基于cfd模擬的生物反應(yīng)器攪拌槳組合優(yōu)化

基于cfd模擬的生物反應(yīng)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(duì)混合過程有顯著影響。隨著學(xué)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(shí)間是表征攪拌槽反應(yīng)器內(nèi)流體混合過程、評(píng)定攪拌器效率的一個(gè)重要參數(shù)。Kalischewski等及Jaramilo等分別在攪拌反應(yīng)器和環(huán)流反應(yīng)器中研究了氧傳遞系數(shù)與混合時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果表明對(duì)混合時(shí)間的研究能給出反應(yīng)器中總體反應(yīng)速率及傳質(zhì)和傳熱速率的信息。然而,實(shí)驗(yàn)測(cè)定混合時(shí)間無法在不透明的罐體中進(jìn)行,所測(cè)數(shù)據(jù)被限制在罐體中的個(gè)別點(diǎn),所需設(shè)備價(jià)格昂貴,并且要求滿足嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件。近年來,計(jì)算流體力學(xué)(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(fèi),獲得實(shí)驗(yàn)手段所不能得到的數(shù)據(jù)。作者在此利用ANSYSCFX10.0軟件強(qiáng)大的功能,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),從CFD的角度模擬研究了生物攪拌反應(yīng)器內(nèi)不同槳葉組合對(duì)混合過程的影響,并對(duì)大腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)丙酮酸氧化酶過程進(jìn)行了模擬結(jié)果驗(yàn)證研究,證實(shí)模擬與實(shí)際過程有良好的一致性。1實(shí)驗(yàn)1.1槳葉組合對(duì)槳葉參數(shù)的影響生物攪拌反應(yīng)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(duì)于雙層攪拌槳體系,不同槳葉組合下流動(dòng)形態(tài)不同,因此速度分布與槳葉組合密切相關(guān),從流動(dòng)場(chǎng)及混合時(shí)間來考慮,應(yīng)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖3所示。1.2模擬方法和網(wǎng)格1.2.1k-流場(chǎng)模擬主要應(yīng)用ANSYSCFX10.0軟件提供的各種模型進(jìn)行生物攪拌反應(yīng)器內(nèi)混合過程的模擬,選用多重參考系法(MFR)進(jìn)行模擬,槳葉及其附近流體區(qū)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,其它區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系。Ranade等指出對(duì)于攪拌槽式反應(yīng)器的數(shù)值模擬,兩方程的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是最簡單有效的湍流模型,至少在單相流的流場(chǎng)模擬方面與實(shí)際比較吻合。因此,假設(shè)反應(yīng)器中的流動(dòng)為充分發(fā)展的湍流,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行模擬。由于混合過程涉及到檢測(cè)點(diǎn)的標(biāo)量濃度隨時(shí)間的變化情況,因而要求模擬類型設(shè)為瞬態(tài)模擬,在此選用非耦合方法進(jìn)行模擬。對(duì)流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí),將各流動(dòng)變量的收斂殘差定為10-4。由于示蹤劑的量相對(duì)于水來說很少,所以將示蹤劑的物性設(shè)定成與水相同。當(dāng)流動(dòng)場(chǎng)穩(wěn)定后,開始加入示蹤劑,根據(jù)物理坐標(biāo)找到相應(yīng)的示蹤劑加入點(diǎn),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(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)網(wǎng)格區(qū)域的界面采用非匹配的方式,即網(wǎng)格點(diǎn)與網(wǎng)格面并不重合,在ICEMCFD中分別將兩部分的幾何體導(dǎo)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(duì)四面體網(wǎng)格的支持很好,其準(zhǔn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)圓盤渦輪各自產(chǎn)生渦環(huán),導(dǎo)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(dòng)受上層槳的影響明顯較小,其流動(dòng)更接近于單層槳的流動(dòng),但上層槳排出流的流動(dòng)依然受下層槳和液面的影響。槽內(nèi)的流動(dòng)出現(xiàn)了兩個(gè)循環(huán)區(qū)域,分別對(duì)應(yīng)上下兩層槳。由圖4可以看出,當(dāng)六彎葉攪拌槳位于下層時(shí),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(jìn)入葉輪;另一股沿著槽壁向下,再從葉輪的下邊緣進(jìn)入葉輪,完成循環(huán)。而當(dāng)其位于上層時(shí),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(jìn)入葉輪的循環(huán)。四寬折葉槳的流場(chǎng)有明顯的軸向速度,當(dāng)其作為下層攪拌槳的時(shí)候,軸向流動(dòng)范圍可以達(dá)到罐體中間位置。當(dāng)其位于上層時(shí),雖然也有較大的軸向分速度,但軸向流動(dòng)范圍較小,又受到液面干擾,不如位于下層時(shí)的流型穩(wěn)定,不利于整個(gè)罐體內(nèi)的軸向循環(huán)。槽內(nèi)的混合過程與流動(dòng)場(chǎng)密切相關(guān),兩個(gè)槳之間的子域物質(zhì)交換緩慢,將導(dǎo)致模擬的混合時(shí)間過長,而罐體內(nèi)較好的軸向流動(dòng),則可以使流體循環(huán)迅速,從而縮短混合時(shí)間。四種攪拌槳組合下,4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)模擬所得的混合時(shí)間見圖5。由圖5可以看出,不同攪拌槳型的混合時(shí)間差異非常明顯,其中6CBDT-4BP形成的混合時(shí)間最短,與其速度場(chǎng)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(dòng),有助于混合均勻;而4BP-4BP的混合效率最差,這與預(yù)測(cè)中相距甚遠(yuǎn),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(yīng)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(duì)四種組合下的流場(chǎng)進(jìn)行了分析。圖4(a)與(b)中,上層槳產(chǎn)生循環(huán)為順時(shí)針(從右半部分流場(chǎng)圖來看)方向,與下層槳產(chǎn)生的逆時(shí)針流動(dòng)在兩攪拌槳之間相遇,產(chǎn)生輕微的徑向流動(dòng),但仍可看出軸向速度占優(yōu)勢(shì);而圖4(c)與(d)中,上下兩層槳都產(chǎn)生逆時(shí)針流動(dòng),上下兩個(gè)槳葉區(qū)之間的流動(dòng)方向相反,以至于在疊加時(shí)有些位置上流體的運(yùn)動(dòng)速度方向截然相反,由此導(dǎo)致中間位置處小循環(huán)的產(chǎn)生,兩層槳之間的流場(chǎng)略顯混亂。這導(dǎo)致后兩種組合的全流場(chǎng)軸向流動(dòng)效果比前兩種組合差,混合時(shí)間也明顯延長(圖5)。而對(duì)于第一種組合,兩槳之間甚至沒有明顯的徑向流動(dòng),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(shí)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(duì)6cbmd-4bp的影響為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果,選擇大腸桿菌基因重組菌DH5α/pSMLPyOD進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),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(duì)于6CBDT-4BP來說,整個(gè)過程中通氣量最高維持在15L·min-1,攪拌轉(zhuǎn)速在16h達(dá)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(shí)通氣量達(dá)到25L·min-1。攪拌轉(zhuǎn)速從3h開始增幅較大,到10h時(shí)已經(jīng)達(dá)到700r·min-1,發(fā)酵到19h時(shí)轉(zhuǎn)速已達(dá)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(duì)攪拌反應(yīng)器內(nèi)速度場(chǎng)的影響(1)槳葉組合對(duì)多層槳攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的宏觀流場(chǎng)有較大的影響,而混合過程依賴于速度場(chǎng)的分布,因此,不同槳葉組合下的混合時(shí)間有明顯差別。(2)合適的槳葉組合有利于攪拌反應(yīng)器內(nèi)速度分布,上層槳為6CBDT、