14165.多層攪拌式生物反應(yīng)器內(nèi)溶液流變性質(zhì)對(duì)流場(chǎng)特性影響的研究

1、華東理工大學(xué)博士學(xué)位論文第1頁(yè)多層攪拌式生物反應(yīng)器內(nèi)溶液流變性質(zhì)對(duì)流場(chǎng)特性影響的研究摘要目前計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法已經(jīng)在生物過(guò)程反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和放大過(guò)程得到了應(yīng)用。但是CFD方法與生物反應(yīng)過(guò)程模型相結(jié)合來(lái)預(yù)測(cè)生物反應(yīng)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)過(guò)程優(yōu)化與放大是有困難的。反應(yīng)器內(nèi)多相流的流動(dòng)、混合和傳遞過(guò)程是復(fù)雜和多維的，然而生物反應(yīng)器內(nèi)非牛頓型的發(fā)酵體系的流體動(dòng)力學(xué)行為則更為復(fù)雜。本文以多層攪拌式生物反應(yīng)器為對(duì)象，開(kāi)展了單相、以及不同溶液中的氣液兩相

2、流的實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)與計(jì)算流體力學(xué)研究。采用角度解析的大渦PIV流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)發(fā)現(xiàn)徑流RT和HBT槳在槳葉的后方形成一對(duì)相反方向的尾渦，而翼型WHd和WHu槳在槳葉后方形成一個(gè)尾渦。并且發(fā)現(xiàn)角度解析的最大湍動(dòng)能的值約為時(shí)間平均的最大湍動(dòng)能的2倍，最大湍動(dòng)能耗散率約為時(shí)間平均的最大湍動(dòng)能耗散率的35倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)湍能耗散率積分值依賴于模型參數(shù)G，當(dāng)取G=012，大渦PⅣ方法得到的湍動(dòng)能耗散率體積積分的功率與扭矩的測(cè)得的功率便能相等。3RT槳的

3、槳葉區(qū)的功率占221％，槳葉排出區(qū)占452％，主流區(qū)占327％。對(duì)于上翻操作的3WHu組合的槳葉區(qū)的功率占392％，槳葉排出區(qū)占233％，主流區(qū)占375％。組合槳中的每層槳都具有自己的特征。RT槳的最大湍動(dòng)能耗散率與平均的湍動(dòng)能耗散率的比值(s椒拈鐘)的平均值為186，HBT槳的￡max／F嘴為269～341，WHd槳的￡md如，g的平均值為228，WHu槳的EmaxJCavg的值為147～231?？諝馑芤簝上囿w系中，在低表觀氣速時(shí)(

4、通氣量為02vvm)上翻型攪拌器的傳質(zhì)能力優(yōu)于下壓型攪拌器，3WHu的傳質(zhì)系數(shù)比HBT2WHd高53％，HBT2WHu和3RT的傳質(zhì)能力居中。而表觀氣速較高時(shí)(通氣量為10wm)，在相同的比功率輸入情況下所有攪拌組合的傳質(zhì)能力相近。開(kāi)發(fā)的三電導(dǎo)探針測(cè)得了局部的氣含率表明：對(duì)于3RT，最高的氣含率位于底層槳葉排出區(qū)，其次是中層和頂層槳排出流的上下方靠近壁面的位置。HBT2WHd的底層槳的氣含率與RT槳相似，主體區(qū)氣含率分布比較均勻。HBT

5、2WHu和3WHu組合中，兩層上翻型槳葉之間的氣含率較高，頂層槳上方的氣含率相對(duì)較低。氣泡的速度場(chǎng)分布表明在通氣情況下，RT槳同樣形成兩個(gè)循環(huán)，但下方的循環(huán)比上方的更靠近器壁。在攪拌控制的條件下，混合時(shí)間隨著通氣量的增加而增加。總的來(lái)說(shuō)，上翻型槳葉組合3WHu和HBT2WHu組合的傳質(zhì)和混合特性是比較好的。采用低濃度的CMC溶液替代茵絲發(fā)酵液來(lái)研究反應(yīng)器內(nèi)氣泡大小和傳質(zhì)特性。發(fā)現(xiàn)相同功率輸入時(shí)，上翻操作的槳型組合的氣含率要高于下壓操作以