14165.多層攪拌式生物反應器內(nèi)溶液流變性質對流場特性影響的研究

1、華東理工大學博士學位論文第1頁多層攪拌式生物反應器內(nèi)溶液流變性質對流場特性影響的研究摘要目前計算流體力學(CFD)方法已經(jīng)在生物過程反應器的設計和放大過程得到了應用。但是CFD方法與生物反應過程模型相結合來預測生物反應過程，并實現(xiàn)過程優(yōu)化與放大是有困難的。反應器內(nèi)多相流的流動、混合和傳遞過程是復雜和多維的，然而生物反應器內(nèi)非牛頓型的發(fā)酵體系的流體動力學行為則更為復雜。本文以多層攪拌式生物反應器為對象，開展了單相、以及不同溶液中的氣液兩相

2、流的實驗流體力學與計算流體力學研究。采用角度解析的大渦PIV流場測試技術發(fā)現(xiàn)徑流RT和HBT槳在槳葉的后方形成一對相反方向的尾渦，而翼型WHd和WHu槳在槳葉后方形成一個尾渦。并且發(fā)現(xiàn)角度解析的最大湍動能的值約為時間平均的最大湍動能的2倍，最大湍動能耗散率約為時間平均的最大湍動能耗散率的35倍。實驗結果發(fā)現(xiàn)湍能耗散率積分值依賴于模型參數(shù)G，當取G=012，大渦PⅣ方法得到的湍動能耗散率體積積分的功率與扭矩的測得的功率便能相等。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槳的最大湍動能耗散率與平均的湍動能耗散率的比值(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(

4、通氣量為02vvm)上翻型攪拌器的傳質能力優(yōu)于下壓型攪拌器，3WHu的傳質系數(shù)比HBT2WHd高53％，HBT2WHu和3RT的傳質能力居中。而表觀氣速較高時(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能力相近。開發(fā)的三電導探針測得了局部的氣含率表明：對于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較低。氣泡的速度場分布表明在通氣情況下，RT槳同樣形成兩個循環(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，混合時間隨著通氣量的增加而增加?？偟膩碚f，上翻型槳葉組合3WHu和HBT2WHu組合的傳質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)酵液來研究反應器內(nèi)氣泡大小和傳質特性。發(fā)現(xiàn)相同功率輸入時，上翻操作的槳型組合的氣含率要高于下壓操作以