谷氨酸發(fā)酵罐內(nèi)部氣液流場特性研究

戚 振*

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 引言

作為氨基酸的一種，谷氨酸呈酸性，是生物體內(nèi)的重要組成部分，可促進新陳代謝。谷氨酸廣泛應用于化妝品和制藥等行業(yè)，科研人員加大了對其研究和開發(fā)力度，而谷氨酸的發(fā)酵制造過程決定了谷氨酸產(chǎn)品的質(zhì)量，所以對谷氨酸發(fā)酵罐內(nèi)部氣液流場的特性進行研究是非常有必要的。國內(nèi)大型加工廠一般采用機械攪拌式的通風發(fā)酵罐[1]來處理谷氨酸鈉，罐體容積為50～200 m3。罐體內(nèi)谷氨酸的發(fā)酵過程可通過人工控制，但人工控制方式具有滯后性，不能及時收集罐體內(nèi)各種參數(shù)信息的變化情況，影響酸化的穩(wěn)定性。谷氨酸的發(fā)酵過程需要無菌空氣不斷流動，所以設備中還具有供氣和過濾滅菌系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)包括高空采集塔、冷凝器等裝置，高空采集塔收集空中的清潔空氣，使其在壓縮機的作用下進入冷凝器和油水分離器進行兩級處理，然后進入儲氣罐，再由過濾器與纖維過濾器滅菌并送至發(fā)酵罐。通風發(fā)酵罐也稱為需氧發(fā)酵罐[2]，罐內(nèi)微生物生長時需要氧氣，所以必須保證罐內(nèi)有充足的氧氣且氣體流通順暢。發(fā)酵液體與氣泡接觸面積越大，液體中氧的溶解速率就越快[3]。通風發(fā)酵罐包括機械式攪拌發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐。

實際生產(chǎn)過程中大多采用機械式攪拌發(fā)酵罐，為了保證罐內(nèi)發(fā)酵質(zhì)量，應提高氣體的混合度，可以采用軸向和徑向流槳混合的方式來實現(xiàn)。在目前的研究中，蘭蔚[4]在100 m3容積的發(fā)酵罐內(nèi)設置了兩層不同方式的攪拌槳，第一層為拋物線式攪拌槳，第二層為窄三葉旋槳式攪拌槳，將該混合攪拌槳運用在實際生產(chǎn)過程后，攪拌效果明顯，能很好地滿足生產(chǎn)需要，降低了生產(chǎn)能耗，縮短了生產(chǎn)周期。官調(diào)生[5]等著重對發(fā)酵罐的攪拌裝置的組合進行了研究，其上層采用旋槳式攪拌槳，下層采用渦輪式攪拌槳，可以提高罐體內(nèi)氣體的流動速率，節(jié)能效果明顯。

1 發(fā)酵罐計算模型的建立

1.1 三維模型的建立

發(fā)酵罐的三維模型如圖1 所示，發(fā)酵罐共有4 層，第1 層采用圓盤渦輪式攪拌槳，第2，3 層采用翼型軸流式攪拌槳，最上層采用消泡器，消泡器的作用是消除發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣泡，保證空氣循環(huán)流動。發(fā)酵罐內(nèi)壁周圍均勻排放16 個由圓管組成的擋板，該擋板具有換熱作用，還能防止液體攪拌時打旋。發(fā)酵罐內(nèi)徑為4 000 mm，短半徑為1 040 mm，直邊段長為40 mm，封頭為標準的橢圓形，上封頭上具有尺寸為150 mm 的出氣孔。發(fā)酵罐最底端是氣體分布器，共包含8 個孔徑為150 mm 的小孔，罐內(nèi)液體最大高度為10 280 mm。

圖1 發(fā)酵罐計算模型

1.2 CFD模擬方案

采用數(shù)值模擬法對罐體內(nèi)部氣液流場特性進行研究，分析發(fā)酵從初始階段到穩(wěn)定階段罐內(nèi)氣液轉(zhuǎn)化的過程中，罐內(nèi)氣體含量的分布情況，該研究結(jié)果可為現(xiàn)場發(fā)酵罐的研制和優(yōu)化提供理論依據(jù)[6]。

對發(fā)酵罐體內(nèi)部氣液流場特性進行研究，在軟件中模擬罐內(nèi)氣體的總體含量和分布情況，設置氣泡的尺寸及分布情況，并根據(jù)流場條件進行分析。理論依據(jù)主要為連續(xù)介質(zhì)方程，動量方程，Euler-Euler兩相流模型（該模型包含多個動量方程以及連續(xù)性方程來求解相，而且將壓力項和界面交換系數(shù)耦合），群體平衡模型和RNGk-ε 模型[7]。

本文的研究基礎是液體，由于發(fā)酵罐內(nèi)結(jié)構(gòu)較為復雜，工況多變，所以湍流模型分析時選用RNGk-ε模型，利用群體平衡模型來模擬氣體的氣泡尺寸和分布情況。

1.3 網(wǎng)格劃分

采用GAMBIT 軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，模型本身為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以采用混合網(wǎng)格進行劃分，混合網(wǎng)格由四面體和六面體單元組成?；旌暇W(wǎng)格技術(shù)可以很好地解決復雜區(qū)域的網(wǎng)格劃分問題，可將復雜區(qū)域劃分成幾個小塊，每個小塊單獨進行網(wǎng)格劃分，塊和塊之間可進行連接。利用混合網(wǎng)格技術(shù)簡化了復雜區(qū)域的求解過程，提高了網(wǎng)格的劃分質(zhì)量。發(fā)酵罐內(nèi)部流場復雜，網(wǎng)格劃分情況決定了計算的精度和效率。其整體采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進行劃分，底部通氣孔區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進行劃分，先將發(fā)酵罐模型分成19 個區(qū)域體，用四面體網(wǎng)格劃分擋板、氣體分布器、攪拌槳、消泡器及上下橢圓封頭，其余部分用六面體網(wǎng)格進行劃分。劃分網(wǎng)格完畢后經(jīng)統(tǒng)計可知，共具有5 407 718 個網(wǎng)格，質(zhì)量最差為0.954 254， 0.9 以上的網(wǎng)格有141 個，如圖2 所示。

1.4 參數(shù)以及邊界條件設置

在發(fā)酵罐的模擬計算中，為保證計算結(jié)果的精度，要合理的設置其邊界條件，出氣口設為Degassing 邊界，攪拌軸和槳葉設置為Moving wall，速度入口為進氣口。初始速度設為2.56 m/s ，轉(zhuǎn)速為120 r/min 。采用壓力耦合數(shù)值算法，用一階迎風格式表示壓力、動能、體積比等參數(shù)，用非穩(wěn)態(tài)求解器進行運算。

圖2 網(wǎng)格視圖

2 結(jié)果與討論

2.1 谷氨酸發(fā)酵罐內(nèi)部流場分析

罐內(nèi)不同時刻的流場分布情況如圖3 所示，攪拌槳附近液體速率較大，攪拌軸附近速率較小，在流型方面，兩層翼型軸流式攪拌槳產(chǎn)生軸向流，下方圓盤渦輪式攪拌槳產(chǎn)生徑向流，從圖3 中可以明顯看出，槳葉附近處液體速率較大。兩層翼型軸流式攪拌槳主要使液體產(chǎn)生軸向流動，下方圓盤渦輪式攪拌槳主要使液體產(chǎn)生徑向流動。其中下方圓盤渦輪攪拌槳帶動液體做徑向流動時，液體碰到發(fā)酵罐內(nèi)壁并與其產(chǎn)生碰撞，液體流動方向隨之發(fā)生變化，分成兩個支流。向上流動的液體受上層攪拌槳的影響參與到其產(chǎn)生的軸向流運動中，而向下流動的液體與發(fā)酵罐底部相碰撞后又繼續(xù)回到其徑向流動中。

在10 s 時，攪拌槳附近形成高速區(qū)域，擋板處形成部分高速區(qū)域，此時槳葉在很大程度上決定了液體速率分布情況，軸流式和徑流式槳分別產(chǎn)生軸向流和徑向流。

在212 s 時，液體速率不僅受到槳葉作用影響，還受到擋板和罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，速率傳遞區(qū)域較大時，氣泡會對液體速率產(chǎn)生影響，氣體分布器上方液體速率變化明顯，氣泡的向上運動會補充流場的速度。從圖3 中還可以發(fā)現(xiàn)，速率死區(qū)變大，這是因為流場穩(wěn)定后，原來速率死區(qū)周圍的流場不再受到?jīng)_擊，速率減小的區(qū)域變大，形成了更大的速率死區(qū)。

圖3 不同時刻流場分布圖

在400 s 時，液體的速度場達到穩(wěn)定狀態(tài)。最底層的圓盤渦輪式攪拌槳不斷產(chǎn)生向四周擴散的流體，促進各個區(qū)域流體流動。在兩層軸流式攪拌槳作用下，流體產(chǎn)生向下的軸向流，與最底層的圓盤渦輪式攪拌槳產(chǎn)生的氣體混在一起，形成穩(wěn)定的循環(huán)流。

2.2 谷氨酸發(fā)酵罐內(nèi)氣液兩相分布變化

罐內(nèi)氣液兩相分布情況如圖4 所示。圖4 a）所示為發(fā)酵罐內(nèi)氣體和液體的初始狀態(tài)，需保證罐內(nèi)氣體含量充分，分布均勻，可滿足微生物生長發(fā)酵的需要。所以，要合理選擇槳葉的形狀，槳葉應能夠及時打破罐內(nèi)的氣泡，從而增大氣體和液體的接觸面積。底層攪拌槳的形狀為圓盤形，該攪拌槳能夠?qū)臍怏w分布器中出來的氣體及時離散到槳葉區(qū)域，圓盤狀的攪拌槳可抑制氣泡向上運動或直接將大氣泡打碎成小氣泡，增加氣泡在罐內(nèi)的停留時間，便于上一層的翼型軸流式攪拌槳繼續(xù)打破氣泡，增大氣體的體積，提高罐內(nèi)總體的含氣率。整體含氣率是描述液體和氣體所占比率的重要參數(shù)指標，也可以反映出氣泡粒徑的大小和局部含氣率的變化情況。

在10 s 時，氣體分布器上的小孔可以將氧氣吸入到罐體內(nèi)部，氣體在圓盤渦輪攪拌槳旋轉(zhuǎn)離散的作用下向四周擴散到罐體內(nèi)壁，由于下方空氣不斷進入，下方氣體密度相對較大，所以擴散到內(nèi)壁的氣體會沿內(nèi)壁向上運動。所以，擋板附近氣體含量較高，達到10%，同樣，氣體分布器附近氣體的含量也高達10%。

如圖4 b）所示，在212 s 時，罐內(nèi)氣體分布均勻，圓盤渦輪式攪拌槳附近氧含量較低，這是因為進入罐體內(nèi)部的氧氣在浮力作用下沿著罐體內(nèi)壁上升，所以罐體上部氧氣含量較高。擋板處氧氣含量同樣會升高，這是因為擋板限制了一部分擋板附近氧氣運動。而在三層槳葉附近的液體中氧氣含量都較低，這是因為槳葉旋轉(zhuǎn)帶動空氣轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生流體離心力，氣體會離開原來的位置向四周擴散，直到碰壁。槳葉上下氣體含量較為均勻，約為3%。

如圖4 c）所示，經(jīng)過400 s 后，罐體內(nèi)部流場趨于穩(wěn)定，各位置處氣體含量穩(wěn)定，達到動平衡狀態(tài)。在發(fā)酵罐內(nèi)，氧氣含量最高區(qū)域是氣體分布器出口處，其氧氣的含量最高可達8.3%，氧氣含量最低的區(qū)域為槳葉周圍，其含量在85%，擋板處氧氣的含量居中，高于槳葉處氧氣含量，其值為15% 。Fluent軟件的優(yōu)點還包括可記錄初始和結(jié)束時刻的液位值，根據(jù)液位差可算出體積差率，從而得到發(fā)酵罐內(nèi)整體氣含率，其計算值為2.22%。

3 結(jié)論

本文利用Pro/E 三維軟件建立了谷氨酸發(fā)酵罐的三維模型，采用數(shù)值模擬方法對谷氨酸發(fā)酵罐內(nèi)部流場的特性進行了分析，研究了初始時刻（10 s）、中間時刻（212 s）和穩(wěn)態(tài)時刻（400 s）內(nèi)部氣體流動以及含氣量的變化情況。最終達到穩(wěn)態(tài)時刻時，發(fā)酵罐內(nèi)氣體含量為2.22 %，含氣量較高，可以很好為罐內(nèi)微生物的發(fā)酵提供氧氣，此時罐內(nèi)氧氣分布均勻，氣體分布器和擋板附近含氧量較高。