基于生物反应器内非均匀环境的流体动力学研究

论文摘要

现代生物技术应用需要大量低成本、高质量的产品。而产品的获得必须以实验室规模的生物过程准确放大到工业级规模为前提。但准确放大往往由于放大效应而难以实现,其中一个主要的表现就是反应器内环境的非均匀分布。因此本文的主要研究方向就是基于反应器内非均匀环境的流体动力学研究。为了消除反应器内的非均匀环境,本文采取了两种研究方式。在200L冷模反应器中,通过将计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟与实际测定相结合,优化得到了八种能够消除反应器内环境梯度,功率消耗较低、气液分散特性较好的气液两相搅拌系统。本文还采用了Scale-down方法,通过构建Scale-down反应器来模拟工业级反应器内的非均匀环境。实验中通过测定Scale-down系统中的混合时间及停留时间分布等流体动力学参数,对系统的流体动力学特性有了初步了解。混合实验结果表明,混合时间受循环流量和PFR形式的影响较大。增大循环流量、PFR部分体积或者采用较小的管径均有利于保持PFR中平推流特性。在数据处理中,通过引入虚拟体积（Vvrit）本文对所得混合时间数据进行拟合,对混合时间特性进行了深入的分析。停留时间分布在验证了系统内存在死区或者返混情况的同时,表明PFR内的流体动力学特性受循环流量和管径的影响较大。但由于PFR体积与系统体积相比较小,所以在停留时间分布测定中表现出PFR部分差异对系统流体动力学特性影响较小的特点。在实验测定的基础上,本文对Scale-down内的流场及流体动力参数进行了CFD模拟验证。模拟结果表明实验中所得数据及结论真实有效,为后期的发酵试验提供了坚实的理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 生物反应器发展现状
• 1.2 大规模生物反应器中流场非均匀特性
• 1.2.1 溶解氧浓度梯度
• 1.2.2 pH梯度
• 1.2.3 底物或诱导物浓度梯度
• 1.2.4 剪切梯度
• 1.2.5 温度梯度
• 1.2.6 其他浓度梯度
• 1.3 反应器内流场非均匀性研究方法
• 1.3.1 基于宏观平均值的搅拌桨组合优化研究
• 1.3.2 Scale-down反应器
• 1.3.3 计算流体力学（CFD）
• 1.4 本文的主要研究内容和意义
• 第2章 材料与方法
• 2.1 主要试剂
• 2.2 主要仪器
• 2.3 搅拌器及空气分布器
• 2.3.1 搅拌器种类
• 2.3.2 搅拌器示意图
• 2.3.3 搅拌器组合形式
• 2.3.4 操作条件与装置
• 2.4 Scale-down反应器
• 2.4.1 STR部分
• 2.4.2 PFR部分
• 2.5 实验测定方法
• 2.5.1 双层搅拌器组合通气前后功率准数、气含率测定实验
• 2.5.2 Scale-down反应器混合时间测定实验
• 2.5.3 Scale-down反应器停留时间分布测定实验
• 2.6 三维流场的CFD模拟方法
• 2.6.1 CFD模拟方法的数值模拟过程
• 2.6.2 求解所用的数值解法
• 2.6.3 模型设置
• 2.6.4 迭代计算最佳时间步长的确定
• 2.6.5 反应器内流场模拟
• 第3章 结合反应器内流场特性的搅拌系统优化
• 3.1 不同搅拌系统优化模拟
• 3.1.1 速度矢量场分布比较
• 3.1.2 气含率模拟
• 3.1.3 剪切率分布情况模拟
• 3.1.4 湍动能（TKE）分布情况模拟
• 3.2 搅拌系统气液分散特性研究
• 3.2.1 模拟与实验对比
• 3.2.2 搅拌器组合功率准数和气含率随转速改变的变化趋势
• 3.2.3 相同转速下不同搅拌器Pg/P0和φ/W变化趋势
• 3.3 小结
• 第4章 Scale-down反应器流体动力学特性研究
• 4.1 Scale-down反应器混合时间研究
• 4.1.1 示踪剂浓度选择
• 4.1.2 牛顿流体混合时间测定
• 4.1.3 非牛顿流体混合时间测定
• 4.1.4 实验数据分析讨论
• 4.2 Scale-down反应器流场及混合时间的CFD模拟原理
• 4.3 Scale-down反应器内的流场模拟
• 4.3.1 Scale-down反应器内速度场模拟
• 4.3.2 Scale-down反应器内混合模拟
• 4.4 Scale-down反应器混合时间特性小结
• 第5章 Scale-down反应器停留时间分布（RTD）特性研究
• 5.1 PFR部分中停留时间分布（RTD）
• 5.1.1 PFR中停留时间分布曲线与平均停留时间
• c对于停留时间分布的影响'>5.1.2 循环流量Q_c对于停留时间分布的影响
• 5.1.3 管径对RTD的影响
• 5.1.4 PFR体积对RTD的影响
• 5.1.5 物料对于RTD的影响
• 5.2 Scale-down反应器整体系统的RTD研究
• 5.2.1 不同因素对RTD的影响
• 5.2.2 PFR与Scale-down系统平均停留时间对比
• 5.3 Scale-down反应器内停留时间分布CFD模拟
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 搅拌器系统优化实验
• 6.1.2 Scale-down反应器内流场特性研究
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢