工業(yè)規(guī)模氣升式生物反應(yīng)器的CFD模擬

張小龍，李 嘯,，葉 晗，羅宇笛

(1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院 中國輕工業(yè)酵母功能重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.安琪酵母股份有限公司，湖北 宜昌 443002 )

氣升式生物反應(yīng)器是近些年發(fā)展起來的一種用于氣液兩相或氣液固三相的生物反應(yīng)裝置，廣泛應(yīng)用于生物、環(huán)境及化學(xué)工業(yè)[1]。其具有結(jié)構(gòu)簡單、容易清洗、徑向剪切力較低、能耗低等顯著優(yōu)點[2]。氣升式生物反應(yīng)器中混合與傳質(zhì)性能與循環(huán)液速以及分布?xì)怏w的分布情況有很大關(guān)系，而循環(huán)液速和氣含率也是隨空間位置不同而存在差異，因此循環(huán)液速和氣含率是氣升式反應(yīng)器設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)[3-4]。

為了設(shè)計反應(yīng)器或更好地改進(jìn)反應(yīng)器, 需要對反應(yīng)器設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)的局部分布有一定的認(rèn)知。近年來，隨著計算流體力學(xué)(CFD) 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，利用CFD技術(shù)就可以獲取這些關(guān)鍵參數(shù)，為生物反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義[5-7]。本研究通過計算流體力學(xué)的方法對某一工業(yè)規(guī)模氣升式生物反應(yīng)器的流場進(jìn)行探究，這一工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器為單進(jìn)料管，并將其進(jìn)單進(jìn)料管改造對雙進(jìn)料管進(jìn)行反應(yīng)器的流場探究。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

本研究對象是一個單進(jìn)料管氣升式生物反應(yīng)器(a)和一個雙進(jìn)料管氣升式生物反應(yīng)器(b)。所建模型如圖1，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 發(fā)酵罐示圖Fig.1 Diagram of fermentation tank

氣相(空氣)從生物反應(yīng)器的底部氣體分布器進(jìn)入，由發(fā)酵液上液面流出。液相(發(fā)酵液)在循環(huán)泵的作用下從生物反應(yīng)器底部的物料出口管流入循環(huán)管，再由生物反應(yīng)器中部物料進(jìn)口管流入生物反應(yīng)器中。氣相(空氣)密度1.225 kg/m3，黏度0.018×10-3kg/ms；液相(發(fā)酵液)密度1 032 kg/m3，黏度2.225×10-3kg/ms。

表1 罐體幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of tank

1.2 網(wǎng)格劃分

由于模擬過程中由于生物反應(yīng)器與氣體分布器尺寸相差較大，氣體分布器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且 ANSYS Workbench 18.2軟件對四面體網(wǎng)格的支持性很好，其準(zhǔn)確度也非常高，因此本模型劃分的網(wǎng)格類型選用非結(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 數(shù)值模擬

本研究選用目前廣為接受的歐拉---歐拉雙流向模型，整個流場的氣液兩相都被看成連續(xù)介質(zhì)，其流動可以看為不可壓縮的雙相流過程。針對兩相分別遵循質(zhì)量、動量和能量守恒方程，通過相間作用力將兩組方程耦合在一起。

模擬軟件計算流體力學(xué)軟件Fluent，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程。邊界條件的設(shè)定為：氣體分布器的進(jìn)氣截面設(shè)定為速度入口，灌頂?shù)陌l(fā)酵液液面設(shè)置為壓力出口，物料進(jìn)口管和物料出口管截面設(shè)定為速度入口，罐體內(nèi)壁設(shè)置為無滑移壁面(No slip wall)，模擬類型設(shè)定為瞬態(tài)模擬，對流動場進(jìn)行模擬時，將各流動變量的收斂殘差設(shè)定為10-5。

3 結(jié)果與分析

3.1 速度云圖

圖2為單進(jìn)料管反應(yīng)器(a)和雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中心面ZY plane上的速度云圖，從圖中可以看出兩個反應(yīng)器中發(fā)酵液速度的基本分布情況。在兩個發(fā)酵罐的氣體分布器附近區(qū)域為流動高速區(qū)域。但單進(jìn)料管反應(yīng)器(a)的右側(cè)偏下出現(xiàn)了大范圍的液相流動的較弱的區(qū)域，雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中就無這種情況的出現(xiàn)，大范圍存在液相流動較弱的區(qū)域不利于發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)以及氧氣的均勻分布。

圖2 速度云圖Fig.2 Speed cloud map

圖3 速度矢量圖Fig.3 speed vector map

3.2 速度矢量圖

圖3為單進(jìn)料管反應(yīng)器(a)和雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中心面ZY plane上的速度矢量圖，從圖中可以直觀地看出兩個生物反應(yīng)器中流場的流型。 兩個生物反應(yīng)器中發(fā)酵液都是沿著出料管側(cè)區(qū)域向下循環(huán)流動。單進(jìn)料管反應(yīng)器(a)中的發(fā)酵液是從罐底先流到到罐中心后又沿著出料管對側(cè)到達(dá)上液面。而雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中發(fā)酵液主要沿著出料管對側(cè)向上循環(huán)。雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中的循環(huán)劇烈程度要明顯強于單進(jìn)料管反應(yīng)器(a)，有更強的混合傳質(zhì)作用，這對菌體的生長代謝是十分有利的。

圖4 氣含率云圖Fig.4 Cloud chart of gas content

3.3 氣含率云圖

圖4為單進(jìn)料管氣升式反應(yīng)器(a)和雙進(jìn)料管氣升式反應(yīng)器(b)中心面ZY plane上的氣含率云圖。根據(jù)圖中展示的兩個反應(yīng)器中氣體的基本分布情況，可以看出，在兩個反應(yīng)器的出料管側(cè)的發(fā)酵液中氣體分布都明顯不均勻，也就意味著氣含率低區(qū)域可能會是發(fā)酵“死區(qū)”，這主要與發(fā)酵罐出料管上側(cè)區(qū)域的發(fā)酵液向下流動、而氣體主要是隨著發(fā)酵液的循環(huán)從反應(yīng)器另一側(cè)有氣體分布器到達(dá)發(fā)酵液液面有很大關(guān)系。由于雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中發(fā)酵液混合程度的增強，明顯可以看出雙進(jìn)料管反應(yīng)器(b)中的氣含率分布要比單進(jìn)料管反應(yīng)器(a)中的氣含率更加均勻，顯著提高了發(fā)酵罐出料管上側(cè)的區(qū)域氣含率，這對工業(yè)上微生物的發(fā)酵生產(chǎn)的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

通過CFD數(shù)值，模擬兩種大型氣升式發(fā)酵罐(單進(jìn)料管和雙進(jìn)料管)，可以看出在該類氣升式反應(yīng)器的發(fā)酵液的大循環(huán)中，發(fā)酵罐出料管一側(cè)的區(qū)域以發(fā)酵液向下流動為主，另一側(cè)的發(fā)酵液以向上流動為主。在向上和向下流動的區(qū)域之間，存在部分流動循環(huán)比較微弱的區(qū)域。

通過比較分析單進(jìn)料管反應(yīng)器和雙進(jìn)料管反應(yīng)器的流場發(fā)現(xiàn)，采用不同進(jìn)料管對反應(yīng)內(nèi)的流場會有較大的影響，雙進(jìn)料管反應(yīng)器在溶氧分布以及混合性能上要超過單進(jìn)料管反應(yīng)器，這對該類型反應(yīng)器的優(yōu)化和放大有重要的指導(dǎo)意義。