论文部分内容阅读
基因工程菌高密度发酵已经成为一种高效获取目的产物的有力手段。高密度发酵是一个高耗氧的发酵过程，由于发酵体系菌体数量多、粘度高等因素严重限制了氧传质速率，利用传统的生物反应器常常不能满足培养过程对氧的需求。因此，本文提出了高溶氧发酵罐，该发酵罐是一个全新的体系，具有高的氧传质速率，尤其是在粘度较高的体系下其氧传质性能与传统生物反应器相比更加突出，本文利用数值模拟与实验相结合的方法对高溶氧发酵罐气液两相传质的特性进行了研究。 建立基于Eulerian-Eulerian双流体体系的模拟方法，考察湍流模型、曳力模型、升力模型、虚拟质量力以及湍流分散力等参数对模拟结果的影响。采用RNGK-ε模型对湍流应力进行封闭。建立了基于Higbie渗透模型和Kolmogorff各项同性湍流理论的气液相间氧传递的数学模型。利用粒子成像测速技术(PIV)测定的流场、搅拌轴功耗、气含率以及体积氧传质系数（KLa）对建立的CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模型进行验证。该模型对液相流速预测误差在15％以内，对搅拌轴功耗预测误差在10％以内，对气含率预测误差在14％以内，对体积氧传质系数预测误差在10％以内。数值模拟结果在工程应用误差范围之内，可为该类反应器结构优化、放大和工程应用提供有价值的信息。 本文在实验方面首先对其操作特性进行了研究。主要对其最大通气量和搅拌桨功耗特性进行研究，得出最大通气量随着装液高度的增加而缓慢增加，随着体系粘度的增加而迅速下降，因此必须从气液分散系统的结构着手才能彻底解决高粘度体系下通气量小的问题;相同通气条件下高溶氧发酵罐比搅拌罐中搅拌轴功耗降小，说明了搅拌桨在高溶氧发酵罐中具有较好的气液泵送能力。 将高溶氧发酵罐与机械搅拌罐和自吸式罐气液传质特性进行对比研究。在不同的粘度体系、搅拌桨型及其不同组合形式条件下比较了三种反应器在气含率和KLa的差异。在不同质量分数羧甲基纤维素钠(CMC)溶液中，相同通气量条件下:自吸式罐气含率＞高溶氧发酵罐气含率＞搅拌罐气含率;在水体系下，高溶氧发酵罐平均KLa比自吸式罐和搅拌罐分别提高35％和49％，在质量分数为0.5％ CMC体系下，高溶氧发酵罐平均KLa比自吸式罐和搅拌罐分别提高40％和61％，质量分数为1.0％ CMC体系下高溶氧发酵罐平均KLa比自吸式罐和搅拌罐分别提高47％和1倍以上，质量分数为1.5％ CMC体系下高溶氧发酵罐平均KLa比自吸式罐和搅拌罐分别提高68％和1.5倍。说明在粘度较高的体系中，高溶氧发酵罐气液分散性能与其他传统发酵罐相比更加突出，更适宜于高粘度体系的发酵。 本文的研究给高溶氧发酵罐的结构优化、放大和工业化应用提供了基本的理论依据。