生物反應器的CFD模擬及結構設計

劉凱舒安慶馬長春魏化中龔哲董厚生

（1.武漢工程大學機電工程學院2.中國通用機械工程總公司3.湖南智河化工技術設備有限公司)

生物反應器的CFD模擬及結構設計

劉凱*1舒安慶1馬長春2魏化中1龔哲3董厚生1

（1.武漢工程大學機電工程學院2.中國通用機械工程總公司3.湖南智河化工技術設備有限公司)

利用計算流體力學（CFD）軟件Fluent，以多重參考系法對發酵行業中的發酵罐攪拌流場進行整體數值模擬。基于標準的κ-ε紊流模型模擬了發酵罐內的流場分布，分析了垂直面和水平面上液相流的流場分布及規律，可為攪拌器的結構設計提供參考。

生物反應器發酵罐攪拌器計算流體力學數值模擬

0 前言

在化工行業或其他需要液體拌合過程的許多工業部門中，都廣泛使用著各式各樣的攪拌反應器。在反應裝置中，拌合過程是通過攪拌器葉片推動液體沿著特定的方向和以一定的流速運動來實現的。生物反應器，例如發酵行業中常用的發酵罐，是一種對物料進行機械攪拌并使其發酵的設備。目前，生物反應器的結構設計主要依賴于經驗，但發酵攪拌過程中的流場是非常復雜的，一般的設計往往難以達到預期的設計效果。準確模擬和描述發酵罐中的流動情況和混合過程，是生物反應器設計的難點。目前，借助于計算流體力學(CFD)進行模擬，可以為攪拌器的結構設計提供參考，能夠彌補經驗設計方法的不足,有助于生物反應器的技術創新。

1 生物反應器的槳葉形式

攪拌器的槳葉形式主要有徑向流攪拌器和軸向流攪拌器[1]。在發酵領域中，徑向流攪拌器的特點是氣體分散能力強、結構簡單，但功耗較大、作用范圍有限，其典型代表有Rushton渦輪攪拌器（見圖1）。軸向流攪拌器對發酵過程中的物料混合性能較好、功耗低，但是其不足之處是對氣體的分散能力較差，其典型代表有LIGHTNIN公司的A315攪拌器（見圖2）。

由于現代發酵罐的容積規模不斷擴大，光靠單層槳葉或槳葉形式的攪拌器已經不能滿足工業生產的需要，因此結合兩種流型的多層、組合式攪拌器應運而生。當發酵罐底部通入氣體時，安裝在底部的徑向流攪拌器將氣體打散成小氣泡，增加氣液兩相的接觸面積；利用軸向流攪拌器混合性能好的特點，使全部液體成周期循環，大范圍地實現氣液混合。充分利用兩種攪拌器的優勢，取長補短，采用多層、組合式攪拌器是今后大型發酵罐設計的一個發展方向。本文將CFD引入到生物反應器的研究中，用以對多層、組合式攪拌器的流體流場分布進行模擬并加以分析。

圖1 Rushton渦輪攪拌器

圖2 A315攪拌器

2 數值模擬

由于攪拌器的結構形式對生物反應器的性能至關重要，因此，有必要了解攪拌器在發酵過程中的流場狀況和各種槳葉形式對流體運動的影響。傳統的攪拌器結構設計，一般的方法是通過縮微發酵罐模型進行流體動力學試驗，此種方法成本較高，實驗周期長。隨著計算流體力學技術的成熟，目前可以使用CFD分析軟件Fluent對發酵罐內流場進行模擬并加以分析。

現以某抗菌素廠發酵罐為研究對象，其主要參數如下：發酵罐直徑D=3 800 mm，液位高度H=8 600 mm，攪拌器為三層A315攪拌器和六葉渦輪（底槳），如圖3所示，罐內均布4塊擋板，轉速n=110 r／min，工作介質為發酵液（因發酵液參數與水相近，所以模擬時以水替代）。圖4為組合式攪拌器三維模型示意圖。

圖3 六葉渦輪攪拌器（底槳）

圖4 組合式攪拌器

選取整個發酵罐的流體作為計算域，使用Fluent專用前處理器Gambit 2.3.16生成網格。由于此發酵罐所選用的攪拌槳和擋板結構不規則，故整體網格劃分采用非結構化網格，并對槳葉區的網格進行了加密處理，以增加計算的精度。總的網格節點數為971 702個。

發酵罐內的流場非常復雜，罐體壁面、擋板和攪拌槳所圍成的區域的形狀以及流體流動都是隨時間周期性變化的，這是該發酵罐與化工過程中其他反應器的一個差別，也是對攪拌反應過程進行數值模擬時需要解決的一個難題。為了分析運動的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用，許多學者提出了不同的建模方法，有“黑箱”模型法、內外迭代法、多重參考系法（MRF）、滑移網格法、大渦模擬法等。

在攪拌流場的計算方法中，工程上應用最廣泛的是壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)及其修正方法。SIMPLE算法是一種主要用于求解不可壓縮流場的數值方法，該算法在交錯網格的基礎上計算壓力場，進而求解動量方程。本文采用SIMPLE算法進行求解。

對該發酵罐的數值模擬本文選用MRF方法進行模擬，將計算區域分為兩個區域，槳葉及其附近流體區采用旋轉坐標系（動區域），其他區域采用靜止坐標系（靜區域）。因為攪拌槳處于運動流體區域，和槳葉四周的流體以同樣的轉速進行運動（相對于該區域內的流體是靜止的），所以槳葉壁面定義為動邊界，邊界類型為壁面邊界，擋板壁面和罐體壁面定義為靜止壁面邊界條件。湍流模型選用標準κ-ε模型。圖5為其網格示意圖。

圖5 發酵罐數值模擬網格示意圖

3 模擬結果及分析

由圖6、圖7可以看出，在罐體上方的三層A315攪拌器屬于軸向流攪拌器，其槳葉推動流體流動的方向平行于攪拌軸，流體向下流動，沖擊到罐體底部時流體開始向上翻轉，再經罐體壁面循環回到液體表面，形成上下循環流。罐體底部的六葉渦輪屬于徑向流攪拌器，槳葉推動流體產生徑向流，徑向流在流動過程中推動周圍流體，流體撞擊到壁面擋板時被分為兩部分，一部分沿擋板向上流動，一部分向下流向罐體底部。由圖6、圖7可看出整個罐內流體的流動呈循環流形式。若考慮實際生產過程中罐體底部空氣分布器產生的氣體經六葉渦輪破碎后向上擴散，上層液體也會得到很好的循環和拌合。

圖8、圖9是攪拌軸橫截面上的攪拌流場的速度矢量圖，截面位置選取在距離罐體底部Z=1 100 mm和Z=3 200 mm（六葉渦輪和底層A315攪拌器）的位置處。由這兩幅流場圖的對比能夠很好地看出，六葉渦輪在推動流體向四周流動時其能力和作用范圍遠遠大于A315攪拌器。

圖6 垂直面液相流場

圖7 六葉渦輪區流場（局部放大）

圖8 Z=1 100 mm液相流場

4 結論

本文使用CFD方法和標準的κ-ε紊流模型，對發酵行業中使用多層、組合式攪拌器的生物反應器內流場進行了模擬，分析了發酵罐內垂直面和水平面上液相流的流場分布及規律。研究表明：CFD計算和模擬實驗的結果，可以為攪拌器的槳葉選型提供參考，并可用于指導生物反應器的設計開發和優化。應當指出，實際發酵過程中，還需考慮通氣流量和溫度等因素，因此還有待進一步的研究。

[1] 黃志堅,虞培清,蘇揚，等.發酵罐用攪拌器的工業應用進展[J].醫藥工程設計,2004,25(1):1-4.

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[8] 永田進治.混合原理與應用[M].馬繼順譯.北京:化學工業出版社,1984.

CFD Simulation and Structure Design of Stirred Bioreactor

Liu KaiShu AnqingMa ChangchunWei HuazhongGong Zhe Dong Housheng

Using CFD software Fluent,the whole numerical simulation for agitated flow field of fermenter in fermentation industry was carried out by multiple reference frame method.Based on standard κ-ε turbulence model,flow field distribution of fermenter was simulated,flow field distribution and rules of liquid flow at vertical and horizontal plane was also be analyzed,which could provided reference for structure design of agitator.

Bioreactor;Fermenter;Agitator;Computational fluid dynamic;Numerical simulation

TQ 051.7

*劉凱，男，1986年生，碩士研究生。武漢市，430205。

2011-11-13）