谷氨酸发酵罐内部气液流场特性研究

戚 振*

（泰安市特种设备检验研究院）

0 引言

作为氨基酸的一种，谷氨酸呈酸性，是生物体内的重要组成部分，可促进新陈代谢。谷氨酸广泛应用于化妆品和制药等行业，科研人员加大了对其研究和开发力度，而谷氨酸的发酵制造过程决定了谷氨酸产品的质量，所以对谷氨酸发酵罐内部气液流场的特性进行研究是非常有必要的。国内大型加工厂一般采用机械搅拌式的通风发酵罐[1]来处理谷氨酸钠，罐体容积为50～200 m3。罐体内谷氨酸的发酵过程可通过人工控制，但人工控制方式具有滞后性，不能及时收集罐体内各种参数信息的变化情况，影响酸化的稳定性。谷氨酸的发酵过程需要无菌空气不断流动，所以设备中还具有供气和过滤灭菌系统。供气系统包括高空采集塔、冷凝器等装置，高空采集塔收集空中的清洁空气，使其在压缩机的作用下进入冷凝器和油水分离器进行两级处理，然后进入储气罐，再由过滤器与纤维过滤器灭菌并送至发酵罐。通风发酵罐也称为需氧发酵罐[2]，罐内微生物生长时需要氧气，所以必须保证罐内有充足的氧气且气体流通顺畅。发酵液体与气泡接触面积越大，液体中氧的溶解速率就越快[3]。通风发酵罐包括机械式搅拌发酵罐和气升式发酵罐。

实际生产过程中大多采用机械式搅拌发酵罐，为了保证罐内发酵质量，应提高气体的混合度，可以采用轴向和径向流桨混合的方式来实现。在目前的研究中，兰蔚[4]在100 m3容积的发酵罐内设置了两层不同方式的搅拌桨，第一层为抛物线式搅拌桨，第二层为窄三叶旋桨式搅拌桨，将该混合搅拌桨运用在实际生产过程后，搅拌效果明显，能很好地满足生产需要，降低了生产能耗，缩短了生产周期。官调生[5]等着重对发酵罐的搅拌装置的组合进行了研究，其上层采用旋桨式搅拌桨，下层采用涡轮式搅拌桨，可以提高罐体内气体的流动速率，节能效果明显。

1 发酵罐计算模型的建立

1.1 三维模型的建立

发酵罐的三维模型如图1 所示，发酵罐共有4 层，第1 层采用圆盘涡轮式搅拌桨，第2，3 层采用翼型轴流式搅拌桨，最上层采用消泡器，消泡器的作用是消除发酵过程中产生的气泡，保证空气循环流动。发酵罐内壁周围均匀排放16 个由圆管组成的挡板，该挡板具有换热作用，还能防止液体搅拌时打旋。发酵罐内径为4 000 mm，短半径为1 040 mm，直边段长为40 mm，封头为标准的椭圆形，上封头上具有尺寸为150 mm 的出气孔。发酵罐最底端是气体分布器，共包含8 个孔径为150 mm 的小孔，罐内液体最大高度为10 280 mm。

图1 发酵罐计算模型

1.2 CFD模拟方案

采用数值模拟法对罐体内部气液流场特性进行研究，分析发酵从初始阶段到稳定阶段罐内气液转化的过程中，罐内气体含量的分布情况，该研究结果可为现场发酵罐的研制和优化提供理论依据[6]。

对发酵罐体内部气液流场特性进行研究，在软件中模拟罐内气体的总体含量和分布情况，设置气泡的尺寸及分布情况，并根据流场条件进行分析。理论依据主要为连续介质方程，动量方程，Euler-Euler两相流模型（该模型包含多个动量方程以及连续性方程来求解相，而且将压力项和界面交换系数耦合），群体平衡模型和RNGk-ε 模型[7]。

本文的研究基础是液体，由于发酵罐内结构较为复杂，工况多变，所以湍流模型分析时选用RNGk-ε模型，利用群体平衡模型来模拟气体的气泡尺寸和分布情况。

1.3 网格划分

采用GAMBIT 软件对模型进行网格划分，模型本身为不规则结构，所以采用混合网格进行划分，混合网格由四面体和六面体单元组成。混合网格技术可以很好地解决复杂区域的网格划分问题，可将复杂区域划分成几个小块，每个小块单独进行网格划分，块和块之间可进行连接。利用混合网格技术简化了复杂区域的求解过程，提高了网格的划分质量。发酵罐内部流场复杂，网格划分情况决定了计算的精度和效率。其整体采用结构性网格进行划分，底部通气孔区域采用非结构性网格进行划分，先将发酵罐模型分成19 个区域体，用四面体网格划分挡板、气体分布器、搅拌桨、消泡器及上下椭圆封头，其余部分用六面体网格进行划分。划分网格完毕后经统计可知，共具有5 407 718 个网格，质量最差为0.954 254， 0.9 以上的网格有141 个，如图2 所示。

1.4 参数以及边界条件设置

在发酵罐的模拟计算中，为保证计算结果的精度，要合理的设置其边界条件，出气口设为Degassing 边界，搅拌轴和桨叶设置为Moving wall，速度入口为进气口。初始速度设为2.56 m/s ，转速为120 r/min 。采用压力耦合数值算法，用一阶迎风格式表示压力、动能、体积比等参数，用非稳态求解器进行运算。

图2 网格视图

2 结果与讨论

2.1 谷氨酸发酵罐内部流场分析

罐内不同时刻的流场分布情况如图3 所示，搅拌桨附近液体速率较大，搅拌轴附近速率较小，在流型方面，两层翼型轴流式搅拌桨产生轴向流，下方圆盘涡轮式搅拌桨产生径向流，从图3 中可以明显看出，桨叶附近处液体速率较大。两层翼型轴流式搅拌桨主要使液体产生轴向流动，下方圆盘涡轮式搅拌桨主要使液体产生径向流动。其中下方圆盘涡轮搅拌桨带动液体做径向流动时，液体碰到发酵罐内壁并与其产生碰撞，液体流动方向随之发生变化，分成两个支流。向上流动的液体受上层搅拌桨的影响参与到其产生的轴向流运动中，而向下流动的液体与发酵罐底部相碰撞后又继续回到其径向流动中。

在10 s 时，搅拌桨附近形成高速区域，挡板处形成部分高速区域，此时桨叶在很大程度上决定了液体速率分布情况，轴流式和径流式桨分别产生轴向流和径向流。

在212 s 时，液体速率不仅受到桨叶作用影响，还受到挡板和罐体内部结构的影响，速率传递区域较大时，气泡会对液体速率产生影响，气体分布器上方液体速率变化明显，气泡的向上运动会补充流场的速度。从图3 中还可以发现，速率死区变大，这是因为流场稳定后，原来速率死区周围的流场不再受到冲击，速率减小的区域变大，形成了更大的速率死区。

图3 不同时刻流场分布图

在400 s 时，液体的速度场达到稳定状态。最底层的圆盘涡轮式搅拌桨不断产生向四周扩散的流体，促进各个区域流体流动。在两层轴流式搅拌桨作用下，流体产生向下的轴向流，与最底层的圆盘涡轮式搅拌桨产生的气体混在一起，形成稳定的循环流。

2.2 谷氨酸发酵罐内气液两相分布变化

罐内气液两相分布情况如图4 所示。图4 a）所示为发酵罐内气体和液体的初始状态，需保证罐内气体含量充分，分布均匀，可满足微生物生长发酵的需要。所以，要合理选择桨叶的形状，桨叶应能够及时打破罐内的气泡，从而增大气体和液体的接触面积。底层搅拌桨的形状为圆盘形，该搅拌桨能够将从气体分布器中出来的气体及时离散到桨叶区域，圆盘状的搅拌桨可抑制气泡向上运动或直接将大气泡打碎成小气泡，增加气泡在罐内的停留时间，便于上一层的翼型轴流式搅拌桨继续打破气泡，增大气体的体积，提高罐内总体的含气率。整体含气率是描述液体和气体所占比率的重要参数指标，也可以反映出气泡粒径的大小和局部含气率的变化情况。

在10 s 时，气体分布器上的小孔可以将氧气吸入到罐体内部，气体在圆盘涡轮搅拌桨旋转离散的作用下向四周扩散到罐体内壁，由于下方空气不断进入，下方气体密度相对较大，所以扩散到内壁的气体会沿内壁向上运动。所以，挡板附近气体含量较高，达到10%，同样，气体分布器附近气体的含量也高达10%。

如图4 b）所示，在212 s 时，罐内气体分布均匀，圆盘涡轮式搅拌桨附近氧含量较低，这是因为进入罐体内部的氧气在浮力作用下沿着罐体内壁上升，所以罐体上部氧气含量较高。挡板处氧气含量同样会升高，这是因为挡板限制了一部分挡板附近氧气运动。而在三层桨叶附近的液体中氧气含量都较低，这是因为桨叶旋转带动空气转动，产生流体离心力，气体会离开原来的位置向四周扩散，直到碰壁。桨叶上下气体含量较为均匀，约为3%。

如图4 c）所示，经过400 s 后，罐体内部流场趋于稳定，各位置处气体含量稳定，达到动平衡状态。在发酵罐内，氧气含量最高区域是气体分布器出口处，其氧气的含量最高可达8.3%，氧气含量最低的区域为桨叶周围，其含量在85%，挡板处氧气的含量居中，高于桨叶处氧气含量，其值为15% 。Fluent软件的优点还包括可记录初始和结束时刻的液位值，根据液位差可算出体积差率，从而得到发酵罐内整体气含率，其计算值为2.22%。

3 结论

本文利用Pro/E 三维软件建立了谷氨酸发酵罐的三维模型，采用数值模拟方法对谷氨酸发酵罐内部流场的特性进行了分析，研究了初始时刻（10 s）、中间时刻（212 s）和稳态时刻（400 s）内部气体流动以及含气量的变化情况。最终达到稳态时刻时，发酵罐内气体含量为2.22 %，含气量较高，可以很好为罐内微生物的发酵提供氧气，此时罐内氧气分布均匀，气体分布器和挡板附近含氧量较高。