董淑浩，朱萍，徐曉瀅，李莎，姜永翔，徐虹

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高粘發(fā)酵體系不同攪拌槳的CFD模擬及發(fā)酵驗(yàn)證

董淑浩，朱萍，徐曉瀅，李莎，姜永翔，徐虹

南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院 材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816

董淑浩, 朱萍, 徐曉瀅, 等. 高粘發(fā)酵體系不同攪拌槳的CFD模擬及發(fā)酵驗(yàn)證. 生物工程學(xué)報, 2015, 31(7): 1099–1107.Dong SH, Zhu P, Xu XY, et al. Computational fluid dynamics simulation of different impeller combinations in high viscosity fermentation and its application. Chin J Biotech, 2015, 31(7): 1099–1107.

攪拌槳是高好氧高黏度微生物發(fā)酵實(shí)現(xiàn)高效反應(yīng)必不可少的因素之一，不同攪拌槳組合對發(fā)酵過程的影響十分重要。威蘭膠是由產(chǎn)堿桿菌在高耗氧高粘度發(fā)酵體系下合成的胞外微生物多糖，廣泛應(yīng)用于水泥、石油、油墨、食品等行業(yè)中。本研究借助于計算流體力學(xué) (Computational fluid dynamics，CFD) 的方法，以威蘭膠發(fā)酵液體系為研究體系，研究了6種不同攪拌槳組合在反應(yīng)器內(nèi)流體速率分布、剪切速率、和氣含率等參數(shù)。將模擬效果較好的3種組合用于威蘭膠發(fā)酵過程。研究表明MB-4-6攪拌槳組合對改善發(fā)酵罐內(nèi)部的溶氧及流場分布效果最明顯，威蘭膠產(chǎn)量水平提高了13%。同時在該組合下威蘭膠的產(chǎn)品粘度得到有效提高。

計算流體力學(xué)，非牛頓流體，威蘭膠，攪拌槳組合

攪拌槳是生物反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)高效反應(yīng)發(fā)酵工業(yè)中必不可少的因素之一，尤其高好氧高黏度微生物的發(fā)酵過程中，不同的攪拌槳組合對發(fā)酵過程的氣液傳質(zhì)有著重要影響。隨著發(fā)酵體系黏度的不斷增大，不同槳葉對反應(yīng)器內(nèi)各處流體的速度分布矢量、溶氧濃度、剪切速率、營養(yǎng)物濃度等的影響大不相同[1]。威蘭膠 (Welan gum) 是由產(chǎn)堿桿菌在高耗氧高粘度發(fā)酵體系下合成的胞外微生物多糖，該多糖易溶于水，其水溶液具有獨(dú)特的假塑性流變學(xué)性質(zhì)和良好的耐高溫、耐酸堿性?？勺鳛閼腋?、增稠劑、穩(wěn)定劑等廣泛應(yīng)用于水泥、石油、油墨、食品等行業(yè)中，因此受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-3]。由于威蘭膠發(fā)酵體系的特殊性，發(fā)酵過程總是面臨溶氧傳遞難、物料分布不均勻、能量傳質(zhì)難等問題。因此，研究不同攪拌槳組合對生物反應(yīng)器的影響對高粘度發(fā)酵體系尤為重要。

目前研究者發(fā)現(xiàn)不同攪拌槳組合對非牛頓流體發(fā)酵過程的傳質(zhì)影響各不相同：李艷等[4]發(fā)現(xiàn)拋物線圓盤槳＋翼型軸流槳＋翼型軸流槳耗能最少，罐體溶氧和氣體分散性能明顯好于其他組合。蘇順開等考察了高黏體系下雙斜葉渦輪攪拌槳與圓盤渦輪攪拌槳對發(fā)酵體系轉(zhuǎn)速和表觀氣速的影響，發(fā)現(xiàn)后者功率消耗降低35%左右，而氧傳質(zhì)效率提高超過24%[5]。在威蘭膠發(fā)酵生產(chǎn)中研究者[6]發(fā)現(xiàn)高攪拌轉(zhuǎn)速可以促進(jìn)菌體生長，而中等轉(zhuǎn)速有利于威蘭膠的合成和分子量的增大，但關(guān)于新型攪拌槳型組合應(yīng)用于威蘭膠發(fā)酵的研究卻少有報道。因此本文著重考察不同攪拌槳型組合對威蘭膠發(fā)酵體系的影響。

計算流體力學(xué) (CFD) 是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的一種數(shù)值模擬的方法，CFD技術(shù)能給出攪拌釜內(nèi)的總體流動狀況和局部流動信息，在攪拌槳的優(yōu)化中，較傳統(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法有很大的優(yōu)越性[7-8]。朱向哲等采用CFD對兩種軸流式攪拌槳在聚苯乙烯反應(yīng)器中的傳熱特性進(jìn)行了對比研究并得出最佳攪拌槳[9]。Aubin等[10]通過CFD模擬對各種改進(jìn)的徑向流和軸向流攪拌槳在非牛頓流體中的操作進(jìn)行了數(shù)值模擬。蔣嘯靖等[11]通過對50 L生物反應(yīng)器中不同的攪拌槳組合對攪拌流場等參數(shù)的CFD模擬來改善發(fā)酵罐內(nèi)部的流場和氣體分布。通過CFD技術(shù)對攪拌設(shè)備的開發(fā)研究已取得了顯著的成果。

本研究采用CFD技術(shù)對不同類型攪拌槳組合進(jìn)行模擬研究，對宏觀流動場速度、剪切速率等參數(shù)進(jìn)行比較分析。在計算模擬得出最優(yōu)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際發(fā)酵驗(yàn)證，篩選得出有利于提高威蘭膠產(chǎn)量的最佳攪拌槳組合，從而為威蘭膠工業(yè)化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種

產(chǎn)堿桿菌sp. NX-3，本實(shí)驗(yàn)室保藏[6]。

1.1.2 培養(yǎng)基

種子培養(yǎng)基 (g/L)：葡萄糖20，酵母膏1，牛肉膏3，K2HPO42，MgSO40.1，CaCO33, pH 7.0，121 ℃滅菌15 min。

發(fā)酵培養(yǎng)基 (g/L)：葡萄糖42.19，蛋白胨4.24，K2HPO43，MgSO40.35，CaCO33, pH 7.3，121℃滅菌30 min。

1.1.3 攪拌槳幾何尺寸

攪拌槳的參數(shù)詳見表1。

1.1.4 攪拌槳類型

六種攪拌槳組合及縮寫分別為A：RT-6-2，直六葉+直六葉攪拌槳。B：ART-6，斜六葉+直六葉攪拌槳。C：SAT-6，斜六葉+彎曲非對稱六葉攪拌。D：MA-4-6，四寬折葉+斜六葉攪拌槳。E：MR-4-6，四寬折葉+直六葉攪拌槳。F：MB-4-6，四寬折葉+彎曲非對稱六葉攪拌槳。簡圖見圖1。

1.2 方法

1.2.1培養(yǎng)方法

種子液：接種活化后的斜面菌苔2環(huán)于種子培養(yǎng)基中，裝液量100 mL/500 mL，30 ℃、200 r/min搖瓶培養(yǎng)16 h。

搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)：將上述培養(yǎng)好的種子液按10%的接種量接入裝有100 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中培養(yǎng)，30℃、200 r/ min搖瓶培養(yǎng)72 h。

7.5 L發(fā)酵罐培養(yǎng) (BioFlo110，美國NBS公司，直徑T=180 mm，罐高H=320 mm)：溫度30 ℃，通氣量4.5 L/min，裝液量4.5 L，接種量8 %，轉(zhuǎn)速 600 r/min，pH 6.5?7.0。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

對發(fā)酵罐建立3D模型，采用ICEM軟件對高溶氧發(fā)酵罐劃分網(wǎng)格，整體選非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，對罐內(nèi)的罐體、攪拌槳、氣體分布器和擋板進(jìn)行局部加密。對網(wǎng)格非依賴性進(jìn)行了考察，最終確定計算域最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)量為：槳葉區(qū)域30萬，發(fā)酵罐180萬。

1.2.3 參數(shù)設(shè)置

采用Euleri~Eulerian多相流模型模擬，模擬介質(zhì)為粘度約2.4 Pa?s的1%威蘭膠水溶液，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程湍流模型，氣相為空氣，通氣量為1.1 vvm，壓力為常壓，溫度30 ℃, 裝液量為5 L。攪拌轉(zhuǎn)速為600 r/min。罐體高為 320 mm，罐體內(nèi)徑為180 mm，下層攪拌槳距罐體底部10 mm，槳心距為95 mm。

表1 攪拌槳的幾何參數(shù)

圖1 六種不同攪拌組合槳型簡圖

1.2.4 葡萄糖含量的測定

葡萄糖含量由生物傳感分析儀檢測 (SBA-40C，山東省科學(xué)院生物研究所)。

1.2.5 威蘭膠含量測定

稱取適量體積的發(fā)酵液，蒸餾水稀釋， 12 000 r/mim離心30 min，去除菌體細(xì)胞沉淀。上清液加入1/5體積的混合液三氯甲烷∶異戊醇=24∶1，/，12 000 r/min離心30 min，去除蛋白質(zhì)，反復(fù)去除2次。上清液用乙醇沉淀威蘭膠，60 ℃烘干，稱重。

1.2.6 菌體干重測定

取5 mL發(fā)酵液并適當(dāng)稀釋，于已預(yù)先稱重的干燥離心管中，10 000 r/min 離心20 min，棄上清，用去離子水洗滌2次，105 ℃烘箱內(nèi)烘至恒重，稱量即可。

1.2.7 威蘭膠粘度的測定

威蘭膠1%水溶液，NDJ－1型旋轉(zhuǎn)黏度計 (上海恒平科學(xué)儀器有限公司 (4號轉(zhuǎn)子))， 60 r/min，25 ℃測得。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同攪拌槳組合CFD模擬分析比較

2.1.1 不同攪拌槳組合剪切速率模擬分析

不同類型攪拌槳對流體會產(chǎn)生不同的剪切速率，從而造成反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域的流動狀態(tài)和混合狀態(tài)出現(xiàn)顯著性差異。而剪切速率對高粘發(fā)酵的表觀粘度有決定性影響。因此對6種不同攪拌槳組合的剪切速率分析對威蘭膠發(fā)酵的優(yōu)化具有重要參考意義。圖2是不同攪拌槳組合發(fā)酵罐內(nèi)剪切速率的直觀分布，從圖中可看出，高粘發(fā)酵體系發(fā)酵罐液面和底部有部分區(qū)域無明顯剪切作用，且有效剪切區(qū)域主要分布在攪拌槳槳葉附近。四種單槳型的剪切速率區(qū)別非常明顯。單直六葉攪拌槳 (RT-6) 剪切體積最大，斜六葉攪拌槳 (ST-6) 最小。這主要因?yàn)閺较驑獦~垂直軸，有效剪切區(qū)域更大，而軸向槳與軸呈一定角度，剪切力部分垂直軸并且軸向分布。圖2A中最大剪切速率的RT-6組合剪切速率分布梯度變化非常明顯，攪拌槳之間并沒有形成很好的剪切傳遞，區(qū)域化明顯。圖2D為上下均為軸向槳，圖2C、F上槳為徑向彎曲槳，但由于各個槳的有效剪切面積小沒能使上下形成均勻的剪切區(qū)間，混合效果不佳。整體均勻性效果最好的是圖2E的MR-4-6組合。這說明底部使用四寬葉軸向流攪拌槳有利于提高發(fā)酵罐內(nèi)徑向及軸向的攪拌，主體混合更均勻，能減少區(qū)域化現(xiàn)象，增加傳質(zhì)效果。

圖2 不同槳型液相剪切速率分布

2.1.2 不同攪拌槳組合氣含率模擬分析

氣含率是反應(yīng)器中氣相所占的體積分率，是評判反應(yīng)器內(nèi)的流型、氣液接觸面積等流體力學(xué)參數(shù)有重要影響[12]。圖3為相同通氣量、不同槳型組合下發(fā)酵罐內(nèi)氣含率的直觀分布情況。從整體來看，六種攪拌槳組合氣含率變化非常明顯，圖3中C、D、F的攪拌效果圖遠(yuǎn)高于A、E組合。對比圖3A、B可知底層為軸向攪拌槳時可顯著提高整體氣含率，這與郝志剛等[13]徑向流型攪拌槳對氣體的分散作用優(yōu)于軸流式攪拌槳的結(jié)論相反。一般而言攪拌氣液混合體系中氣體的分散是通過槳葉后方的氣穴來分散的，徑向攪拌槳后方的氣穴中耗散的能量要大于軸流槳，形成的氣泡較小，且在槽的底部形成了良好氣體再循環(huán)，從而使氣含率略高于軸流式底槳的各組合槳。模擬出的結(jié)果與理論不同，這可能因?yàn)檩S向攪拌槳擁有較大的葉片覆蓋面積率，可以更多地遮擋上升氣體，阻止部分氣體從攪拌器直接穿過，延長氣液接觸時間。另外傾斜的六葉可以對分布器進(jìn)入的氣體產(chǎn)生向下的推力，增加了氣體的停留時間，從而增大氣含率。但這也是從模擬結(jié)果提出的解釋，為了更確切地進(jìn)行研究有必要對A、B進(jìn)行發(fā)酵驗(yàn)證。對比圖3中B、C攪拌槳組合，在底部軸向槳型相同的情況下，上方為彎六葉攪拌槳時氣含率更大。氣液混合更加均勻。圖3F可以看出上方為彎六葉攪拌槳時相對于圖3D兩槳之間的混合更加均勻。這主要因?yàn)閺澚~攪拌槳的拋物型葉面更符合流體力學(xué)，彎曲的葉片上下不對稱，阻止了更多的氣體直接溢出，與后邊上升的氣體相混合使得兩槳之間氣含率明顯提高。同時拋物型槳葉葉后不易形成較大的氣穴，因此有更多的氣體被打散進(jìn)入流體循環(huán)中，從而使得圖3C、F的氣體分散性能較好。

圖3 不同槳型氣含率分布

2.1.3 不同攪拌槳速度矢量圖

圖4可以看出，所有攪拌槳的最大速度出現(xiàn)在葉片邊緣，邊緣的流體由于擋板和罐內(nèi)壁的作用產(chǎn)生垂直方向的分量，從而將流體分成幾個不同的區(qū)間。直六葉攪拌槳 (RT-6) 及彎曲非對稱六葉攪拌槳 (BT-6) 在攪拌槳槳葉上下邊緣形成了兩個渦流，而斜六葉攪拌槳 (ST-6)和四寬折葉攪拌槳 (BP-4) 軸向流的攪拌槳則只形成單一的渦流。這主要因?yàn)閺较驍嚢铇呢Q直方向葉片邊緣與流體接觸后水平撞擊罐壁分成上下兩個速度方向，并且分別沿著罐壁經(jīng)過循環(huán)后再從槳葉的上邊緣進(jìn)入葉輪。而傾斜的槳葉減少了流體在水平方向上的徑向流動，在攪拌槳旋轉(zhuǎn)過程中，流場的變化更為平緩規(guī)則。圖4A中罐內(nèi)雖然上下形成4個漩渦，但每個渦流的速度矢量都很小，并且各個漩渦流動性不強(qiáng)[14]。這種組合在微生物多糖的發(fā)酵后期，會使得大量液體處于遲滯區(qū)，流動非常緩慢，不利于傳質(zhì)，造成死區(qū)。圖4D兩軸向攪拌槳組合的速度矢量值最大，上下混合更均勻。這主要因?yàn)檫@種組合有明顯的軸向速度，二者可以使流體循環(huán)迅速，將更多底部液體裹挾到整體大循環(huán)中，從而縮短混合時間[15]。但這往往會降低氣體在罐體內(nèi)的滯留時間。降低了氧氣的利用率。圖4C、F的速度矢量整體效果最好，既不會降低氣體滯留時間，同時較大的流體速度能提高發(fā)酵液傳質(zhì)。對于高粘度發(fā)酵攪拌槳所能驅(qū)使的液體越多對發(fā)酵越有利[16]。

圖4 不同槳型液相速度矢量圖

2.2 攪拌槳組合發(fā)酵參數(shù)分析

從模擬實(shí)驗(yàn)的3組數(shù)據(jù)分析得出圖3中C、D、F組合的氣含率效果較好，E效果最差。圖4D組合的速度分布場效果最佳，其死區(qū)面積最小。3組數(shù)據(jù)中C、F兩種組合模擬效果最為接近。為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果，本研究對A、B、D、F組合進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

四種不同攪拌槳組合對威蘭膠發(fā)酵過程的影響曲線如圖5所示。圖5A為不同攪拌槳組合 DCW的變化情況。在發(fā)酵進(jìn)行到50 h時4組攪拌槳DCW趨向穩(wěn)定，最大DCW分別為 (8.48±0.25)、(8.23±0.22)、(8.06±0.25)和(7.63±0.23) g/L。MA-4-6攪拌槳組合有最大菌體量，說明上下均為軸向攪拌槳有利于提高發(fā)酵罐內(nèi)氣含率，特別是在粘度較低的對數(shù)生長期時能讓整個罐體溶氧更均勻，利于菌體生長。圖3D可以很好說明這點(diǎn)。從圖5B中不難發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵前30 h時ART-6和RT-6-2組合粘度均高于MA-4-6與MB-4-6，而當(dāng)發(fā)酵的粘度達(dá)到3 Pa?s時后者出現(xiàn)了反超并一直高于前者，兩種組合的最大值分別穩(wěn)定在 (4.75±0.15) Pa?s和 (4.56±0.15) Pa?s。說明在發(fā)酵后期直六葉槳相對葉片較少的四葉槳、斜六葉槳及彎曲不對稱六葉槳表現(xiàn)出更大的剪切稀化，對膠體也產(chǎn)生了嚴(yán)重的機(jī)械損傷，降低了發(fā)酵液的粘度[17]。圖5C表明不同攪拌槳組合對糖消耗也有著顯著的影響，ART-6組合對糖的消耗較低 (剩余殘?zhí)?19±1.2) g/L)，而同樣是軸向與徑向組合的MB-4-6組合卻有著最高的糖消耗 (剩余殘?zhí)?8±1.1) g/L)。這是由于上槳為彎曲非對稱六葉攪拌較直六葉槳能產(chǎn)生向下循環(huán)的流體。使更多的氣體能進(jìn)行強(qiáng)烈的上下混合，同時拋物線型槳也減少了氣穴形成的可能[18]。在轉(zhuǎn)子周圍區(qū)域能具有較高的氣含率，更利于菌體生長和膠的產(chǎn)生，增加了糖耗。圖5D為4種攪拌槳組合威蘭膠產(chǎn)量的變化情況。MB-4-6組合產(chǎn)量最高，達(dá)到了 (27.3±0.6) g/L。這主要因?yàn)榘l(fā)酵前期由于四折葉槳采用下壓式，可以將上升的氣泡再次向下翻動，有利于氧的傳質(zhì)，使得菌體DCW有一個較高的值。而在發(fā)酵中后期，此組合上槳為六拋物線槳能形成上下混合又增加了氣泡在液體中的滯留時間，攪拌槳能更多地驅(qū)動發(fā)酵液上下混合使罐體傳質(zhì)更加均勻。而DCW值最高的MA-4-6組合產(chǎn)量并不是最高，這表明，菌體量的增多并不一定會引起威蘭膠合成量的增多[19]。這主要因?yàn)榘l(fā)酵前期MA-4-6組合有較好的上下氣液傳質(zhì)混合效果，促進(jìn)菌體生長，菌體量累積達(dá)到了一個較大的值。而在發(fā)酵中后期，特別是粘度升高后，傳質(zhì)水平開始下降，罐內(nèi)氣體徑向分布明顯會降低，不利于氣體在罐內(nèi)停留。造成溶氧不足，不利于胞外多糖的分泌，從圖2D中的氣含率分布上也很好地說明了這一點(diǎn)。

圖5 不同攪拌槳組合對威蘭膠菌體量(A)、粘度(B)、葡萄糖消耗量(C)和產(chǎn)量(D) 的發(fā)酵曲線影響

3 結(jié)論

不同槳葉組合對高粘度反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的液體宏觀流場分布有較大的差異，徑向與軸向攪拌槳組合使得發(fā)酵罐內(nèi)氣液混合更均勻。對6種攪拌槳組合進(jìn)行CFD模擬及發(fā)酵實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出MB-4-6組合 (即下為四寬折葉上為彎曲非對稱六葉攪拌槳) 對威蘭膠發(fā)酵效果最好。在發(fā)酵前期該組合攪拌均勻能促進(jìn)菌體生長，后期該組合槳利用下壓式將上升氣泡再次下壓到槳葉下形成多個循環(huán)，增加了氣泡在發(fā)酵罐內(nèi)時間。提高了溶氧及罐體內(nèi)傳質(zhì)[20]。在對優(yōu)化的攪拌槳進(jìn)行發(fā)酵驗(yàn)證時，MB-4-6組合發(fā)酵參數(shù)整體效果最佳，相對于直六葉攪拌槳產(chǎn)量提高了13%。CFD模擬結(jié)果和實(shí)際發(fā)酵結(jié)果相一致。因此采用CFD模擬對攪拌槳進(jìn)行優(yōu)化是可行的。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Computational fluid dynamics simulation of different impeller combinations in high viscosity fermentation and its application

Shuhao Dong, Ping Zhu, Xiaoying Xu, Sha Li, Yongxiang Jiang, and Hong Xu

State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, College of Food Science and Light Industry, Nanjing Tech University, Nanjing211816, Jiangsu, China

Agitator is one of the essential factors to realize high efficient fermentation for high aerobic and viscous microorganisms, and the influence of different impeller combination on the fermentation process is very important. Welan gum is a microbial exopolysaccharide produced bysp. under high aerobic and high viscos conditions. Computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation was used for analyzing the distribution of velocity, shear rate and gas holdup in the welan fermentation reactor under six different impeller combinations. The best three combinations of impellers were applied to the fermentation of welan. By analyzing the fermentation performance, the MB-4-6 combination had better effect on dissolved oxygen and velocity. The content of welan was increased by 13%. Furthermore, the viscosity of production were also increased.

computational fluid dynamics, Non-Newtonian fluids, welan gum, impeller combinations

December 26, 2014;

February 10, 2015

National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2013CB733603), National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2013AA020301), National Key Technologies Research and Development Program of China (No. 2011BAD23B04), National Nature Science Foundation of China (No. 21106062).

Hong Xu. Tel/Fax: +86-25-58139433; E-mail: xuh@njtech.edu.cn

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃) (No. 2013CB733603)，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃) (No. 2013AA020301)，國家科技攻關(guān)計劃(No. 2011BAD23B04)，國家自然科學(xué)基金(No. 21106062) 資助。