計(jì)算速度較快的特點(diǎn)[7]。同時(shí)，選擇Eulerian-Eulerian 模型作為多相流模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流模型。第二相為空氣，設(shè)置氣泡粒徑為10-5 m。

邊界條件中，將罐頂?shù)囊好嬖O(shè)置為壓力出口（Pressure outlet），空氣分布器的進(jìn)氣橫截面設(shè)置為速度入口（Velocity inlet），罐體內(nèi)壁、擋板、攪拌軸和槳葉全部設(shè)置為無滑移壁面（No slip wall）。

3 結(jié)果與分析

3.1 4種槳葉組合速度云圖的比較

圖4為在1.2 vvm，200 r·min-1工況下4種槳葉組合的速度云圖。從圖4中不難看出，4種槳葉組合的槳葉葉端皆為高速區(qū)域。并且，各種槳葉組合都有或大或小的液相死區(qū)，組合A與組合C死區(qū)較大，組合B與組合D死區(qū)較小。

另外，組合A和組合B的特征為在兩層槳葉之間的速度分布均勻，但罐頂與罐底的情況較差，頂部尤為明顯；組合C和組合D的特征為罐頂部分速度分布略強(qiáng)于組合A及組合B，但罐體中部區(qū)域的速度控制卻有所下降。經(jīng)過初步分析及推論，造成區(qū)別的原因?yàn)?直葉圓盤渦輪槳與四寬折葉軸流槳的造型特征不同。

3.2 4種槳葉組合剪切速率的比較

圖5為1.2 vvm，200 r·min-1工況下4種槳葉組合的剪切速率圖。通過觀察并與圖4比較不難發(fā)現(xiàn)，剪切速率的分布情況與速度云圖有一定的相關(guān)性，即4種槳葉組合葉端位置都存在最大剪切速率，組合B的剪切速率在4種槳葉組合中最大。需要一提的是，空氣分布器附近的剪切速率也不小，也間接說明了通氣對(duì)整個(gè)流場的影響。

3.3 4種槳葉組合氣含率分布的比較

氣含率是衡量發(fā)酵罐設(shè)計(jì)質(zhì)量的一大指標(biāo)。在發(fā)酵過程中，絕大多數(shù)微生物培養(yǎng)都要通入無菌空氣進(jìn)行好氧發(fā)酵；相對(duì)的厭氧發(fā)酵也有連續(xù)性或者間歇性通入氮?dú)獾陌l(fā)酵案例。通氣不僅是給微生物培養(yǎng)提供必要的生理?xiàng)l件，而且對(duì)發(fā)酵罐的流場也有一定的影響，能提高罐內(nèi)的混合效果，從而影響發(fā)酵生產(chǎn)。

從圖6中可以看出，4種槳葉組合的氣含率分布都有各自的特點(diǎn)。

組合A在兩個(gè)槳葉之間的區(qū)域，氣含率分布較好，但是罐頂區(qū)域及罐底區(qū)域分布較差，原因可能是6直葉圓盤渦輪槳的徑向作用能力較強(qiáng)，軸向作用能力較弱；組合B的氣含率分布與組合A相似，但是罐底區(qū)域的分布較好，充分說明了半圓管圓盤渦輪槳不僅徑向作用強(qiáng)，而且有不錯(cuò)的軸向混合效果[11]；組合C在罐頂部分區(qū)域的分布較好，兩個(gè)槳葉之間的區(qū)域混合不足，也是由于四寬折葉軸流槳的構(gòu)造所決定的；組合D較組合C罐底分布有所改善，罐頂及兩槳葉之間區(qū)域氣含率分布有所降低，說明不同槳葉組合相互會(huì)產(chǎn)生影響，從而影響整個(gè)流場的情況。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過以上分析綜合評(píng)測(cè)4種槳葉組合的混合能力，初步判斷組合B的作用效果最好。以重組大腸桿菌產(chǎn)α-環(huán)狀葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶實(shí)際發(fā)酵試驗(yàn)對(duì)4種槳型組合進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明，組合B的菌體生長情況以及酶活都要高于組合A（原始槳葉）：組合B的酶活達(dá)到193.20 U·mL-1；組合A的酶活達(dá)到175.64 U·mL-1。組合C與組合D的發(fā)酵情況并不樂觀，不如組合A的發(fā)酵效果，因此具體數(shù)據(jù)不在這里給出。

另外需要一提的是，由于組合C與組合D的上層槳葉具有較強(qiáng)的軸向作用，而罐體的中部又沒有相對(duì)較強(qiáng)的徑向作用，因此在發(fā)酵過程中產(chǎn)生了大量氣泡，氣泡較組合AB多出3倍以上。此現(xiàn)象給隨后的研究提供了參考。

4 結(jié) 論

（1） 通氣不僅能給微生物培養(yǎng)提供必要的生理?xiàng)l件，而且對(duì)發(fā)酵罐的流場也有一定的作用，能改善罐內(nèi)的傳質(zhì)情況，促進(jìn)發(fā)酵生產(chǎn)。

（2）不同槳葉組合可產(chǎn)生不同流場，并且會(huì)產(chǎn)生或大或小的液相死區(qū)。不同的槳葉類型、組合、安裝位置、通氣條件等會(huì)產(chǎn)生不同位置和大小的液相死區(qū)。

（3）兩層槳葉組合對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的流場控制稍顯不足，還是要通過建立三層槳葉甚至四層槳葉的組合來提高發(fā)酵罐的整體性能。

（4） 經(jīng)實(shí)際發(fā)酵驗(yàn)證后，組合B的酶活為組合A的1.1倍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張永震. 攪拌釜式生物反應(yīng)器的計(jì)算流體力學(xué)模擬[D]. 天津：天津大學(xué)， 2005.

[2] Li X， Zhang J， Tan Y L， et al. Effects of flow field on the metabolic characteristics of Streptomyces lincolnensis in the industrial fermentation of lincomycin[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering， 2013， 115（1）： 27-31.

[3] Ricardo G A D， Ralf T. Modeling of gas-liquid mass transfer in a stirred tank bioreactor agitated by a Rushton turbine or a new pitched blade impeller[J]. Bioprocess Biosyst Eng， 2014， 37： 365-375.

[4] 夏建業(yè)， 張嗣良， 唐寅. 不同攪拌系統(tǒng)氣液氧傳遞的計(jì)算流體力學(xué)模擬[J]. 化學(xué)工程， 2009（8）： 28-31.

[5] 王立成. 帶導(dǎo)流筒攪拌槽中液—固—固三相流場的實(shí)驗(yàn)與模擬研究[D]. 天津：天津大學(xué)， 2010.

[6] 王永紅， 夏建業(yè)， 唐寅， 等. 生物反應(yīng)器及其研究技術(shù)進(jìn)展[J]. 生物加工過程， 2013（2）： 14-23.

[7] 胡效東， 田強(qiáng)， 戚振，等. 基于滑移網(wǎng)格的反應(yīng)釜內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)特性研究[J]. 壓力容器， 2013（7）： 30-38，55.

[8] 張雪雯. 攪拌器結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌槽內(nèi)氣液分散特性影響的數(shù)值模擬[D]. 北京：北京化工大學(xué)， 2010.

[9] 倪偉佳. 不同攪拌槳葉組合條件下的CFD數(shù)值模擬及頭孢菌素C發(fā)酵性能比較[D]. 無錫：江南大學(xué)， 2012.

[10] 徐健， 劉孝光， 潘培道. 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐內(nèi)氣液兩相流的仿真模擬[J]. 包裝與食品機(jī)械， 2006（6）： 10-13.

[11] 張雪雯， 李志鵬， 高正明. 雙層半圓管盤式渦輪槳攪拌槽氣液分散特性的數(shù)值模擬[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2011（2）： 1-6.