高粘假塑性流體攪拌發(fā)酵罐特性的數(shù)值研究.pdf

1、在生物制藥、食品發(fā)酵等行業(yè)中，許多反應體系都是非牛頓流體。例如黃原膠發(fā)酵大都在機械攪拌發(fā)酵罐內(nèi)進行，由于黃原膠發(fā)酵液是典型非牛頓假塑性流體，中后期發(fā)酵液粘度很大，給發(fā)酵過程中氧的傳遞、氣液混合以及熱量的傳遞等帶來了很大的困難，這就使得按照傳統(tǒng)的半經(jīng)驗半理論方法設計和放大的“通用式機械攪拌發(fā)酵罐”無法勝任高粘度醪液的發(fā)酵任務。近年來，計算流體力學(CFD)方法用于研究攪拌反應器內(nèi)的流動和混合特性，顯出卓越的優(yōu)勢，對攪拌反應器的設計、優(yōu)化及

2、放大有著巨大的影響。
　　 本文首先對機械攪拌反應器內(nèi)高粘度假塑性流體的流動場進行CFD了研究，考察網(wǎng)格密度、差分格式、流動模型對計算結果的影響。發(fā)現(xiàn)增加網(wǎng)格數(shù)量，在一定程度上能提高預測精度；新型剪切應力輸運(SST)模型的預測精度高于標準k-ω湍流模型；高精度與指定混合因子差分格式的預測精度不相上下，兩者的預測精度均高于一階迎風格式；罐內(nèi)流型為典型的“雙環(huán)流”結構，槳區(qū)的剪切速率較高，表觀粘度較低，罐底和罐壁附近的剪切速率較低

3、，表觀粘度較高。
　　 然后分別對傳統(tǒng)的單層槳攪拌生物反應器和優(yōu)化的雙層槳攪拌反應器內(nèi)高粘度假塑性流體氣-液兩相流流動場進行了CFD研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的雙層槳攪拌生物反應器內(nèi)的剪切速率分布更加均勻，從而使得罐內(nèi)表觀粘度、局部氣含率的分布也更均勻，在很大程度上提高了反應器內(nèi)的傳質混合性能，能夠滿足高粘度非牛頓流體醪液的發(fā)酵任務。
　　 本文還對假塑性流體機械攪拌反應器內(nèi)的混合時間和攪拌功率進行了CFD研究。發(fā)現(xiàn)CFD預測的混