基于CFD技术优化50 L发酵罐内气体分布器

张小龙 ，李 啸 ，，叶 晗 ，罗宇笛 ，肖泽涛 ，裴宇鹏

（1.三峡大学 生物与制药学院 中国轻工业酵母功能重点实验室，湖北 宜昌 443003；2.安琪酵母股份有限公司，湖北 宜昌 443003）

机械搅拌通风发酵罐广泛应用于发酵工程领域，需要不断的向发酵罐内通入空气，以满足微生物生长代谢的需要。通过搅拌桨的机械搅拌作用，打散从气体分布器进入发酵罐的空气和引起罐中发酵液的循环运动来促进整个发酵罐中的混合和传质[1]。然而发酵罐中流体的混合过程和混合程度会直接影响发酵液各处的流体力学性能、营养物质浓度和溶氧浓度，是发酵优化中的一个关键限制因素。因此研究罐内的流场的对发酵优化具有重要的意义[2]。

发酵罐的优化与放大主要通过两种途径：依靠实际发酵过程累积的经验及实验手段；另一种则是通过计算流体力学（CFD）方法来进行指导[3]。如今，更多学者通过计算流体力学的方法进行发酵罐内流场的相关研究。研究内容主要集中在发酵罐中气液两相的流动情况的探究[5]；不同规格搅拌浆及桨叶组合对流场的影响[6]；以及气液分散特性和传质的研究[7]。而目前关于气体分布器对发酵罐内流场影响的研究相对较少。本文通过计算流体力学的方法对50 L发酵罐内3种不同形式的气体分布器的流场进行探究。

1 发酵罐模型及气体分布器

1.1 发酵罐结构

本文采用的发酵罐为国强牌FUS-50 L发酵罐，上层桨为六直叶圆盘涡轮桨，下层桨为半圆管圆盘涡轮桨。

1.2 气体分布器

如图1所示，方案一所对应的是原始气体分布器为单孔管，出气方向向下。方案二和方案三是两种改进的气体分布器，其中方案二所对应的气体分布器为单层环形管，出气方向向上。方案三所对应的气体分布器为双层环形管，出气方向向上。

1.3 工况条件

工况条件：通气量1.2 vvm，搅拌桨转速400 r/min。模拟物料相关参数：液相（发酵液）密度1 032 kg/m3，黏度2.225×10-3kg/ms；气相（空气）密度 1.225 kg/m3，黏度 0.018×10-3kg/ms。

2 CFD数值模拟和模拟方法

2.1 模型建立和网格划分

进行发酵罐内流场的计算流体力学分析，首先需要建立发酵罐的准确三维模型，本研究选取发酵罐中的整个流体作为计算域，采用Gambit2.4.6建立三维模型。然后将所建模型进行网格划分，需要注意的是由于搅拌桨和气体分布器的结构比较复杂，需要对这两个区域的网格进行加密处理。经过网格独立性考察，最优的网格确定约270×104。

2.2 模拟方法

在进行通气发酵罐内流场的数值模拟时，由于罐体壁面、挡板是静止的，而搅拌桨及搅拌桨附近区域是高速旋转的，这是对罐中流场数值模拟中的一个关键点。为了解决这个问题，许多学者提出有“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法（MRF）、滑移网格法、大涡模拟法等建模方法等。本研究选用MRF方法进行数值模拟，将整个计算域划分为运动域和静止域。浆叶区及附近流体运动域为动区域，动区域的旋转方向设定为y轴负方向，其他区域为静止域。采用Eulerian-ulerian模型进行气液双相流模拟，湍流模型为标准κ-ε模型。在搅拌流场的计算方法中，本文采用应用比较广泛的SIMPLE算法进行求解。模拟类型选取瞬态模拟。

2.3 边界条件和收敛标准

边界条件包括流动变量和热变量在边界处的具体值，边界条件的选择和确定也是数值计算关键点。本模拟过程中空气进口边界条件取为速度进口，罐壁和挡板定义为无滑移壁面边界；罐顶的液面设定为压力出口，将各流动变量的收敛残差定为10-5。

3 结果与分析

3.1 3种气体分布器流场矢量图

速度矢量图是表征发酵罐内流场的基本方式之一，我们可以通过矢量图直观了解流场的流型及其他一些特征。如图2所示，3种方案中的流体都经搅拌桨泵向罐壁，然后沿着罐壁轴向流动，在每层搅拌桨周围都形成一个明显的轴向循环。在方案1中，在发酵罐底部，由单孔于向下进气，液体的径向循环十分弱。在方案2中，采用单层向上气体分布器，在发酵罐底部，径向流动作用明显加强，湍动剧烈。但是同方案1一样，在发酵罐上部都存在流动作用比较弱的现象。在方案3中，采用双层向上气体分布器，既能像方案2，加强发酵罐底部的湍动作用，也在上层气体分布器的进气作用下，促进发酵罐上部液体的径向循环作用。明显的增强发酵罐中的混合传质作用，对发酵体系中菌体的生长代谢十分有利。

3.2 3种气体分布器气含率云图

气含率是发酵罐中气相所占的体积分率，对于评判反应器内的流型、气液混合等流体力学参数具有重要影响。由图3可知，方案1中发酵罐内气体体积分数分布很不均匀，罐顶气体体积分数较低，罐底也由于单孔向下出气，也存在气体体积分数较低的现象。而方案2中，在罐内气体的分布相对于方案1有了显著的提升，明显消除了罐底气含率较底的现象，同时在罐顶部罐壁附近的气含率也有所增加。在方案3中，发酵罐内气体体积分数分布明显相对均匀，尤其很大程度的增大了发酵罐顶部气含率。由此可以明确的看出，气体分布器的类型对于降低或消除气体分布的死区具有重要的指导意义。

3.3 3种气体分布器速度云图

发酵罐中流体的运动情况会直接影响发酵液各处的流体力学性能、营养物质和氧气的分布均匀程度，是发酵优化中的一个关键因素。由图4可知，3种方案都存在或大或小的液相死区，这主要是由于上层桨叶对流体的作用，使流场循环很难达到发酵液顶部，因此在液面附近的混合效果较差。而在方案3中由于双层气体分布器通气，液面附近的混合效果明显提高。同时可以明显的可以看到，方案3中整个发酵罐中流体激烈翻动，而方案2整个中的流体翻动激流程度就次之，方案3中的流体翻动激烈程度是最弱的。通气不仅是给微生物生长代谢提供必要的生理条件，而且对发酵罐的流场也具有一定的影响。

4 结论

采用不同形式气体分布器通气，不同的气液相互作用将会对发酵罐内的会流场产生极大的影响，进而影响实际的发酵效果。采用单孔管气体分布器和单层环形气体分布器时，由于上层搅拌浆的搅拌作用，会对造成发酵罐顶的溶氧分布极低和流场运动变弱的现象。

单孔管气体分布器在溶氧分布和混合传质过程中效果比较差；利用CFD模拟设计，单孔气体分布器的基础上构建了单层环形和双层环形气体分布器，结果表明，双层环形气体分布器的溶氧分布和混合传质过程中效果比较好，为气体发酵罐中气体分布器设计以及发酵罐的优化与放大提供重要的指导意义。