機械攪拌生物反應(yīng)器中攪拌速度對流場的影響

機械攪拌生物反應(yīng)器中攪拌速度對流場的影響

計算流動態(tài)（rcd）是通過計算機值計算和顯示圖像，分析包含流動態(tài)流動和相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)的流動態(tài)變化。CFD已在很多專業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,從化工行業(yè)到飛機制造業(yè),從汽車工業(yè)到環(huán)境科學(xué),都有成功應(yīng)用CFD的例子,其還可以應(yīng)用在食品工業(yè)中。但是關(guān)于CFD在生物反應(yīng)器方面應(yīng)用的研究報道很少。Mixsim是Fluent公司開發(fā)的模擬攪拌流動的CFD軟件,是應(yīng)用在攪拌容器中流體動力學(xué)模擬的分析工具,使用者能快速得到攪拌容器的計算模型,并且迅速的得到混合特性,使用Mixsim軟件能夠?qū)⒘黧w流動現(xiàn)象及化學(xué)反應(yīng)可視化,提供工程人員整體性定量報告。生物攪拌反應(yīng)器以其操作簡單、不容易染菌等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于微生物發(fā)酵中。有些微生物對反應(yīng)器內(nèi)的剪切力大小、空氣體積分數(shù)及混合狀況等因素非常敏感,而這些因素都與攪拌有關(guān)。人們?yōu)榱嗣鞔_這些因素與攪拌反應(yīng)器的尺寸參數(shù),及攪拌反應(yīng)器操作參數(shù)(轉(zhuǎn)速、通氣速率等)的關(guān)系,從工程的角度對這些因素進行經(jīng)驗關(guān)聯(lián),并希望以此來指導(dǎo)微生物發(fā)酵的放大培養(yǎng)。然而,攪拌槳葉與擋板間的相對運動使得攪拌反應(yīng)器內(nèi)部的這些因素極度不均勻,以往采用經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式將整個攪拌反應(yīng)器看成一個均勻體系的假設(shè)與實際情況存在著很大的差異,并不能對微生物發(fā)酵進行很好的指導(dǎo)。近年來,CFD的發(fā)展為這一研究指明了方向。真菌發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的研究已經(jīng)有較長的歷史,許多研究者利用真菌進行深層發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸。真菌在深層發(fā)酵過程中菌絲體可以形成多種形態(tài),如絲狀、絮凝成團塊狀、或者是球狀即菌絲球。一些研究者對菌絲形態(tài)對發(fā)酵產(chǎn)酸的影響進行過實驗研究,并取得了一些成果。Liao等采用米根霉ATCC20344進行L-乳酸生產(chǎn)的研究,并對碳源、氮源及金屬離子對菌絲形態(tài)及其發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的影響進行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)金屬離子對菌絲球的形成影響不大,但是添加金屬離子可以加快菌絲體的生長,可以通過調(diào)節(jié)碳源、氮源以及CaCO3的濃度等來調(diào)節(jié)菌絲球的大小,并且不同直徑的菌絲球可以獲得不同比例的副產(chǎn)物。Miura等研究了不同接種量、pH值對菌絲球直徑及其發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的影響,結(jié)果表明可以通過控制接種量來控制菌絲球大小從而提高產(chǎn)量。眾所周之,機械攪拌生物反應(yīng)器中菌絲球的形成及大小與攪拌的剪切速率及流體的流態(tài)影響很大,但是具體實驗研究近期鮮見報道。本實驗將CFD中的Mixsim軟件引入到生物攪拌反應(yīng)器的研究中,用以對攪拌反應(yīng)器內(nèi)的主要因素——剪切速率進行模擬,重點研究不同攪拌轉(zhuǎn)速對攪拌流場的影響,并以此研究米根霉發(fā)酵產(chǎn)乳酸中攪拌轉(zhuǎn)速對菌體形態(tài)及產(chǎn)酸的影響。1材料和方法1.1攪拌轉(zhuǎn)速對剪切速率的影響對于機械攪拌生物反應(yīng)器,在攪拌轉(zhuǎn)速較大(200r/min以上)、通氣流量較小(小于0.5L/(L·min))的情況下暫時忽略通氣流量對攪拌及剪切速率的影響。本實驗對實驗室現(xiàn)有發(fā)酵罐(3L機械攪拌發(fā)酵罐,鎮(zhèn)江東方生物工程公司)進行計算模擬,主要軟件有Mixsim2.0、Fluent6.2.16,模擬不同攪拌轉(zhuǎn)速對剪切速率的影響。采用Mixsim可以自動生成生物反應(yīng)器簡圖,生成的生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1。1.2融資平臺模擬Mixsim軟件能協(xié)助工程人員在設(shè)計攪拌容器或反應(yīng)器時找出設(shè)計不良的原因,預(yù)測攪拌容器中流體流動及完整的混合情形,甚至包含了攪拌應(yīng)用中重要的化學(xué)傳輸現(xiàn)象,后處理可顯示混合容器中單一及多相的質(zhì)量、動量與熱能交換,工程人員可獲得完整定量報告,如混合時間與最小懸浮速度,容易進行粒子動畫后處理,可獲得混合過程統(tǒng)計資料,計算過程以混合特性的特點進行求解,是工程人員最佳的解決方案。Mixsim軟件有以下技術(shù)特點:1)交互式、完全參數(shù)化的槽體和槳葉幾何自動生成;2)內(nèi)置多種常用攪拌槳的幾何參數(shù)數(shù)據(jù)庫;同時也可以自己定義葉槳模型,導(dǎo)入到Mixsim軟件中進行計算;3)自動的網(wǎng)格生成;4)具有多種槳葉處理模型,包括黑箱模型、多重參考系模型、滑移網(wǎng)格模型;5)基于Fluent求解器,可以快速、準確地模擬攪拌槽內(nèi)的流動;6)與Fluent軟件之間可以進行自由切換;7)可以用來計算多種攪拌問題,如單相流體、混合物、泥沙、帶有化學(xué)反應(yīng)的攪拌問題等;8)在計算完成之后,能夠直接得到葉片上的扭矩,以及轉(zhuǎn)動所需要的功率。CFD模擬計算條件為:反應(yīng)器直徑0.12m;液面高度0.19m;攪拌槳直徑0.06m;擋板數(shù)3;槳葉數(shù)4;攪拌槳數(shù)2;32℃水溫、模擬流體密度ρ=1180kg/m3條件下分別設(shè)定200、300、400、500、600r/min得到5種不同性質(zhì)的流體。本實驗結(jié)合生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點及發(fā)酵液的液體特性,設(shè)定模擬方法,根據(jù)Mixsim軟件默認的方法進行,其中采用標準的K-ξ雙方程,多參考旋轉(zhuǎn)坐標。迭代計算選擇1000次,得到收斂結(jié)果,保證最小轉(zhuǎn)速200r/min與最大轉(zhuǎn)速600r/min條件下最后迭代殘差都低于0.001。1.3菌種培養(yǎng)方法為了進一步驗證攪拌轉(zhuǎn)速引起的剪切速率對米根霉發(fā)酵產(chǎn)酸及菌體形態(tài)的影響,對不同轉(zhuǎn)速下米根霉發(fā)酵產(chǎn)乳酸過程進行實驗研究。菌種采用米根霉As3.819(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院發(fā)酵實驗室保藏菌種),保存在PDA培養(yǎng)基上,每2個月轉(zhuǎn)移一次斜面。孢子由PDA培養(yǎng)基產(chǎn)生,用無菌蒸餾水洗下孢子制成懸液。培養(yǎng)基組成為:葡萄糖120g/L、(NH4)2SO42g/L、NaH2PO40.160g/L、KH2PO40.140g/L、MgSO4·7H2O0.25g/L、ZnSO4·7H2O0.11g/L、CaCO360g/L。培養(yǎng)方法:3L機械攪拌發(fā)酵罐,裝液量2.5L,轉(zhuǎn)速400r/min,32℃恒溫,通氣量2L/(L·min),發(fā)酵60h結(jié)束。乳酸測定采用EDTA定鈣法,菌絲球直徑采用游標卡尺測量,菌體成球概率為菌絲球質(zhì)量與總菌體質(zhì)量之比。2結(jié)果與分析2.1流場強度分析根據(jù)以上設(shè)計方法對不同轉(zhuǎn)速下反應(yīng)器內(nèi)剪切速率進行了模擬分析。迭代計算結(jié)果如圖2所示。觀察分析圖2A,同一攪拌軸上的上下兩層兩個攪拌槳的剪切速率是不同的,上層攪拌槳的速度明顯大于下層攪拌槳的速度,通過剪切速度分布圖可以看出,在葉片尖端速度最大。同一條件下模擬出的反應(yīng)器內(nèi)部的流速分布在對稱面上分布不均勻,這是由于反應(yīng)器含有三塊擋板,在做45°剖面圖時,有一對稱面離擋板較近,由此產(chǎn)生了對稱面流速及剪切速率分布不均的現(xiàn)象。根據(jù)流體形態(tài)將反應(yīng)器內(nèi)的流場區(qū)域分為1~9個區(qū)(圖2C),同一條件下,1~9區(qū)域的流速分布不均勻,在2、3、7、8區(qū),由于上下兩層攪拌槳產(chǎn)生的流速場交叉,使得每個攪拌槳形成的環(huán)流區(qū)非常明顯,雙環(huán)流區(qū)明顯,但是反應(yīng)器底部4、5、6區(qū)流速分布不集中,沒有大的環(huán)流區(qū)形成,這與反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)等有關(guān),下層攪拌槳離反應(yīng)器底部的距離直接影響著反應(yīng)器底部液體的湍流強度。隨著攪拌槳轉(zhuǎn)速的增大,攪拌槳的速度矢量、液體流速及剪切速率都在增大。在200、300、400、500、600r/min時的最大剪切速率分別為0.81、1.19、1.58、1.97、2.46m/s。通過以上模擬分析可知,在不同攪拌轉(zhuǎn)速下,反應(yīng)器內(nèi)的流場強度是不同的,根據(jù)圖2分析,攪拌轉(zhuǎn)速越大,流場強度越大,并且通過該模擬方法可以直接算出某一轉(zhuǎn)速下的剪切速率范圍。如果能夠通過小試及中試階段對發(fā)酵過程的模擬,獲得流場強度與發(fā)酵效率的關(guān)聯(lián)模型,可以以此方法來模擬放大過程,尋找最佳放大發(fā)酵工藝條件。2.2不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)酵條件優(yōu)化攪拌轉(zhuǎn)速主要通過改變發(fā)酵液的傳質(zhì)、溶氧來影響發(fā)酵效果,另外對于米根霉發(fā)酵產(chǎn)乳酸,轉(zhuǎn)速對菌體的剪切作用很重要,尤其是對菌體的形態(tài)結(jié)構(gòu)影響很大。從菌體生長及其形態(tài)的角度分析,由圖3可知,攪拌轉(zhuǎn)速在200~600r/min之間,隨著轉(zhuǎn)速的增大,菌體干質(zhì)量濃度減小,菌球直徑減小。高轉(zhuǎn)速(600r/min)時菌體受較大剪切力作用被剪切成細小碎片,在攪拌剪切力作用下形成菌絲球,在高轉(zhuǎn)速下菌體成球的概率可以達到98%以上,菌絲球直徑在0.1~0.3mm,同時較強的剪切力對菌體造成破壞,部分細胞結(jié)構(gòu)被破壞,影響了菌體的正常生長,導(dǎo)致生長過慢;在較低轉(zhuǎn)速時(200~400r/min)由于剪切作用較弱,只有少數(shù)菌絲體被剪切形成菌絲球,菌球形成概率較低,菌絲球較大,直徑在1.2~2.0mm,大部分以游離菌絲體的形態(tài)存在于發(fā)酵液中,剪切作用對菌絲體生長影響較小,菌體生長快速。從菌體代謝角度分析,低轉(zhuǎn)速時乳酸產(chǎn)量較高,超過100g/L,隨著轉(zhuǎn)速的增加乳酸產(chǎn)量明顯下降,在500r/min和600r/min下乳酸產(chǎn)量較低,小于90g/L,這主要是由于高剪切力作用下菌體被破碎,細胞得到破壞,影響了菌體正常的生理代謝,從而導(dǎo)致乳酸產(chǎn)量的大幅度降低。低轉(zhuǎn)速下,雖然菌體可以正常生長,但是當菌體生長到一定程度,過多的菌絲在發(fā)酵液中增加了發(fā)酵液的黏度,影響了傳質(zhì)傳氧,進而影響菌體的正常代謝。高轉(zhuǎn)速時菌體生長較慢,菌體直徑小,產(chǎn)酸較低,但是較高轉(zhuǎn)速下得到的發(fā)酵液清澈(菌體是菌球的形式,容易利用菌球自重與發(fā)酵液分離),并且發(fā)酵終點之后的菌球還可以重復(fù)利用。在低轉(zhuǎn)速下,產(chǎn)酸量高,菌絲體生長較快,大部分以游離菌絲體的形態(tài)存在于發(fā)酵液中,容易纏繞在攪拌槳及擋板上,影響后期發(fā)酵的進行,并且游離菌絲體不利于后期的產(chǎn)品分離。綜合考慮發(fā)酵產(chǎn)酸及生產(chǎn)實際,采用400r/min為優(yōu)化工藝條件,此時乳酸產(chǎn)量為106.7g/L,菌體80%為菌絲球,直徑為1.0~1.5mm。綜合分析CFD模擬技術(shù)優(yōu)化結(jié)果與實際發(fā)酵實驗結(jié)果,400r/min時剪切速率最大值為1.58m/s,此時米根霉發(fā)酵產(chǎn)乳酸量較高。3菌株設(shè)計及模擬過程需要配合通過模擬計算及發(fā)酵實驗兩個結(jié)果的考察,可以得出在400r/min時,反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的剪切速率適合于形成大小合適、結(jié)構(gòu)致密的菌絲球,直徑為1.0~1.5mm,并且該菌絲球產(chǎn)酸高,有利于后期發(fā)酵液的分離,菌絲球有利于后期重復(fù)利用。結(jié)合模擬分析,攪拌槳剪切速率最大值為1.58m/s時有利于形成大小合適,結(jié)構(gòu)致密的菌絲球,有利于發(fā)酵生產(chǎn)乳酸。通過該模擬計算結(jié)合發(fā)酵實驗,可以尋找適合米根霉發(fā)酵產(chǎn)乳酸的工藝條件,并試圖以該模擬結(jié)果作為后期發(fā)酵放大的依據(jù)進行放大實驗,用以指導(dǎo)生物反應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)。該工作還有待于進一步的研究。一些研究者采用CFD技術(shù)對生物反應(yīng)器進行模擬,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、攪拌槳形式、攪拌槳位置以及通氣流量來模擬生物反應(yīng)器的工作過程,并且已經(jīng)取得了一些結(jié)果。應(yīng)用CFD技術(shù)對生物反