【摘要】：國內(nèi)外發(fā)酵行業(yè)常用的通氣發(fā)酵罐有機(jī)械攪拌式、氣升式、鼓泡式和自吸式等,其中機(jī)械攪拌式通氣發(fā)酵罐一直占據(jù)著主導(dǎo)地位,約占發(fā)酵罐總數(shù)的70%到80%。目前通風(fēng)發(fā)酵工藝中常采用的機(jī)械攪拌裝置具有耗能大、初始成本高、氧化效率低等缺點,其中機(jī)械攪拌裝置所消耗的能耗占發(fā)酵全過程的一半左右,并且隨著高產(chǎn)菌株的不斷投產(chǎn),當(dāng)前的機(jī)械攪拌裝置已經(jīng)難以滿足對更高的溶氧速率以及節(jié)能的要求。本文針對傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)生產(chǎn)成本高、能耗大,生產(chǎn)周期長,菌絲質(zhì)量差等難以解決的難題,采用課題組自主研發(fā)的高效旋流霧化專利技術(shù),運(yùn)用空塔思想,設(shè)計研發(fā)了一套能耗低、剪切小、溫度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的高效節(jié)能發(fā)酵裝置,并利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件對原發(fā)酵工藝裝置和基于旋流霧化的節(jié)能發(fā)酵裝置內(nèi)流動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。本文利用Fluent軟件對某26 m~3發(fā)酵罐進(jìn)行了仿真建模計算。采用群體平衡模型(PBM)耦合雙流體模型(TFM)求解氣泡群聚并、破碎等動力學(xué)演變過程,運(yùn)用滑移網(wǎng)格(SM)法求解含有旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流場,根據(jù)氧溶解過程中涉及到的雙膜理論相關(guān)知識,通過用戶自定義函數(shù)(UDF)引入氧氣吸收的源項,對原發(fā)酵裝置和改造后的節(jié)能發(fā)酵裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真,對比分析了新舊裝置的流場特性、傳質(zhì)特性和能耗問題,并針對改造后的節(jié)能發(fā)酵裝置的安裝位置、氣液比、霧化器個數(shù)提出了優(yōu)化分析。研究結(jié)果表明:(1)采用基于旋流霧化的節(jié)能發(fā)酵裝置在沒有機(jī)械攪拌器的情況下仍能實現(xiàn)罐內(nèi)氣液兩相的旋轉(zhuǎn)混合。(2)原機(jī)械攪拌發(fā)酵裝置對存在著溶氧死區(qū),而基于旋流霧化的節(jié)能發(fā)酵裝置氣相分布均勻,且平均氣含率和平均容積傳質(zhì)系數(shù)更高。(3)原機(jī)械攪拌發(fā)酵裝置的攪拌電機(jī)功率消耗較大,采用基于旋流霧化的節(jié)能發(fā)酵裝置能夠節(jié)省85.5%左右的功耗。(4)應(yīng)將旋流霧化層盡可能地布置在較低的位置,但出于工藝性原因,安裝高度不宜低于0.7 m;(5)提高通氣比能達(dá)到更好的裝置溶氧效果,而當(dāng)旋流霧化氣液比超過1.5:1時,發(fā)酵裝置內(nèi)平均氣含率和平均容積氧傳遞系數(shù)隨旋流霧化氣液比增大而提高的趨勢越來越小。(6)發(fā)酵裝置內(nèi)容積氧傳遞系數(shù)與平均氣含率隨著旋流霧化器個數(shù)先增加后下降,旋流霧化器個數(shù)為4時溶氧效果最佳;(7)對于該模擬設(shè)置的算例組,安裝高度0.7m,旋流霧化氣液比2:1,旋流霧化器個數(shù)4為最佳設(shè)計與運(yùn)行參數(shù)。以上研究方法和結(jié)論對于以通氣生化反應(yīng)釜為核心設(shè)備的領(lǐng)域,如發(fā)酵行業(yè)等具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。
【圖文】：

研究技術(shù)路線

11圖 2-1 原發(fā)酵罐工藝流程圖 節(jié)能發(fā)酵設(shè)計方案基于旋流霧化的節(jié)能發(fā)酵技術(shù)的工藝流程如下：帶有菌種的培養(yǎng)液通過移種管道投入發(fā)酵罐中，，與事先滅菌后的培養(yǎng)基混合，調(diào)整后開始微生物的繁殖、發(fā)酵，過程中需要補(bǔ)加糖等養(yǎng)分。壓縮空氣先經(jīng)過膜過濾系統(tǒng)，在膜過濾系統(tǒng)中實現(xiàn)分子級過濾，對壓縮空氣中微塵等污染物進(jìn)行過濾，將過濾后的無菌空氣送入新型旋流霧化器的內(nèi)部空氣。發(fā)酵罐內(nèi)取合適高度的發(fā)酵液通過濾布過濾出不含發(fā)酵菌的培養(yǎng)液后，經(jīng)罐
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ920.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2705655