生物反應器內攪拌器的優化設計

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；

2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術研究中心，湖北 武漢 430074；

3.中國通用機械工程總公司，北京 100050；4.湖南智河化工技術設備有限公司，湖南 岳陽 414000）

生物反應器內攪拌器的優化設計

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；

2.武漢市壓力容器壓力管道安全技術研究中心，湖北 武漢 430074；

3.中國通用機械工程總公司，北京 100050；4.湖南智河化工技術設備有限公司，湖南 岳陽 414000）

簡述了生物攪拌器的槳葉型式，利用計算流體力學軟件對發酵罐內的流場進行了數值模擬.針對某抗菌素廠發酵罐，直徑D＝3 800 mm，液位高度H＝8 600 mm，均布4塊擋板，轉速n＝110 r／min，上層攪拌器為三層A315攪拌器，原底槳使用Rushton渦輪攪拌器，現改用六葉渦輪攪拌器，對其流場進行了模擬分析比較，結果顯示后者有利于罐內發酵液的物質交換，攪拌效果得到改善.

生物反應器；發酵罐；攪拌器；數值模擬

0 引 言

攪拌效果好、能耗小是攪拌設備追求的目標.如何準確地得到攪拌罐內的流場、選用何種型式的葉輪從而降低能耗是攪拌設備設計的關鍵.生物發酵攪拌過程中的流場是非常復雜的，往往難以達到預期的設計效果，因此如何準確模擬和描述發酵罐中的流動情況和混合過程，是生物反應器設 計 的 難 點［1－3］.借 助 計 算 流 體 力 學 軟 件（CFD），可以為攪拌器的結構設計提供參考，彌補經驗設計方法的不足，有助于生物反應器的技術創新.

在生物發酵行業中，攪拌器的槳葉型式主要有徑向流攪拌器和軸向流攪拌器.徑向流攪拌器的特點是氣體分散能力強，結構簡單，但功耗較大，作用范圍有限，例如Rushton渦輪（見圖1）；而軸向流攪拌器對發酵過程中的混合性能較好、功耗低，但不足之處是對氣體的分散能力較差，其代表有LIGHTNIN公司的A315攪拌器（見圖2）［4－5］.

由于現代發酵罐的規模不斷擴大，光靠單層槳葉或槳葉型式已經不能滿足工業生產的需要，結合兩種流型的多級、多種組合方式攪拌器孕育而生.當發酵罐底部通入氣體時，安裝在底部的徑向流攪拌器使氣體打散成小氣泡，增加氣液兩相的接觸面積；利用軸向流攪拌器混合性能好的特點，使全部液體成周期循環，大范圍的實現氣液混合.充分利用兩種攪拌器的優勢，取長補短，采用多級、多種組合方式是今后大型發酵罐設計的發展方向.

圖1 Rushton渦輪攪拌器Fig.1 Rushton turbine agitator

圖2 A315攪拌器Fig.2 A315 turbine agitator

在生物發酵行業中，攪拌器的結構設計主要依靠經驗.但工程實例說明，由經驗設計出的攪拌器往往難以處于最佳工作狀態.例如選用的電機功率過大，攪拌效果不佳等，因此對攪拌器的優化設計需要更可靠的設計準則.計算流體力學（CFD）方法被引入攪拌器設計行業，其優勢在于可以應用數值模擬軟件描述攪拌過程，實現攪拌器的設計與優化.

1 生物反應器的基本參數和模擬方法

1.1 模擬的基本參數

某抗菌素廠的老式發酵罐，罐體及攪拌器主要參數為：發酵罐直徑D＝3 800 mm，液位高度H＝8 600 mm，攪拌器為三層A315攪拌器和Rushton渦輪（底槳），均布4塊擋板，轉速n＝110 r／min，工作介質為發酵液（因發酵液粘度參數與水相近，模擬過程以水作為工作介質），使用CFD軟件Fluent進行數值模擬.圖3為三維模型示意圖.

圖3 組合式攪拌器Fig.3 Schematic diagram of the bioreactor

1.2 網格的劃分

選取整個發酵罐的流體作為計算域，利用Gambit生成網格.由于發酵罐所選用的攪拌槳和擋板結構不規則，故整體網格劃分采用非結構化網格，并對槳葉區的網格進行了加密處理，以增加計算的精度，總的網格節點數為1 231 702個.

1.3 模擬方法

發酵罐內的流場是非常復雜的，在對攪拌反應過程進行數值模擬時，面對的難題是流體、罐體壁面、擋板和攪拌槳所圍成的區域的形狀與流動是隨時間周期性變化的.為了解決運動的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用，許多學者提出了不同的處理方法，有“黑箱”模型法、內外迭代法、多重參考系法（MRF）、滑移網格法和大渦模擬法等.

MRF方法是基于穩態流場的計算方法，它是采用旋轉坐標系和靜止坐標系兩個參考系分別進行計算，由于兩個參考系沒有重疊的區域，故不需要進行內外迭代，從而減少了計算成本.因此本文選用MRF方法進行模擬，將計算區域分為兩個區域，槳葉及其附近流體區采用旋轉坐標系（動區域），其他區域采用靜止坐標系（靜區域）.攪拌槳處于運動流體區域，與槳葉四周的流體以同樣的轉速進行運動，因此相對于該區域內的流體是靜止的，為此做了如下邊界定義：槳葉壁面定義為動邊界，邊界類型為壁面邊界，擋板壁面和罐體壁面定義為靜止壁面邊界條件.湍流模型選用標準k-ε模型，圖4為網格示意圖.

圖4 網格示意圖Fig.4 Grid in the bioreactor

2 Rushton渦輪攪拌器的模擬結果及分析

Rushton渦輪攪拌器是典型的徑向流攪拌器，通過模擬計算得到了圖5、圖6的流場.

圖5 垂直面液相流場Fig.5 Vector plot of velocity in vertical plane

圖6 垂直面液相速度云圖Fig.6 Contours plot of velocity in vertical plane

Rushton渦輪在結構設計上設置了圓盤，其目的是為了防止氣體未經分散直接從軸周圍溢出液面，由圖5、6可以看出，圓盤阻礙了上層發酵液與下層發酵液的物質交換，槳葉處又分別形成了上下兩個自循環區，也不利于物質交換.

另外，相關研究發現，Rushton渦輪攪拌器的槳葉背面會出現高速轉動的漩渦，漩渦內負壓較大，從空氣分布器出來的氣體立即被吸入漩渦內，從而形成氣穴現象，增大了攪拌器的攪拌阻力.

3 六葉渦輪攪拌器的模擬結果及分析

現將發酵罐原Rushton渦輪底槳改用六葉渦輪攪拌器，該攪拌器屬開啟渦輪式攪拌器中的一種，結構如圖7所示.以相同的參數進行數值模擬.六葉渦輪攪拌器以徑向流為主，沒有Rushton渦輪中的圓盤，有利于上下發酵液的物質交換，獨特的槳葉形式又可以避免氣穴的形成［6－7］.

圖7 六葉渦輪（底槳）Fig.7 six-leaves turbine agitator

由圖8、圖9可以看出，在罐體上方的三層A315攪拌器屬于軸向流攪拌器，槳葉推動流體，流體的流動方向平行于攪拌軸，流體向下流動，沖擊到罐體底部時流體開始向上翻轉，再經罐體壁循環回到液體表面，形成上下循環流.罐體底部的六葉渦輪屬于徑向流攪拌器，槳葉產生推動流體產生徑向流，徑向流在流動過程中推動周圍流體，流體撞擊到壁面擋板時，流體被分為兩部分，一部分沿擋板向上流動，一部分向下流向罐體底部.由這兩張圖可看出整個罐體流程分布呈循環流形式，若考慮實際生產過程中罐體底部空氣分布器產生的氣體經六葉渦輪破碎后再向上擴散，上層液體也會得到很好的循環與物質交換.

圖8 垂直面液相流場Fig.8 Vector plot of velocity in vertical plane

圖9 垂直面液相速度云圖Fig.9 Contours plot of velocity in vertical plane

圖10、11是垂直于攪拌軸橫截面上的攪拌流場的速度矢量圖，截面位置選取在距離罐體底部Z＝1 100 mm和Z＝3 200 mm（六葉渦輪和底層A315攪拌器）的位置處.圖10和圖11的對比，能夠很好的看出六葉渦輪在推動流體向四周流動的能力和作用范圍遠遠大于A315攪拌器.

圖10 Z＝1 100 mm液相流場Fig.10 Vector plot of velocity（Z＝1 100 mm）

圖11 Z＝3 200 mm液相流場Fig.11 Vector plot of velocity（Z＝2 300 mm）

4 結 語

通過CFD計算模擬實驗分析，可以看出：上層為A315攪拌器，底層為六葉渦輪攪拌器比

Rushton渦輪攪拌器的組合方式更適用于通氣情況下的攪拌操作.計算流體力學模擬分析可以為攪拌器的槳葉選型提供參考，指導生物攪拌反應器的設計開發和優化.對于實際生物發酵過程，還需考慮通氣流量和溫度等因素的影響，還有待于進一步的深入研究.

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［3］吳學鳳，姜紹通，張旻，等.機械攪拌生物反應器的CFD模擬及其在發酵生產乳酸中的應用［J］.食品科學，2010，31（7）：186-189.

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［7］黃雄斌，閆憲斌，施力田，等.固－液攪拌槽內液相速度的分布［J］.化工學報，2002，53（7）：717-722.

Optimization design of stirrer in bioreactor

SHU An-qing1，2，LIU Kai1，MA Chang-chun3，WEI Hua-zhong1，2，GONG Zhe4，DONG Hou-sheng1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Wuhan Research Center of Pressure Vessel and Pipeline Safety Engineering，Wuhan 430074，China；
3.China National General Machinery Engineering Crop.，Beijing 100050，China；
4.Hunan Chi River Chemical Equipment Co.，Ltd.，Yueyang 414000，China）

The forms of agitator blades were outlined .The flow field in the fermentation tank was simulated by using computational fluid dynamics software.There was a fermenter，diameter D＝3 800 mm，liquid height H＝8 600 mm，Speed n＝110 r／min.A315 turbine agitator was used as up impeller ＆Rushton turbine agitator was used as down impeller.The simulated data shows that the six-leaves turbine stirrer effect is more excellent than Rushton turbine agitator，and much more conducive to the exchange of substances.

bioreactor；fermenter；agitator；computational fluid dynamic（CFD）

陳小平

TQ027.2

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.017

1674－2869（2011）11－0066－04

2011－10－26

舒安慶（1964－），男，浙江寧波人，教授，碩士.研究方向：流體機械和攪拌設備的研究開發、新型高效過程裝備及仿真技術和壓力容器壓力管道.