基于cfd模擬的生物反應器攪拌槳組合優(yōu)化

基于cfd模擬的生物反應器攪拌槳組合優(yōu)化

生物攪拌裝置中的液體混合過程是放大和培養(yǎng)的重要限制因素。不同的攪拌莖組合對混合過程有顯著影響。隨著學年的不同，器內(nèi)的流量性能、溶氧濃度、營養(yǎng)成分濃度以及水流能量散續(xù)性的參數(shù)也非常不同?；旌蠒r間是表征攪拌槽反應器內(nèi)流體混合過程、評定攪拌器效率的一個重要參數(shù)。Kalischewski等及Jaramilo等分別在攪拌反應器和環(huán)流反應器中研究了氧傳遞系數(shù)與混合時間的關(guān)系,結(jié)果表明對混合時間的研究能給出反應器中總體反應速率及傳質(zhì)和傳熱速率的信息。然而,實驗測定混合時間無法在不透明的罐體中進行,所測數(shù)據(jù)被限制在罐體中的個別點,所需設備價格昂貴,并且要求滿足嚴格的實驗條件。近年來,計算流體力學(CFD)方法在發(fā)酵過程研究中獲得長足發(fā)展,利用CFD方法可以方便地獲得攪拌槽內(nèi)的混合信息,節(jié)省大量的研究經(jīng)費,獲得實驗手段所不能得到的數(shù)據(jù)。作者在此利用ANSYSCFX10.0軟件強大的功能,并在其基礎(chǔ)上進行二次開發(fā),從CFD的角度模擬研究了生物攪拌反應器內(nèi)不同槳葉組合對混合過程的影響,并對大腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)丙酮酸氧化酶過程進行了模擬結(jié)果驗證研究,證實模擬與實際過程有良好的一致性。1實驗1.1槳葉組合對槳葉參數(shù)的影響生物攪拌反應器結(jié)構(gòu)如圖1所示,罐體為圓柱形(均勻分布四塊擋板)、罐底為碟形。其幾何尺寸見表1。對于雙層攪拌槳體系,不同槳葉組合下流動形態(tài)不同,因此速度分布與槳葉組合密切相關(guān),從流動場及混合時間來考慮,應該存在最佳組合。本研究模擬了兩種攪拌槳型的4種組合形式,這兩種槳型分別為六彎葉透平槳(6-Curvedbladediskturbine,6CBDT)和四寬折葉槳(4-Bladepropeller,4BP),其幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示,槳葉參數(shù)見表2。數(shù)值模擬選取4個監(jiān)測點,如圖3所示。1.2模擬方法和網(wǎng)格1.2.1k-流場模擬主要應用ANSYSCFX10.0軟件提供的各種模型進行生物攪拌反應器內(nèi)混合過程的模擬,選用多重參考系法(MFR)進行模擬,槳葉及其附近流體區(qū)采用旋轉(zhuǎn)坐標系,其它區(qū)域采用靜止坐標系。Ranade等指出對于攪拌槽式反應器的數(shù)值模擬,兩方程的標準k-ε模型是最簡單有效的湍流模型,至少在單相流的流場模擬方面與實際比較吻合。因此,假設反應器中的流動為充分發(fā)展的湍流,湍流模型采用標準的k-ε模型進行模擬。由于混合過程涉及到檢測點的標量濃度隨時間的變化情況,因而要求模擬類型設為瞬態(tài)模擬,在此選用非耦合方法進行模擬。對流動場進行模擬時,將各流動變量的收斂殘差定為10-4。由于示蹤劑的量相對于水來說很少,所以將示蹤劑的物性設定成與水相同。當流動場穩(wěn)定后,開始加入示蹤劑,根據(jù)物理坐標找到相應的示蹤劑加入點,以其為中心定義一球體,將該球體所包含的若干網(wǎng)格內(nèi)的示蹤劑初始濃度定義為1,盡量保證網(wǎng)格的總體積與實驗時所加入的示蹤劑的體積相同;將槽內(nèi)其它區(qū)域的示蹤劑初始濃度定義為0。1.2.2幾何和網(wǎng)格劃分兩個網(wǎng)格區(qū)域的界面采用非匹配的方式,即網(wǎng)格點與網(wǎng)格面并不重合,在ICEMCFD中分別將兩部分的幾何體導入,并分別完成網(wǎng)格的劃分。由于模擬中所選用攪拌槳的結(jié)構(gòu)不很規(guī)則,且ANSYSCFX10.0軟件對四面體網(wǎng)格的支持很好,其準確度并不亞于六面體,所以模型中網(wǎng)格類型均選用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)目達到非依賴性狀態(tài)。2結(jié)果與討論2.1不同槳葉結(jié)構(gòu)的混合過程CFD模擬的槳型組合分為4種:第一種為上層六彎葉,下層四寬折葉(6CBDT-4BP);第二種上下兩層都為六彎葉(6CBDT-6CBDT);第三種為上層四寬折葉,下層六彎葉(4BP-6CBDT);最后一種上下兩層都為四寬折葉(4BP-4BP)。轉(zhuǎn)速為200r·min-1條件下,標準k-ε模型模擬的攪拌槽內(nèi)速度分布情況見圖4。研究結(jié)果表明,由于此雙層攪拌槽內(nèi),兩槳間距較大,因此出現(xiàn)的流型為平行流,每個圓盤渦輪各自產(chǎn)生渦環(huán),導致槽內(nèi)出現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象。下層槳排出流體的流動受上層槳的影響明顯較小,其流動更接近于單層槳的流動,但上層槳排出流的流動依然受下層槳和液面的影響。槽內(nèi)的流動出現(xiàn)了兩個循環(huán)區(qū)域,分別對應上下兩層槳。由圖4可以看出,當六彎葉攪拌槳位于下層時,最大速度出現(xiàn)在葉片邊緣,葉片出口的水平射流撞擊槽壁后分成兩股,一股沿著槽壁向上,經(jīng)過循環(huán),再次從槳葉的上邊緣進入葉輪;另一股沿著槽壁向下,再從葉輪的下邊緣進入葉輪,完成循環(huán)。而當其位于上層時,由于向上的循環(huán)受液面干擾,因此只能看見原先一股沿著槽壁向下再從葉輪的下邊緣進入葉輪的循環(huán)。四寬折葉槳的流場有明顯的軸向速度,當其作為下層攪拌槳的時候,軸向流動范圍可以達到罐體中間位置。當其位于上層時,雖然也有較大的軸向分速度,但軸向流動范圍較小,又受到液面干擾,不如位于下層時的流型穩(wěn)定,不利于整個罐體內(nèi)的軸向循環(huán)。槽內(nèi)的混合過程與流動場密切相關(guān),兩個槳之間的子域物質(zhì)交換緩慢,將導致模擬的混合時間過長,而罐體內(nèi)較好的軸向流動,則可以使流體循環(huán)迅速,從而縮短混合時間。四種攪拌槳組合下,4個檢測點模擬所得的混合時間見圖5。由圖5可以看出,不同攪拌槳型的混合時間差異非常明顯,其中6CBDT-4BP形成的混合時間最短,與其速度場的研究結(jié)果一致,這可能是由于其底部為軸流槳,形成了明顯的軸向翻動,有助于混合均勻;而4BP-4BP的混合效率最差,這與預測中相距甚遠,這可能是由于兩層槳的間距太大(約為槳直徑的2.3倍)造成的,加之上層槳距離液面太近,造成攪拌能量大量損失,本來應該起到的軸向串聯(lián)混合作用也大幅削弱。為了更透徹地分析這四種槳組合形式的混合過程,對四種組合下的流場進行了分析。圖4(a)與(b)中,上層槳產(chǎn)生循環(huán)為順時針(從右半部分流場圖來看)方向,與下層槳產(chǎn)生的逆時針流動在兩攪拌槳之間相遇,產(chǎn)生輕微的徑向流動,但仍可看出軸向速度占優(yōu)勢;而圖4(c)與(d)中,上下兩層槳都產(chǎn)生逆時針流動,上下兩個槳葉區(qū)之間的流動方向相反,以至于在疊加時有些位置上流體的運動速度方向截然相反,由此導致中間位置處小循環(huán)的產(chǎn)生,兩層槳之間的流場略顯混亂。這導致后兩種組合的全流場軸向流動效果比前兩種組合差,混合時間也明顯延長(圖5)。而對于第一種組合,兩槳之間甚至沒有明顯的徑向流動,混合效果比第二種組合更理想?？偟膩砜?四種不同攪拌槳型組合下的混合時間有規(guī)律地依次遞增,混合效果逐漸變差。2.2發(fā)酵條件對6cbmd-4bp的影響為了進一步驗證模擬結(jié)果,選擇大腸桿菌基因重組菌DH5α/pSMLPyOD進行發(fā)酵實驗,結(jié)果見圖6。由圖6可以看出,這兩種組合的通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速差異較大,產(chǎn)酶量和生物量也略有不同。將溶氧控制在30%~40%,對于6CBDT-4BP來說,整個過程中通氣量最高維持在15L·min-1,攪拌轉(zhuǎn)速在16h達到最大(640r·min-1);而4BP-6CBDT發(fā)酵過程中需不斷增大通氣量,到14h時通氣量達到25L·min-1。攪拌轉(zhuǎn)速從3h開始增幅較大,到10h時已經(jīng)達到700r·min-1,發(fā)酵到19h時轉(zhuǎn)速已達到800r·min-1。由于發(fā)酵過程中,除攪拌和通氣量之外,其它條件基本維持在同一水平,因此,生物量和產(chǎn)酶水平差異不大。這與CFD模擬所得的這兩種不同組合的混合效果一致。3槳葉組合對攪拌反應器內(nèi)速度場的影響(1)槳葉組合對多層槳攪拌反應器系統(tǒng)內(nèi)的宏觀流場有較大的影響,而混合過程依賴于速度場的分布,因此,不同槳葉組合下的混合時間有明顯差別。(2)合適的槳葉組合有利于攪拌反應器內(nèi)速度分布,上層槳為6CBDT、