机械搅拌生物反应器中搅拌速度对流场的影响

机械搅拌生物反应器中搅拌速度对流场的影响

计算流动态（rcd）是通过计算机值计算和显示图像，分析包含流动态流动和相关物理现象的系统的流动态变化。CFD已在很多专业领域获得了广泛应用,从化工行业到飞机制造业,从汽车工业到环境科学,都有成功应用CFD的例子,其还可以应用在食品工业中。但是关于CFD在生物反应器方面应用的研究报道很少。Mixsim是Fluent公司开发的模拟搅拌流动的CFD软件,是应用在搅拌容器中流体动力学模拟的分析工具,使用者能快速得到搅拌容器的计算模型,并且迅速的得到混合特性,使用Mixsim软件能够将流体流动现象及化学反应可视化,提供工程人员整体性定量报告。生物搅拌反应器以其操作简单、不容易染菌等优点被广泛应用于微生物发酵中。有些微生物对反应器内的剪切力大小、空气体积分数及混合状况等因素非常敏感,而这些因素都与搅拌有关。人们为了明确这些因素与搅拌反应器的尺寸参数,及搅拌反应器操作参数(转速、通气速率等)的关系,从工程的角度对这些因素进行经验关联,并希望以此来指导微生物发酵的放大培养。然而,搅拌桨叶与挡板间的相对运动使得搅拌反应器内部的这些因素极度不均匀,以往采用经验关联式将整个搅拌反应器看成一个均匀体系的假设与实际情况存在着很大的差异,并不能对微生物发酵进行很好的指导。近年来,CFD的发展为这一研究指明了方向。真菌发酵产L-乳酸的研究已经有较长的历史,许多研究者利用真菌进行深层发酵生产L-乳酸。真菌在深层发酵过程中菌丝体可以形成多种形态,如丝状、絮凝成团块状、或者是球状即菌丝球。一些研究者对菌丝形态对发酵产酸的影响进行过实验研究,并取得了一些成果。Liao等采用米根霉ATCC20344进行L-乳酸生产的研究,并对碳源、氮源及金属离子对菌丝形态及其发酵产L-乳酸的影响进行了研究,结果发现金属离子对菌丝球的形成影响不大,但是添加金属离子可以加快菌丝体的生长,可以通过调节碳源、氮源以及CaCO3的浓度等来调节菌丝球的大小,并且不同直径的菌丝球可以获得不同比例的副产物。Miura等研究了不同接种量、pH值对菌丝球直径及其发酵产L-乳酸的影响,结果表明可以通过控制接种量来控制菌丝球大小从而提高产量。众所周之,机械搅拌生物反应器中菌丝球的形成及大小与搅拌的剪切速率及流体的流态影响很大,但是具体实验研究近期鲜见报道。本实验将CFD中的Mixsim软件引入到生物搅拌反应器的研究中,用以对搅拌反应器内的主要因素——剪切速率进行模拟,重点研究不同搅拌转速对搅拌流场的影响,并以此研究米根霉发酵产乳酸中搅拌转速对菌体形态及产酸的影响。1材料和方法1.1搅拌转速对剪切速率的影响对于机械搅拌生物反应器,在搅拌转速较大(200r/min以上)、通气流量较小(小于0.5L/(L·min))的情况下暂时忽略通气流量对搅拌及剪切速率的影响。本实验对实验室现有发酵罐(3L机械搅拌发酵罐,镇江东方生物工程公司)进行计算模拟,主要软件有Mixsim2.0、Fluent6.2.16,模拟不同搅拌转速对剪切速率的影响。采用Mixsim可以自动生成生物反应器简图,生成的生物反应器的结构如图1。1.2融资平台模拟Mixsim软件能协助工程人员在设计搅拌容器或反应器时找出设计不良的原因,预测搅拌容器中流体流动及完整的混合情形,甚至包含了搅拌应用中重要的化学传输现象,后处理可显示混合容器中单一及多相的质量、动量与热能交换,工程人员可获得完整定量报告,如混合时间与最小悬浮速度,容易进行粒子动画后处理,可获得混合过程统计资料,计算过程以混合特性的特点进行求解,是工程人员最佳的解决方案。Mixsim软件有以下技术特点:1)交互式、完全参数化的槽体和桨叶几何自动生成;2)内置多种常用搅拌桨的几何参数数据库;同时也可以自己定义叶桨模型,导入到Mixsim软件中进行计算;3)自动的网格生成;4)具有多种桨叶处理模型,包括黑箱模型、多重参考系模型、滑移网格模型;5)基于Fluent求解器,可以快速、准确地模拟搅拌槽内的流动;6)与Fluent软件之间可以进行自由切换;7)可以用来计算多种搅拌问题,如单相流体、混合物、泥沙、带有化学反应的搅拌问题等;8)在计算完成之后,能够直接得到叶片上的扭矩,以及转动所需要的功率。CFD模拟计算条件为:反应器直径0.12m;液面高度0.19m;搅拌桨直径0.06m;挡板数3;桨叶数4;搅拌桨数2;32℃水温、模拟流体密度ρ=1180kg/m3条件下分别设定200、300、400、500、600r/min得到5种不同性质的流体。本实验结合生物反应器的结构特点及发酵液的液体特性,设定模拟方法,根据Mixsim软件默认的方法进行,其中采用标准的K-ξ双方程,多参考旋转坐标。迭代计算选择1000次,得到收敛结果,保证最小转速200r/min与最大转速600r/min条件下最后迭代残差都低于0.001。1.3菌种培养方法为了进一步验证搅拌转速引起的剪切速率对米根霉发酵产酸及菌体形态的影响,对不同转速下米根霉发酵产乳酸过程进行实验研究。菌种采用米根霉As3.819(合肥工业大学生物与食品工程学院发酵实验室保藏菌种),保存在PDA培养基上,每2个月转移一次斜面。孢子由PDA培养基产生,用无菌蒸馏水洗下孢子制成悬液。培养基组成为:葡萄糖120g/L、(NH4)2SO42g/L、NaH2PO40.160g/L、KH2PO40.140g/L、MgSO4·7H2O0.25g/L、ZnSO4·7H2O0.11g/L、CaCO360g/L。培养方法:3L机械搅拌发酵罐,装液量2.5L,转速400r/min,32℃恒温,通气量2L/(L·min),发酵60h结束。乳酸测定采用EDTA定钙法,菌丝球直径采用游标卡尺测量,菌体成球概率为菌丝球质量与总菌体质量之比。2结果与分析2.1流场强度分析根据以上设计方法对不同转速下反应器内剪切速率进行了模拟分析。迭代计算结果如图2所示。观察分析图2A,同一搅拌轴上的上下两层两个搅拌桨的剪切速率是不同的,上层搅拌桨的速度明显大于下层搅拌桨的速度,通过剪切速度分布图可以看出,在叶片尖端速度最大。同一条件下模拟出的反应器内部的流速分布在对称面上分布不均匀,这是由于反应器含有三块挡板,在做45°剖面图时,有一对称面离挡板较近,由此产生了对称面流速及剪切速率分布不均的现象。根据流体形态将反应器内的流场区域分为1~9个区(图2C),同一条件下,1~9区域的流速分布不均匀,在2、3、7、8区,由于上下两层搅拌桨产生的流速场交叉,使得每个搅拌桨形成的环流区非常明显,双环流区明显,但是反应器底部4、5、6区流速分布不集中,没有大的环流区形成,这与反应器的结构等有关,下层搅拌桨离反应器底部的距离直接影响着反应器底部液体的湍流强度。随着搅拌桨转速的增大,搅拌桨的速度矢量、液体流速及剪切速率都在增大。在200、300、400、500、600r/min时的最大剪切速率分别为0.81、1.19、1.58、1.97、2.46m/s。通过以上模拟分析可知,在不同搅拌转速下,反应器内的流场强度是不同的,根据图2分析,搅拌转速越大,流场强度越大,并且通过该模拟方法可以直接算出某一转速下的剪切速率范围。如果能够通过小试及中试阶段对发酵过程的模拟,获得流场强度与发酵效率的关联模型,可以以此方法来模拟放大过程,寻找最佳放大发酵工艺条件。2.2不同转速条件下发酵条件优化搅拌转速主要通过改变发酵液的传质、溶氧来影响发酵效果,另外对于米根霉发酵产乳酸,转速对菌体的剪切作用很重要,尤其是对菌体的形态结构影响很大。从菌体生长及其形态的角度分析,由图3可知,搅拌转速在200~600r/min之间,随着转速的增大,菌体干质量浓度减小,菌球直径减小。高转速(600r/min)时菌体受较大剪切力作用被剪切成细小碎片,在搅拌剪切力作用下形成菌丝球,在高转速下菌体成球的概率可以达到98%以上,菌丝球直径在0.1~0.3mm,同时较强的剪切力对菌体造成破坏,部分细胞结构被破坏,影响了菌体的正常生长,导致生长过慢;在较低转速时(200~400r/min)由于剪切作用较弱,只有少数菌丝体被剪切形成菌丝球,菌球形成概率较低,菌丝球较大,直径在1.2~2.0mm,大部分以游离菌丝体的形态存在于发酵液中,剪切作用对菌丝体生长影响较小,菌体生长快速。从菌体代谢角度分析,低转速时乳酸产量较高,超过100g/L,随着转速的增加乳酸产量明显下降,在500r/min和600r/min下乳酸产量较低,小于90g/L,这主要是由于高剪切力作用下菌体被破碎,细胞得到破坏,影响了菌体正常的生理代谢,从而导致乳酸产量的大幅度降低。低转速下,虽然菌体可以正常生长,但是当菌体生长到一定程度,过多的菌丝在发酵液中增加了发酵液的黏度,影响了传质传氧,进而影响菌体的正常代谢。高转速时菌体生长较慢,菌体直径小,产酸较低,但是较高转速下得到的发酵液清澈(菌体是菌球的形式,容易利用菌球自重与发酵液分离),并且发酵终点之后的菌球还可以重复利用。在低转速下,产酸量高,菌丝体生长较快,大部分以游离菌丝体的形态存在于发酵液中,容易缠绕在搅拌桨及挡板上,影响后期发酵的进行,并且游离菌丝体不利于后期的产品分离。综合考虑发酵产酸及生产实际,采用400r/min为优化工艺条件,此时乳酸产量为106.7g/L,菌体80%为菌丝球,直径为1.0~1.5mm。综合分析CFD模拟技术优化结果与实际发酵实验结果,400r/min时剪切速率最大值为1.58m/s,此时米根霉发酵产乳酸量较高。3菌株设计及模拟过程需要配合通过模拟计算及发酵实验两个结果的考察,可以得出在400r/min时,反应器内产生的剪切速率适合于形成大小合适、结构致密的菌丝球,直径为1.0~1.5mm,并且该菌丝球产酸高,有利于后期发酵液的分离,菌丝球有利于后期重复利用。结合模拟分析,搅拌桨剪切速率最大值为1.58m/s时有利于形成大小合适,结构致密的菌丝球,有利于发酵生产乳酸。通过该模拟计算结合发酵实验,可以寻找适合米根霉发酵产乳酸的工艺条件,并试图以该模拟结果作为后期发酵放大的依据进行放大实验,用以指导生物反应器的设计开发。该工作还有待于进一步的研究。一些研究者采用CFD技术对生物反应器进行模拟,通过调节转速、搅拌桨形式、搅拌桨位置以及通气流量来模拟生物反应器的工作过程,并且已经取得了一些结果。应用CFD技术对生物反