基于CFD技術(shù)優(yōu)化50 L發(fā)酵罐內(nèi)氣體分布器

張小龍 ，李 嘯 ，，葉 晗 ，羅宇笛 ，肖澤濤 ，裴宇鵬

（1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院 中國輕工業(yè)酵母功能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443003；2.安琪酵母股份有限公司，湖北 宜昌 443003）

機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐廣泛應(yīng)用于發(fā)酵工程領(lǐng)域，需要不斷的向發(fā)酵罐內(nèi)通入空氣，以滿足微生物生長代謝的需要。通過攪拌槳的機(jī)械攪拌作用，打散從氣體分布器進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣和引起罐中發(fā)酵液的循環(huán)運(yùn)動(dòng)來促進(jìn)整個(gè)發(fā)酵罐中的混合和傳質(zhì)[1]。然而發(fā)酵罐中流體的混合過程和混合程度會(huì)直接影響發(fā)酵液各處的流體力學(xué)性能、營養(yǎng)物質(zhì)濃度和溶氧濃度，是發(fā)酵優(yōu)化中的一個(gè)關(guān)鍵限制因素。因此研究罐內(nèi)的流場(chǎng)的對(duì)發(fā)酵優(yōu)化具有重要的意義[2]。

發(fā)酵罐的優(yōu)化與放大主要通過兩種途徑：依靠實(shí)際發(fā)酵過程累積的經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)手段；另一種則是通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法來進(jìn)行指導(dǎo)[3]。如今，更多學(xué)者通過計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)的相關(guān)研究。研究內(nèi)容主要集中在發(fā)酵罐中氣液兩相的流動(dòng)情況的探究[5]；不同規(guī)格攪拌漿及槳葉組合對(duì)流場(chǎng)的影響[6]；以及氣液分散特性和傳質(zhì)的研究[7]。而目前關(guān)于氣體分布器對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)影響的研究相對(duì)較少。本文通過計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)50 L發(fā)酵罐內(nèi)3種不同形式的氣體分布器的流場(chǎng)進(jìn)行探究。

1 發(fā)酵罐模型及氣體分布器

1.1 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)

本文采用的發(fā)酵罐為國強(qiáng)牌FUS-50 L發(fā)酵罐，上層槳為六直葉圓盤渦輪槳，下層槳為半圓管圓盤渦輪槳。

1.2 氣體分布器

如圖1所示，方案一所對(duì)應(yīng)的是原始?xì)怏w分布器為單孔管，出氣方向向下。方案二和方案三是兩種改進(jìn)的氣體分布器，其中方案二所對(duì)應(yīng)的氣體分布器為單層環(huán)形管，出氣方向向上。方案三所對(duì)應(yīng)的氣體分布器為雙層環(huán)形管，出氣方向向上。

1.3 工況條件

工況條件：通氣量1.2 vvm，攪拌槳轉(zhuǎn)速400 r/min。模擬物料相關(guān)參數(shù)：液相（發(fā)酵液）密度1 032 kg/m3，黏度2.225×10-3kg/ms；氣相（空氣）密度 1.225 kg/m3，黏度 0.018×10-3kg/ms。

2 CFD數(shù)值模擬和模擬方法

2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

進(jìn)行發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)分析，首先需要建立發(fā)酵罐的準(zhǔn)確三維模型，本研究選取發(fā)酵罐中的整個(gè)流體作為計(jì)算域，采用Gambit2.4.6建立三維模型。然后將所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需要注意的是由于攪拌槳和氣體分布器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性考察，最優(yōu)的網(wǎng)格確定約270×104。

2.2 模擬方法

在進(jìn)行通氣發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬時(shí)，由于罐體壁面、擋板是靜止的，而攪拌槳及攪拌槳附近區(qū)域是高速旋轉(zhuǎn)的，這是對(duì)罐中流場(chǎng)數(shù)值模擬中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，許多學(xué)者提出有“黑箱”模型法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法（MRF）、滑移網(wǎng)格法、大渦模擬法等建模方法等。本研究選用MRF方法進(jìn)行數(shù)值模擬，將整個(gè)計(jì)算域劃分為運(yùn)動(dòng)域和靜止域。漿葉區(qū)及附近流體運(yùn)動(dòng)域?yàn)閯?dòng)區(qū)域，動(dòng)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定為y軸負(fù)方向，其他區(qū)域?yàn)殪o止域。采用Eulerian-ulerian模型進(jìn)行氣液雙相流模擬，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。在攪拌流場(chǎng)的計(jì)算方法中，本文采用應(yīng)用比較廣泛的SIMPLE算法進(jìn)行求解。模擬類型選取瞬態(tài)模擬。

2.3 邊界條件和收斂標(biāo)準(zhǔn)

邊界條件包括流動(dòng)變量和熱變量在邊界處的具體值，邊界條件的選擇和確定也是數(shù)值計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)。本模擬過程中空氣進(jìn)口邊界條件取為速度進(jìn)口，罐壁和擋板定義為無滑移壁面邊界；罐頂?shù)囊好嬖O(shè)定為壓力出口，將各流動(dòng)變量的收斂殘差定為10-5。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種氣體分布器流場(chǎng)矢量圖

速度矢量圖是表征發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)的基本方式之一，我們可以通過矢量圖直觀了解流場(chǎng)的流型及其他一些特征。如圖2所示，3種方案中的流體都經(jīng)攪拌槳泵向罐壁，然后沿著罐壁軸向流動(dòng)，在每層攪拌槳周圍都形成一個(gè)明顯的軸向循環(huán)。在方案1中，在發(fā)酵罐底部，由單孔于向下進(jìn)氣，液體的徑向循環(huán)十分弱。在方案2中，采用單層向上氣體分布器，在發(fā)酵罐底部，徑向流動(dòng)作用明顯加強(qiáng)，湍動(dòng)劇烈。但是同方案1一樣，在發(fā)酵罐上部都存在流動(dòng)作用比較弱的現(xiàn)象。在方案3中，采用雙層向上氣體分布器，既能像方案2，加強(qiáng)發(fā)酵罐底部的湍動(dòng)作用，也在上層氣體分布器的進(jìn)氣作用下，促進(jìn)發(fā)酵罐上部液體的徑向循環(huán)作用。明顯的增強(qiáng)發(fā)酵罐中的混合傳質(zhì)作用，對(duì)發(fā)酵體系中菌體的生長代謝十分有利。

3.2 3種氣體分布器氣含率云圖

氣含率是發(fā)酵罐中氣相所占的體積分率，對(duì)于評(píng)判反應(yīng)器內(nèi)的流型、氣液混合等流體力學(xué)參數(shù)具有重要影響。由圖3可知，方案1中發(fā)酵罐內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)分布很不均勻，罐頂氣體體積分?jǐn)?shù)較低，罐底也由于單孔向下出氣，也存在氣體體積分?jǐn)?shù)較低的現(xiàn)象。而方案2中，在罐內(nèi)氣體的分布相對(duì)于方案1有了顯著的提升，明顯消除了罐底氣含率較底的現(xiàn)象，同時(shí)在罐頂部罐壁附近的氣含率也有所增加。在方案3中，發(fā)酵罐內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)分布明顯相對(duì)均勻，尤其很大程度的增大了發(fā)酵罐頂部氣含率。由此可以明確的看出，氣體分布器的類型對(duì)于降低或消除氣體分布的死區(qū)具有重要的指導(dǎo)意義。

3.3 3種氣體分布器速度云圖

發(fā)酵罐中流體的運(yùn)動(dòng)情況會(huì)直接影響發(fā)酵液各處的流體力學(xué)性能、營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的分布均勻程度，是發(fā)酵優(yōu)化中的一個(gè)關(guān)鍵因素。由圖4可知，3種方案都存在或大或小的液相死區(qū)，這主要是由于上層槳葉對(duì)流體的作用，使流場(chǎng)循環(huán)很難達(dá)到發(fā)酵液頂部，因此在液面附近的混合效果較差。而在方案3中由于雙層氣體分布器通氣，液面附近的混合效果明顯提高。同時(shí)可以明顯的可以看到，方案3中整個(gè)發(fā)酵罐中流體激烈翻動(dòng)，而方案2整個(gè)中的流體翻動(dòng)激流程度就次之，方案3中的流體翻動(dòng)激烈程度是最弱的。通氣不僅是給微生物生長代謝提供必要的生理?xiàng)l件，而且對(duì)發(fā)酵罐的流場(chǎng)也具有一定的影響。

4 結(jié)論

采用不同形式氣體分布器通氣，不同的氣液相互作用將會(huì)對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的會(huì)流場(chǎng)產(chǎn)生極大的影響，進(jìn)而影響實(shí)際的發(fā)酵效果。采用單孔管氣體分布器和單層環(huán)形氣體分布器時(shí)，由于上層攪拌漿的攪拌作用，會(huì)對(duì)造成發(fā)酵罐頂?shù)娜苎醴植紭O低和流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變?nèi)醯默F(xiàn)象。

單孔管氣體分布器在溶氧分布和混合傳質(zhì)過程中效果比較差；利用CFD模擬設(shè)計(jì)，單孔氣體分布器的基礎(chǔ)上構(gòu)建了單層環(huán)形和雙層環(huán)形氣體分布器，結(jié)果表明，雙層環(huán)形氣體分布器的溶氧分布和混合傳質(zhì)過程中效果比較好，為氣體發(fā)酵罐中氣體分布器設(shè)計(jì)以及發(fā)酵罐的優(yōu)化與放大提供重要的指導(dǎo)意義。