（材料加工工程专业论文）搅拌发酵罐内气泡流的数值模拟研究.pdf

硕士学位论文 摘要 当今国内外柠檬酸的制备主要采用发酵生产法，我国的发酵技术和菌种培育 技术己处于世界领先水平，但是发酵设备比较陈旧，大多仍沿用传统的通用发酵 罐。由于发酵罐内气泡液体两相流的复杂性，发酵罐内流体湍流运动、气泡的运 动规律、溶氧过程的精细化研究较困难，溶氧率普遍偏低。溶氧率偏低的原因至 今还不是十分清楚，新型发酵罐的开发研究进展缓慢，导致工业生产中氧气利用 率低，能源耗费较大。本文采用实验室试验和c f d 模拟技术，开展了发酵罐内流 体湍流流动及气泡运动规律的研究，通过对发酵罐内的气泡分布规律的认识，探 讨了工业生产中溶氧效率低的原因。 在实验条件下，设计建设了发酵罐气泡流的模型试验装置，建设了实验流程， 通过改变搅拌轴转速和不同的空气流量，观察了发酵罐内气泡分布规律，试验结 果可以作为分析c f d 数值模拟结果正确性的依据。模拟研究是以c f x 4 4 软件为 工具，运用流体湍流运动的基本方程组和多相气泡流模型( m u s i g m u l t i p l e s i z e - g r o u p ) ，数值模拟研究了发酵罐内流体湍流运动及液体内气泡分布规 律。 理论模拟与实验结果对比分析得出：c f d 技术模拟揭示的在发酵罐的不同区 域内的不同尺寸组的气泡群分布规律与实验中显示的气泡分布结果基本吻合，该 结果说明：c f d 技术用于对发酵罐中的气泡流的模拟研究基本可靠。实验室的试 验研究和理论模拟预测结果表明：随着搅拌罐中搅拌转速的提高，在中心轴附近 会形成大量气泡的富集，甚至组成气泡云现象，本研究推测认为，这可能是引起 溶氧效率低的重要原因之一；随着通入搅拌罐空气流量的增加，两者的研究结果 均表明：气泡群中小直径气泡的体积分数是在增加，在液体中的分散程度提高了， 本研究认为对提高溶氧率是有利。 采用c f d 数值技术，进一步地探讨了搅拌罐内液体粘度对罐内流体湍流运动、 气泡运动分布的影响规律，理论预测表明：液体的粘度的增加，能使更多的较大 直径组的气泡破碎成较小直径的气泡，提高了气体在罐内的停留时间，本研究认 为：提高液体的粘度，对液体中的溶氧是有利的。 a b s t r a c t 关键词：柠檬酸气泡流发酵罐c f d 两相流湍流 硕士学位论文 a b s t r a c t n o w ，c i t r i ca c i df e r m e n t a t i o ni st h ep r i m a r ym e a n so fp r o d u c t i o nb o t ha th o m ea n d a b r o a d ，a n dt h ef e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya n dc u l t i v a t eb a c t e r i ai no u rc o u n t r ya r e b a n n e ri nt h ew o r l d h o w e v e r , t h ef e r m e n t a t i o nd e v i c ei so b s o l e t ea n ds t i l lf o l l o w st h e t r a d i t i o n a lu n i v e r s a lf e r m e n t e r b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fb u b b l e l i q u i dt w o p h a s e f l o wi nf e r m e n t a t i o nt a n ka n dt h ed i f f i c u l t yo fs t u d yo nt h el a wo ft u r b u l e n tf l u i da n d b u b b l e sm o v e m e n ta n dt h a to fm e t i c u l o u ss t u d yo ft h ed o p r o c e s s ，t h ed or a t ei s g e n e r a l l yl o w t h ec a u s eo ft h el o wd o r a t eh a sb e e nn o tc l e a rs of a r , a n dt h es t u d yo f n e wf e r m e n t o ri sl o wp r o c e s s ，s ot h a tt h eo x y g e nu t i l i z a t i o nr a t ei sl o wa n dt h ee n e r g y c o m s u m p t i o ni sl a r g e r i nt h i sp a p e r , l a b o r a t o r yt e s ta n dc f dt e c h n o l o g yw e r ea d o p t e d t os t u d yo nt h el a wo ft u r b u l e n tf l u i da n db u b b l e sm o v e m e n t s ，t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h e d i s t r i b u t i o nl a wi nt h ef e r m e n t o r , t h er e a s o nf o rl o wd oe f f i c i e n c yi nt h ei n d u s t r y p r o d u c t i o nw a sa n a l y s e d u n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，m o d e lt e s te q u i p m e n to fb u b b l e sm o v e m e n t sw a s b u i l t ，a n de x p e r i m e n t a lp r o c e s sw a sd e s i g n e d t h r o u g hc h a n g i n ga g i t a t i o ns h a f tr o t a t i o n s p e e d ，a n da i rf l o w , t h ed i s t r i b u t i o nl a wi nt h ef e r m e n t e rw a si n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t s c a nb et h ee v i d e n c ef o ra n a l y s i n gt h ea c c u r a c yo fc f ds i m u l a t i o n s i m u l a t i o ns t u d y b a s e do nt h es o f t w a r eo fc f x 4 4 t h eb u b b l e sd i s t r i b u t i o nl a wi nt h ef e r m e n t o rw a s s t u d i e d b yu s i n gt h et u r b u l e n te q u a t i o n sa n dt h em u l t i p h a s em o d e lo fm u s i g ( m u l t i p l e - s i z e g r o u p ) c o m p a r e dt h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h eb u b b l eg r o u p s d i s t r i b u t i o nl a wi nd i f e r e n td i s t r i c t sa n ds i z e sr e v e a l e db yc f ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y b a s i c a l l yt a l l i e sw i t ht h el a b o r a t o r yt e s t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts i m u l a t i o ns t u d yo n b u b b l ef l o wi nt h ef e r m e n t o rb yc f dt e c h n o l o g yi sb a s i c a l l yr e l i a b l e t h er e s u l t so f l a b o r a t o r yt e s ts t u d ya n dt h e o r i t i c a l s i m u l a t i o n a l p r e d i c t i o n s h o wt h a t ，w i t ht h e i n c r e a s i n gi na g i t a t i o ns p e e di nt h ef e r m e n t o r , al a r g en u m b e ro fb u b b l e sa r ee n r i c h e di n t h ev i c i n i t yo fc e n t r a ls h a f t ，e v e nf o r mt h eb u b b l ec l o u d s t h i si so n eo ft h ei m p o r t a n t r e a s o n so ft h el o wd oi nt h es t u d y t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o ns t u d ya l li n d i c a t e i i i a b s t r a c t t h a tt h ev o l u m ef r a c t i o n so ft h es m a l l s i z ea n dm e d i u m s i z eb u b b l e si nt h eb u b b l e g r o u p si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eb u b b l ef l o w a n dt h eb u b b l e si nt h el i q u i d b u b b l e sh a sh i g h e rd i s p e r s i o n ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt oi n c r e a s et h ed or a t e t h ei n f l u e n c eo fv i s c o s i t yo ft h ef l u i dt ot u r b u l e n tf l u i da n db u b b l e sm o v e m e n ti n t h ef e r m e n t o ri sf u r t h e rs t u d i e dw i t hc f ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h e o r i t i c a lp r e d i c t i o n s h o w st h a tm o r eo ft h el a r g e r - d i a m e t e rb u b b l e sa r eb r e a k e di n t os m a l l e ro n e sw i t ht h e i n c r e a s ei nt h ev i s c o s i t yo fl i q u i d a n dt h er e s i d e n c et i m eo fg a si nt h ef e r m e n t o r i n c r e a s e s i ts h o w st h a tt h ei n c r e a s eo f v i s c o s i t yo ff l u i di sh e l p f u lt oh i g h e rd o r a t e k e y w o r d ：c i t r i ca c i d ；b u b b l ef l o w ；f e r m e n t i o nt a n k ；c f d ；t w o p h a s ef l o w ；t u r b u l e n t f l o w i v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 柠檬酸简介1 1 1 1 柠檬酸的性质1 1 1 2 柠檬酸的制备1 1 1 3 柠檬酸的用途3 1 1 4 柠檬酸的生产发展4 1 1 5 柠檬酸的生产现况4 1 1 6 柠檬酸的市场展望5 1 2 发酵罐简介5 1 2 1发酵罐的现状5 1 2 2 搅拌器的改进6 1 2 3 通气装置的优化7 1 2 4 新型发酵罐的开发9 1 3 论文研究的目的和意义9 1 4 论文研究的内容和思路9 第2 章发酵罐的实验研究1 0 2 1 实验装置1 0 2 2 实验流程和实验内容1 l 2 3 气泡尺寸及其分布1 l 2 4 气泡尺寸及其分布的测量方法1 2 2 5 实验目的1 2 2 6 实验结果和分析1 3 2 6 1 搅拌转速的影响规律1 3 2 6 2空气流量的影响规律1 6 2 7 本章小结1 9 第1 章绪论 第3 章发酵罐的数值模拟研究2 0 3 1c f d 技术简介2 0 3 1 1c f d 技术的发展和现状2 0 3 1 2 c f d 技术基本原理2 l 3 1 3a n s y sc f x 4 简介2 1 3 2 气液两相流c f d 研究进展2 2 3 3 气液两相流模型2 3 3 3 1 湍流多相流方程组2 3 3 3 2 群体平衡方程2 4 3 3 3 破碎模型2 5 3 3 4 融合模型2 6 3 3 5 湍流模型2 7 3 3 6 传热模型2 8 3 4 发酵建模总体规划2 9 3 4 计算空间的网格划分2 9 3 6 边界条件3 0 3 7 计算方法和策略3 1 3 8 模拟计算的物系和工况3 1 3 9 模拟计算结果和分析3 3 3 9 1 模拟计算一3 3 3 9 2 模拟计算二4 0 3 9 3 模拟计算三4 9 3 1 0 本章小结5 6 第4 章结论和展望5 7 4 1 结j 沧5 7 4 2 展望5 8 参考文献5 9 硕士期间发表论文6 3 硕士学位论文 致谢6 4 硕士学位论文 第1 章绪论 柠檬酸是世界上以生物化学方法生产最大的有机酸。主要应用于食品工业， 如酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、风味增进剂、胶凝剂和调 色剂等，并且在医药、化学、电子、纺织、化妆品、石油、皮革、建筑、摄影、 塑料、铸造和陶瓷等工业领域中都有十分广阔的应用。 我国六十年代开始研制柠檬酸，七十年代开始进行工业化生产。现在，经过 四十年的发展，我国的柠檬酸发酵技术已走在世界前列。我国柠檬酸产量和出口 量已连续多年居世界第一，2 0 0 7 年，我国柠檬酸已达7 0 万吨，占世界总产量的 5 0 ，国内总产量约8 0 出口，占世界贸易量的5 0 【l 】。 近年来，发酵技术由于传统的以薯干为原料的发酵法存在环境污染严重，生 产成本高，产品质量低等问题，开发出了以玉米粉、稻米和秸秆为原料的生产方 法，成本大大降低，并且废物排放减少。 1 1 柠檬酸简介 1 1 1 柠檬酸的性质 柠檬酸( c i t r i c a c i d ) 又名枸橼酸，分子c 6 h 8 0 7 ，学名2 羟基丙烷一1 ，2 ，3 三羧酸， 无色透明斜方晶系晶粒，它的特征是无嗅、强酸味，其味度值为0 0 0 2 5 。柠檬 酸微潮解，易溶于水和酒精，不溶于有机溶剂如氯仿等，是一种酸性较强的有机 酸。柠檬酸主要存在于柠檬、覆盆子、葡萄汁、柑橘、菠萝、梨和桃等很多植物 中，是世界上产量较大的一种有机酸。柠檬酸主要有两种形式：一种无水化合物， 比重为1 5 4 2 ，约在1 5 3 熔融，一种一水化合物，约在1 3 5 。c 熔融。在干燥的空 气中会渐渐风化，失去结晶水，成为无水柠檬酸。 1 1 2 柠檬酸的制备 当前，我国的柠檬酸发酵技术已走在世界的前列，但在生产过程中，柠檬酸 原料成本占总成本的5 0 以上。我国地域广阔，各地区的农作物不同，各地区根 据本地区的农作物情况选择了适合的发酵原料来降低成本，提高了柠檬酸生产的 竞争力 2 】。近年来，研究出了以玉米粉、稻米和秸秆为原料的生产方法，使生产 第1 章绪论 成本大大降低，并且采用工业离子色谱法、母液净化处理和循环利用废糖液等技 术对生产工艺进行了改进，降低了生产成本，减低了能耗和污染物的排放【3 j 。通 过这些改进，柠檬酸产品质量得到了提高，生产成本得到降低，环境的污染得到 了减少等。 柠檬酸的工业生产方法主要有两种：一种是以天然含柠檬酸的果实为原料， 用榨汁提取的制备法；另一种是发酵生产法，而发酵生产法是目前国内外生产的 主要方法。 ( 1 ) 水果提取法 柠檬酸可以从柠檬、橙、橘子和苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取，现在 水果生产已经产业化，产量与以前相比提高很多，水果法提取柠檬酸是可行的， 但这种方法成本高，无法工业化生产 4 o ( 2 ) 生物发酵法 柠檬酸主要采用表面发酵、固体表面发酵和深层发酵三种发酵方法 5 1 。 表面发酵法，又称浅层发酵法，多以甜菜糖蜜为原料制取。工艺过程为：将 原料放入煮沸锅内加水煮沸，依次加黄血盐和e t d a 二钠盐煮沸灭菌，再用无菌 水配成培养基液，加入适量的硫酸铵、磷酸二氢钾作为氮源和营养盐，将培养基 液在4 5 - - 5 0 下送入发酵室内装入浅底的铝盘或不锈钢盘中，干孢子中接入黑曲 霉干孢，发酵；过滤掉菌丝后将发酵液中和、酸解、净化、浓缩和结晶等后处理 而制得柠檬酸。在本世纪5 0 年代，此工艺用于柠檬酸生产，可将含量的8 0 - - 8 5 ( 质量) 糖转化为柠檬酸，但需大量不锈钢或纯铝制的浅盘，占地面积太大，故 不适宜工厂大规模生产。 固态发酵法是多以海藻酸钙为载体，也有采用聚丙烯酰胺( 一种常用的包埋材 料) ，其具有相当好的强度、弹性和化学惰性。固定化方法以后者为例，将丙烯酰 胺单体和n ，n 亚甲基双丙烯酰胺溶于水后与微生物细胞混合搅拌，加入四甲基 乙二胺和过硫酸钾，室温下放置3 0 m i n ，使之聚合完全，制得凝胶，将其切成3m m 3 m i n x 3m m 的小块，用生理盐水洗净后作为载体进行发酵，提取，制得柠檬酸。 深层发酵法是采用深层液体通风发酵工艺生产柠檬酸，采用深层液体发酵法 有许多优点 5 ：( 1 ) 发酵体系是均匀的液体，传热、传质良好，不存在死区；( 2 ) 设备占地面积小；( 3 ) 生产规模大；( 4 ) 发酵速度快；( 5 ) 产酸率高；( 6 ) 菌体 2 硕士学位论文 生成量少，从而用于合成菌体的营养物质消耗少，而且后道菌体分离的工作量也 减轻；( 7 ) 发酵设备密闭，杂菌污染的可能性减少，管理方便；( 8 ) 完全实现机 械化或自动化操作，因此劳动强度低，劳动生产率高。 1 1 3 柠檬酸的用途 柠檬酸是世界上以生物化学法生产量最大的有机酸 6 j ，由于其无毒、水溶性 好、酸性适中和价格低廉等优点，目前广泛运用于食品、医药、化学、化妆品和 纺织等工业中，其中食品工业最多，占产量的7 0 。 食品方面，柠檬酸是食品工业应用最广泛的酸味剂，占食品酸味剂用量的6 0 以上，同时作为食品添加剂中的调味剂和防腐剂，具有温和的酸味，可改善食品 风味增强食欲主要应用于饮料、果酱、水果酒、水果糖、冰激淋和糕点等品种中。 另外还可用于抗氧化性和番茄、豆类、胡萝卜等罐头的p h 调节剂，柠檬酸作为 重要的食品酸味剂不仅能改善食品风格，而且还能抑制微生物生长、护色、改善 黏度和流变性等作用。 医药方面，主要用作抗凝血剂、解酸药、矫味剂及各种药剂。柠檬酸可防止 血液中凝血酶的生成、其下游产品柠檬酸钠、钾可用于输血剂、抗凝血剂、化痰 药和利尿药；柠檬酸铁和柠檬酸铵可作为补血药和营养强化剂等；柠檬酸铜可用 作收敛剂；柠檬酸酯是无毒增塑剂，可被生物降解、无污染，已被美国f d a 批准 用于医疗卫生制品和食品包装薄膜。 化工方面，柠檬酸作为有机中间体中的原料、可生产增塑剂和洗涤剂如柠檬 酸钠、柠檬酸铁铵、柠檬酸酯和衣康酸及酯等，柠檬酸和铵盐可作为防锈剂，柠 檬酸钠是绿色环保的无磷洗衣粉的主要原料，柠檬酸可用于配置多种护肤产品如 防晒霜，加酶制品、润肤霜、芦荟脂质体、抗衰老产品、无油面膜和皮肤滑爽霜 世 彳手o 在建筑施工中，可作混凝土缓凝剂提高工程抗拉、抗压和抗冻性能，还可防 治龟裂，高纯度的柠檬酸( 含量在9 9 9 以上) 可用于半导体等电子部门。电镀业 用作电镀液的p h 值调整剂，印染业用作染料的防染剂，作金属清洁剂、油脂抗 氧剂、混凝土缓凝剂、锅炉清洗剂、无毒增塑剂和管道清洗剂等，还可作化学试 剂，用作多价螯合剂，用于配制缓冲溶液，测定血钾，检定铋和亚硝酸盐等。 1 1 4 柠檬酸的生产发展 3 第1 章绪论 在自然界中，柠檬酸的分布很广，主要存在于柠檬、柑橘、菠萝等果实中， 从水果中提取天然柠檬酸始于1 7 世纪末，方法是在榨取的果汁中添加石灰乳，以 柠檬酸钙的形态提取成柠檬酸纯品。近代，柠檬酸的生产绝大多数采用微生物发 酵法。早在1 9 2 3 年，美国“弗采”公司已建立了浅盆法生产工厂，之后比利时糖 厂利用糖蜜原料生产柠檬酸；1 9 5 0 年，美国迈尔斯公司首先采用深层法大规模生 产柠檬酸，到2 0 世纪6 0 年代后期，柠檬酸的世界总产量已达1 2 万吨。目前世界 总产量已达约7 0 万吨。 我国柠檬酸在建国前是空白的，建国以后，经老一辈科学家的努力，到6 0 年 代建立起柠檬酸工业体系。我国于1 9 6 8 年在黑龙江建立了第一个柠檬酸生产车间， 其后又在四川、广东等地相继采用糖蜜原料进行深层发酵研究。1 9 6 9 年，首次在 上海采用5 立方米的大罐，以薯干为原料，用深层法实验生产柠檬酸，取得空前 成功( 菌种为黑曲霉n 5 5 8 ) 。利用薯干粉为原料进行深层发酵生产柠檬酸，不仅 原料供应丰富，工艺简单、而且毋须添加营养盐，更毋须添加酸促进剂，产酸水 平也很高 j 。 1 1 5 柠檬酸的生产现况 柠檬酸的生产的关键技术是发酵工艺的研究和菌种的培养，我国的菌种和发 酵技术特别是深层直接发酵技术国际领先 8 , 9 1 0 】。 甘肃临泽雪晶公司是用玉米生产柠檬酸，年产一水和无水柠檬酸万吨以上，核 诱变菌种技术、连续中和、酸解等高新技术的应用，使平均产酸率达1 3 以上( 玉 米粉发酵) ，发酵转化率达9 6 以上，提取收率7 8 以上。 安徽蚌埠柠檬酸厂，生产周期仅6 0 j , 时，技术领先，产品质量稳定，成本低， 开发的以白薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，近8 0 的产品销往美国和 日本。 用米粉生产柠檬酸是继我国首先用薯干、淀粉、玉米粉等为原料生产柠檬酸 之后，又一重大技术突破，标志着世界柠檬酸产销量第一的中国在柠檬酸菌种和 发酵工艺方面达到了国际先进水平【1 1 1 。 1 1 6 柠檬酸的市场展望 目前我国的柠檬酸产品年出口量占到国内总产量的8 0 左右，全球年需求量 约为1 5 0 万吨，且以年5 左右的速度递增 1 2 。我国年生产能力达到7 0 多万吨，国 4 硕士学位论文 内消费1 5 万吨，其余都供出v i 。切，对环境资源的污染和破坏也越来越严重。2 1 世纪，特别是考虑生态、经济及社会因素，综合采取措施以确保经济、社会、资 源和环境四大系统协调发展的长期战略思想。柠檬酸行业将在公平竞争的环境下， 走可持续发展的清洁化生产之路3 1 。 随着我国柠檬酸行业的发展，企业之间的竞争也日趋白热化在柠檬酸生产 中，原料成本占总成本的5 0 以上我国地域广阔，不同地区的农作物各具优势， 应根据本地区的农作物情况选择适合的发酵原料来降低生产成本，提高柠檬酸生 产企业的竞争力。木薯是热带、亚热带作物之一，具有适应性强、种植地域广泛 的特点，种植区域主要分布在我国广西、广东、云南、海南和福建等省。因此， 这些地区的柠檬酸生产企业可以利用当地的原料。 我国是柠檬酸生产大国，但人均柠檬酸消费量很低。目前美国人均年消费柠 檬酸1 埏，而中国仅为0 0 5k g ，市场潜力巨大，应该大力拓展。 1 2 发酵罐的简介 1 2 1 发酵罐的现状 发酵罐是生化、食品、医药、农药和化工等生产领域的常用设备。优良的发 酵设备必须具有严密的结构、良好的液体混合性能、高的传质和传热速率以及可 靠的检测及控制仪表，才能获得最大的生产效率。发酵工厂用的最多的是传统的 通用发酵罐( 机械搅拌发酵罐) ，主要是由于机械搅拌发酵罐的灵活性，操作方式的 多样性，特别是涉及高粘度非牛顿型发酵液，具有独特的优点，因此在发酵领域 仍占据统治地位。通用发酵罐的气体分散和醪液循环主要由搅拌器来完成，它存 在能量消耗大，罐内结构复杂，染菌机会较多，设备造价高等缺点 1 羽。 我国的菌种、发酵技术，特别是直接深层发酵工艺在国际上处于领先地位。 但是发酵设备比较陈旧，其中关键的生化反应设备发酵罐还是沿袭传统的通 用式发酵罐。设备全容积通常为1 0 0m 3 ，高径比2 5 - - 一2 8 ，搅拌功率一般为1 1 1 2k w m 3 ，通气量0 1 5 o 1 8n m 3 m 3 ，培养周期6 0 - - 7 5h ，平均电耗2 0 0 0 - - 2 4 0 0 k w h t ( 其中发酵罐电耗占2 5 2 8 ) ，同时搅拌器结构型式和通气装置较为落后。 随着我国发酵技术的发展，高产菌种的获得和丰富培养基的采用，这种传统 的发酵罐已不能满足高产菌种的需氧要求。一般情况，发酵罐结构设计应满足下 5 第1 章绪论 列要求 1 5 】：( 1 ) 结构简单、严密和耐蚀性好，能经得起蒸汽得灭菌消毒：( 2 ) 有良好 得气一液接触和液一固混合性能；( 3 ) 有良好得热交换性能，以适应灭菌操作和使 发酵在最适宜得温度下进行；( 4 ) 在保证正常发酵得前提下，尽量减少搅拌、通气 所消耗的动力；( 5 ) 尽量减少泡沫的产生，以提高装料系数增加放罐体积；( 6 ) 设有 必要、可靠得检测及控制仪表。 近年来，为使发酵罐能适应不同发酵液的培养条件，增产降耗，柠檬酸行业 对改进发酵罐结构、提高发酵罐效率做了许多研究工作 1 6 1 7 ，积累了丰富经验， 主要集中在以下三个方面的改进：( 1 ) 通气装置的优化；( 2 ) 搅拌器的改进；( 3 ) 开发 研制了新型高效的发酵罐。 1 2 2 搅拌器的改进 搅拌器的目的是使液体混和均匀，其机理是搅拌器可以加强气液间的湍流流动， 增加气液接触的面积并且延长气液接触时间。随着发酵工业的快速发展，搅拌器 也得到快速的发展，各种新型搅拌器得到推广和运用。 搅拌器大体分为三类：径向流涡轮搅拌器、轴向流搅拌器和组合式搅拌器。 r u s h t o n 涡轮是最典型的径向流涡轮搅拌器 1 8 】。其结构比较简单，通常是一个 圆盘上面带有六个直叶叶片，故也称为六直叶圆盘涡轮。六直叶圆盘涡轮在许多 条件下能够满足工艺的需要，同时其结构非常简单，容易加工制造，所以其应用 比较广泛。但它不是气液分散的最优结构，v a n tr i e t ，s m i t h 和n i e n o w 等 1 9 , 2 0 发 现当用六直叶圆盘涡轮式搅拌器把气体分散于低粘流体时，在每片桨叶的背面都 有一对高速转动的漩涡，漩涡内负压较大，从叶片下部供给的气体立即被卷入漩 涡，形成气穴。气穴的存在使得搅拌器在充气时的旋转阻力减小，因而造成搅拌 功率降低，约为不通气时的4 0 左右。 我国传统的平叶式、弯叶式 2 、箭叶式等圆盘涡轮搅拌器大多采用的是多层 相同的径流型搅拌器。径流型搅拌器的剪切效果好，打碎气泡增加气液接触界面， 但是整个发酵罐的整体流动循环性差。在叶轮间距选择不当时，常常会产生搅拌 盲区或重叠而影响搅拌效果。而且，传统搅拌功率消耗大，特别是在未通气时， 功率比通气大1 倍以上，使在选择动力时被迫加大电动机型号，影响了发酵设备 的大型化发展。随着现代的生物发酵生产规模不断增大，工艺控制要求不断提高， 应用最新技术的新型搅拌器投入生产，以达到生产高效、稳定、节能和快速实现 6 硕士学位论文 产业化，给企业带来经济效益l 2 2 | 。 m a x f l o 搅拌器是典型的轴流式搅拌器，轴流式搅拌器在国内也得到广范的应 用 2 3 1 ，是因为它对气体的分散能力比较强。但是，轴向式搅拌器作用范围小，随 着发酵规模的不断扩大，它的缺陷越来越明显。 为了避开径向式和轴向式搅拌器的缺点，开发了径流式和轴流式组合式搅拌 器。y h 6 型圆弧叶圆盘涡轮搅拌器、p t 6 型抛物线圆盘涡轮搅拌器、y v 6 型翘叶圆 盘涡轮搅拌器等的叶片经过特殊弧型设计，以减少搅拌叶片背面旋涡的产生，抑 制了气穴的形成y h 6 、p t 6 、y v 6 型搅拌器的轮毂为可拆式，搅拌叶片直径大小 可调节，很方便地直接安装在发酵罐底部气体分布器的上方，将大的空气气泡打 碎成微小气泡， 在叶轮上下均匀地分散并能非常有效的抑制大通风量时形成的 “气泛”现象。叶轮强劲的排液量带动小气泡在罐内进行充分地再循环，增加了氧 与液体的接触。 目前，在发酵行业中我们提供的新型组合式搅拌器使用很广泛，操作弹性大、 适应性强，从小型到大型微生物发酵装置和提取装置过程都可以应用，不但提高 了发酵的各项指数，同时也取得明显的经济效益。 1 2 3 通气装置的优化 发酵罐通气的目的是使发酵液维持一定的溶解氧，以利于菌体的代谢。发酵罐 传统的通气有两种，一种为单根通气管结构，另一种为环形的钻有小孔的通气管结 构。 对于有些发酵工艺，通气比大，当空气通入发酵罐后就迅速上升并逸出发酵液， 其底层的机械搅拌就不能把通入的空气全部细化，有一部分气体未经打碎就排出 了发酵罐，这一部分空气几乎没有参与发酵的代谢就浪费了。 为伎发酵罐能适应生化反应的要求，同时达到增产、节能降耗的目的，将传 统的鼓泡式发酵罐改造为喷环式好氧发酵罐 2 4 , 2 5 】，使发酵罐的反应机理由传统的 鼓泡传质转化为乳化传质。气液型喷射器是发酵罐装置中的关键部件之一，工作 机理是通入发酵罐内压力为p l 的压缩空气p p 从喷口喷出，在其静压能转换为速度 能的同时，使喷射器吸入口的压力降低到p l ，在压缩空气的喷射作用下，将重度 为r l 的发酵液v l 吸入并随空气一并进入喷射器扩散管，在扩散管喉部，气、液二 相由初步的混合发展为激烈的混合震荡并产生气体动力沫化和压力沫化，使发酵 7 第1 章绪论 液和空气被粉碎成大量的微小粒群，造就气液间一个高度湍动、扩展且表面不断 更新的乳化界面，试验表明：气泡直径随着通气量v p 的增大或喷咀推动力( p p p i ) 的增加而减小，乳化程度加剧。以后随着扩散管扩张断面的增大流速下降，静压能 得以逐步恢复，依靠喷射器扩散管出。入口处的压力差( p 2 p 1 ) 和重度差( r 1 r 2 ) ，并借 助于喷射器的切线布置结构，使气液二相混合物产生与机械搅拌器旋转方向一致 的径向全循环的喷射旋流运动。 因为使用了气液喷射混合装置使空气在料液的溶氧量得到了提高。该溶氧量 可以满足发酵前8 小时的好氧量，所以可以在发酵0 8 小时不用开搅拌。发酵罐改造 p p _ _ - 哆 23 l 喷嘴2 连接装置3 扩散管 图1 1 喷射器示意图 f i g 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe d u c t o r v 后运行电流的变化：利用压缩空气的动能，在发酵罐下部设立喷射管，使之形成 气体推动的内环流。由于气液喷射混合装置的进气方向和搅拌的旋转方向相同。 经过多次生产性实验，在发酵罐进风量相同，不增加空压及负荷的情况下，可以 看出发酵罐改造后电流下降显著，由原来的1 8 0 a 下降为1 4 0 a 至1 3 5 a ，降幅在 3 0 左右。发酵罐改造后各项技术指标变化：在接种量、投料量，控制条件及其他 比例与原生产相同的情况下，发酵工艺仅对通风方式进行了改造。 1 2 4 新型发酵罐的开发 近年来国内相继开发、引进了多种型式的发酵罐，如自吸式发酵罐、标准式 发酵罐、气升式发酵罐 2 6 1 、喷射式叶轮发酵罐 2 7 和外循环发酵罐 2 8 等。自吸式发 酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动，形成真空将空气吸入罐内，由于叶轮转动 8 硕士学位论文 产生的真空，其吸入压头和空气流量有一定限制，因而仅适用对通气量要求不高 的发酵品种；塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内，在罐底部 通入无菌空气，通过气体分散进行氧的传递，但其供氧量也受到一定限度；气升 式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或 通过旋转的喷射管和罐外喷射泵将发酵液进行一定规律的运动，从而达到气液传 质，目前气升式发酵罐在培养基较稀薄，供氧量要求不过分高的条件下得到了较 为广泛使用，其它喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐也有一定的用途；但在发酵 工业中，仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍。 1 3 论文研究的目的和意义 针对国内发酵罐的溶氧效率低的现状，为了更深入了解溶氧效率低的原因， 为解决发酵罐溶氧低提供理论依据。本文以发酵罐内气泡尺寸大小为研究对象， 在现有c f d 技术条件下对发酵罐内气泡进行数值模拟研究，并结合实验验证c f d 技术在气液两相流上应用的可靠性。在模拟可靠性得到验证的基础上，综合考虑 粘度对气泡分布的影响。 1 4 论文研究的内容和思路 ( 1 ) 对所需解决的问题进行分析，选择合理的数值模型，并对理论模型进行推 导验证。 ( 2 ) 建立与实际柠檬酸发酵罐相类似的实验装置。对不同的空气通入量和桨叶 搅拌速度进行实验研究。 ( 3 ) 模拟实验用柠檬酸发酵罐，与其模拟结果的比较，来验证c f d 技术及模 型的可靠性。 ( 4 ) 综合考虑搅拌转速、空气流量和液体粘度对罐内搅拌气泡分布的影响。 9 第2 章发酵罐的实验研究 第2 章发酵罐的实验研究 本章运用发酵罐实验装置，通过相机拍摄发酵罐内气泡的照片，分析各个搅 拌转速和各个空气流量下气泡大小的分布情况，为下章模拟研究提供必要数据和 可靠性验证依据。 2 1 实验装置 如图2 一l ，实验装置由罐体、搅拌轴、圆盘、调速器、风机和一些管道构成。 它是根据通用发酵罐改装的，与通用发酵罐相比，实验装置有以下改装：( 1 ) 实 验装置用圆柱形平底代替圆柱形椭圆底；( 2 ) 取消了导热管；( 3 ) 用圆盘喷气代 图2 一i 实验装置图 f i g2 1g r a p ho ft h ee x p e r i m e n t a li n s t a l l a t i o n 替环形喷气，六个喷口代替原来的十个喷口；( 4 ) 四直叶圆盘涡轮桨叶代替了通 用的六直叶圆盘涡轮桨叶；( 5 ) 罐体高度1 m ，罐体直径0 3 m 。实验装置的具体 1 0 硕士学位论文 参数如表2 1 所示。 表2 1 实验装置结构参数 2 2 实验流程和实验内容 实验选择物系为水和空气代替原发酵罐里的培养液和氧气。实验装置的工作 原理是：空气经风机压缩成压缩空气，经流量计计量进入罐底部的分配圆盘，气 流从分配圆盘周边的6 个小孔喷出，在水中产生气泡。在罐体中，搅拌桨叶转动， 将气泡打碎，生成小气泡。实验通过流量计计量压缩空气的的流量，通过调速器 测量搅拌桨叶的转速。 在实验过程中，搅拌转速和空气流量都是可以改变的，实验内容：( 1 ) 空气 流量为2m 3 h ，搅拌转速分别为：1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 和5 0 0 r m i n ；( 2 ) 搅拌转 速为5 0 0 r m i n ，空气流量为1 2 、1 6 、2 0 、2 4 和2 8 m 3 h 。 2 3 气泡尺寸及其分布 气泡尺寸及其分布决定了气液界面及气泡在床层内的停留时间，并且对气液 相间传质有重要影响，是溶氧浓度研究重要内容，衡量气泡尺寸的主要指标是气 泡的s a u t e r 直径，其表达式： 第2 章发酵罐的实验研究 以= _ d 。3 ，_ ( 2 1 ) 将气泡分为若干等级，吃i 为第i 等级的气泡直径，而n i 为第i 个等级的气泡数量。 2 4 气泡尺寸及其分布的测量方法 气泡尺寸及其分布的测量方法有图像法、电导探针法、光捕集法和光导纤维 法。图像法包括照相法、摄像法、数字图像法和x 射线法 2 训。这些方法的优点是 简单、准确，但要求体系透光且不能测量浓度高的直径小的气泡。电导探针法可 以用于非透明体系，但要求气液两相的电导变化明显，且对气液两相的变化响应 不够迅速，容易被污染且对流场有干扰 3 们。光捕集法的优点是能够检测直径很小 的气泡，可测量局部的气泡尺寸及分布，但不能测量高密度的气泡。光导纤维可 测量的气泡尺寸范围较宽，对流场干扰小，且采集数据迅速、准确。但光纤的强 度较差，不适合于固体颗粒较大的系统或高表观气速条件。 本实验装置罐体为透明的有机玻璃，气泡直径最大十几毫米，因此采用简单 准确的照相法。实验采用单反照相机n i k o nd 3 0 0 ，镜头a f s1 8 - - 5 5 m m ，灯s b 8 0 0 。 相机的快门时间达到为1 8 0 0 0 s ，有效像素最大1 2 3 0 万像素，最高分辨率为 4 2 8 8 2 8 4 8 ，支持手动调焦，具有微距离拍摄的功能，能清楚的看到l m m 大的气 泡。 2 5 实验目的 ( 1 ) 近十几年来，随着计算机技术的快速发展以及流体力学相关理论知识的 不断完善，计算流体力学( c f d ) 方法应用于气液两相流研究越来越多地受到关注。 但是在很多的文献中，由于实验的复杂性和测量的难度，作者只给出了理论推导 和数值模拟数据，而没有实验的验证，这就很难证明所得数据的准确性与可靠性。 本实验是来验证c f d 技术和m u s i g 模型的准确性与可靠性的。 ( 2 ) 由于实验用发酵罐与原厂发酵罐有一定的差异，并不能完全反映实际发 酵罐内的流动与气泡分布状况，但是在某种程度上还是能反映各种变化因素下的 气泡分布变化情况。 1 2 硕士学位论文 2 6 实验结果和分析 实验过程中，为了测量气泡的尺寸大小，紧贴发酵罐罐体放置一个卷尺作为 标尺( 如图2 2 ) 。在装置正常工作条件下由相机拍摄的照片中，气泡上下两边在 标尺上投影的尺寸间的差量就是气泡的尺寸大小。 实验设置了两个可测量的变量，分别为通过流量计计量的空气流量和通过调 速器计量的搅拌转速。根据这两个变量设置了两个实验，第一个实验是在其它条 件不变的情况下，通过改变搅拌转动速度探讨搅拌转速对罐内气泡分布的影响： 第二个实验是通过阀门改变空气流量探讨空气流量对气泡分布的影响。 3 6 1 搅拌转速的影响规律 通过观察不同的搅拌转速下发酵罐内的气泡的变化情况，实验选择1 0 0 、2 0 0 、 3 0 0 、4 0 0 幂l ：1 5 0 0 r m i n 五个搅拌转速作为本实验的研究工况。 图2 2 是空气流量为2 m 3 i l 时，