采用計算流體力學仿真優化50 L發酵罐攪拌系統

羅宇笛　李嘯　石小丹

摘 要：采用計算流體力學軟件 Fluent 對50 L全自動發酵罐內不同兩層槳葉組合的攪拌效果進行氣液兩相流模擬。針對發酵罐模擬了4種槳葉組合，對比分析4種組合的速度云圖，剪切速率云圖以及氣含率分布云圖，以此優化出一種攪拌效果較好的槳型組合。根據模擬結果，初步判斷組合B的混合效果最好；試驗驗證組合B的酶活達到193.20 U·mL-1，與原始組合相比，提高了1.1倍。

關鍵詞：計算流體力學；50 L發酵罐；槳葉組合優化；網格劃分

中圖分類號：S817.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.012

發酵罐是工業上用來進行微生物發酵的設備，被廣泛應用于飲料、化工、食品、乳品、佐料、釀酒、制藥等行業。設計成熟的發酵罐物料與能量傳遞性能強，有利于發酵生產及降低能耗[1]。按照設備的類別，發酵罐可分為機械攪拌通風發酵罐和非機械攪拌通風發酵罐，其中，機械攪拌通風發酵罐在工業上使用較多。通常，此類發酵罐的高徑比大于1，罐內會裝備多層攪拌葉輪，以求達到較均勻的傳質混合效果和較好的氣含率[2-5]。

傳統發酵罐的設計主要依靠實際發酵過程中所積累的經驗，試驗研究手段存在投資大、周期長、測量困難、效果差等缺點[6]。因此，尋找一種能夠節約成本、縮短開發周期的研究方法顯得尤為重要。近年來，基于計算流體力學（CFD）的理論與方法，借助計算機進行仿真模擬的技術在發酵罐設計方面應用廣泛，生物反應器的設計發展迅速[7-8]。

目前，利用計算流體力學相關軟件對發酵罐內流場的研究多集中在6直葉圓盤渦輪槳、半圓管圓盤渦輪槳等徑流槳，且絕大多數情況下只是對一種槳葉的兩層組合甚至單層槳葉進行研究[9]。本研究對50 L全自動發酵罐設計了4種不同的2層槳葉組合，并采用CFD軟件Fluent模擬氣液兩相流。通過綜合分析計算結果，得出最優的兩層攪拌器組合。

1 構建模型及設計攪拌器組合

1.1 發酵罐初步建模

需要建模的生物反應器為國強牌FUS-50L（A）發酵罐，攪拌器的類型有6直葉圓盤渦輪槳、半圓管圓盤渦輪槳以及四寬折葉軸流槳3種，所建模型見圖1～2，具體參數如表1所示。

1.2 槳葉組合設計

底部槳葉是決定氣液分散效果的關鍵[10]。本文所模擬的槳葉組合有4種，如圖3所示。

1.3 模擬工況條件

模擬物料參數：見表2。

模擬工況條件：通氣量 1. 2 vvm，攪拌轉速為 200 r·min-1。

2 CFD構建模型及仿真計算

2.1 控制方程

CFD模擬氣液兩相流動的方法基于Navier-Stokes 方程建立，該方程是流體力學中描述黏性牛頓流體的方程，能展示出液體的黏度。納維—斯托克斯方程描述作用于液體任意給定區域的力的動態平衡。方程介紹見文獻[5]。

2.2 模型建立、簡化及網格劃分

發酵罐模型建立首先在軟件CAD 2010上完成，并且可以成功導入到Fluent的前處理軟件Gambit中；然后，在Gambit 2.4.6上修改簡化模型，比如去掉探頭和電極，以達到適合模擬計算的標準；最后，選取整個罐體及內部流體為研究對象，合理分為槳葉區域和罐體區域，在專業的CAE前處理軟件ICEM CFD中采取罐體區域劃分高質量結構化網格（六面體），攪拌器區域劃分非結構化網格（四面體、三棱柱與金字塔混合），并充分考慮到網格敏感度[3]及計算機的計算性能，經過多次試驗計算，最終確定網格總數量約為176萬。

2.3 模擬方法與邊界條件

模擬通氣攪拌反應器的一大難題是如何處理好運動區域（攪拌槳葉和攪拌軸）與靜止區域（擋板和壁面等）之間的相互作用[6]。多重參考系法（Multi-reference frame，MRF）是一種經典的處理方法， 采用兩種不同的參考系分別計算，槳葉區域采用旋轉坐標系，其他區域采用靜止坐標系，具有計算量小、計算速度較快的特點[7]。同時，選擇Eulerian-Eulerian 模型作為多相流模型，標準k-ε模型作為湍流模型。第二相為空氣，設置氣泡粒徑為10-5 m。

邊界條件中，將罐頂的液面設置為壓力出口（Pressure outlet），空氣分布器的進氣橫截面設置為速度入口（Velocity inlet），罐體內壁、擋板、攪拌軸和槳葉全部設置為無滑移壁面（No slip wall）。

3 結果與分析

3.1 4種槳葉組合速度云圖的比較

圖4為在1.2 vvm，200 r·min-1工況下4種槳葉組合的速度云圖。從圖4中不難看出，4種槳葉組合的槳葉葉端皆為高速區域。并且，各種槳葉組合都有或大或小的液相死區，組合A與組合C死區較大，組合B與組合D死區較小。

另外，組合A和組合B的特征為在兩層槳葉之間的速度分布均勻，但罐頂與罐底的情況較差，頂部尤為明顯；組合C和組合D的特征為罐頂部分速度分布略強于組合A及組合B，但罐體中部區域的速度控制卻有所下降。經過初步分析及推論，造成區別的原因為6直葉圓盤渦輪槳與四寬折葉軸流槳的造型特征不同。

3.2 4種槳葉組合剪切速率的比較

圖5為1.2 vvm，200 r·min-1工況下4種槳葉組合的剪切速率圖。通過觀察并與圖4比較不難發現，剪切速率的分布情況與速度云圖有一定的相關性，即4種槳葉組合葉端位置都存在最大剪切速率，組合B的剪切速率在4種槳葉組合中最大。需要一提的是，空氣分布器附近的剪切速率也不小，也間接說明了通氣對整個流場的影響。

3.3 4種槳葉組合氣含率分布的比較

氣含率是衡量發酵罐設計質量的一大指標。在發酵過程中，絕大多數微生物培養都要通入無菌空氣進行好氧發酵；相對的厭氧發酵也有連續性或者間歇性通入氮氣的發酵案例。通氣不僅是給微生物培養提供必要的生理條件，而且對發酵罐的流場也有一定的影響，能提高罐內的混合效果，從而影響發酵生產。

從圖6中可以看出，4種槳葉組合的氣含率分布都有各自的特點。

組合A在兩個槳葉之間的區域，氣含率分布較好，但是罐頂區域及罐底區域分布較差，原因可能是6直葉圓盤渦輪槳的徑向作用能力較強，軸向作用能力較弱；組合B的氣含率分布與組合A相似，但是罐底區域的分布較好，充分說明了半圓管圓盤渦輪槳不僅徑向作用強，而且有不錯的軸向混合效果[11]；組合C在罐頂部分區域的分布較好，兩個槳葉之間的區域混合不足，也是由于四寬折葉軸流槳的構造所決定的；組合D較組合C罐底分布有所改善，罐頂及兩槳葉之間區域氣含率分布有所降低，說明不同槳葉組合相互會產生影響，從而影響整個流場的情況。

3.4 驗證試驗

通過以上分析綜合評測4種槳葉組合的混合能力，初步判斷組合B的作用效果最好。以重組大腸桿菌產α-環狀葡萄糖基轉移酶實際發酵試驗對4種槳型組合進行驗證。

試驗結果表明，組合B的菌體生長情況以及酶活都要高于組合A（原始槳葉）：組合B的酶活達到193.20 U·mL-1；組合A的酶活達到175.64 U·mL-1。組合C與組合D的發酵情況并不樂觀，不如組合A的發酵效果，因此具體數據不在這里給出。

另外需要一提的是，由于組合C與組合D的上層槳葉具有較強的軸向作用，而罐體的中部又沒有相對較強的徑向作用，因此在發酵過程中產生了大量氣泡，氣泡較組合AB多出3倍以上。此現象給隨后的研究提供了參考。

4 結 論

（1） 通氣不僅能給微生物培養提供必要的生理條件，而且對發酵罐的流場也有一定的作用，能改善罐內的傳質情況，促進發酵生產。

（2）不同槳葉組合可產生不同流場，并且會產生或大或小的液相死區。不同的槳葉類型、組合、安裝位置、通氣條件等會產生不同位置和大小的液相死區。

（3）兩層槳葉組合對發酵罐內的流場控制稍顯不足，還是要通過建立三層槳葉甚至四層槳葉的組合來提高發酵罐的整體性能。

（4） 經實際發酵驗證后，組合B的酶活為組合A的1.1倍。

參考文獻：

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