新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究
2005 年 4 月 The Chinese Journal of Process Engineering Apr. 2005收稿日期：2004−07−29，修回日期：2004−09−27作者简介：洪厚胜(1965−)，男，江西省鄱阳市人，博士，副教授，主要从事生化工程及生化反应器的研究.搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究 洪厚胜， 张庆文， 万红贵， 欧阳平凯 (南京工业大学制药与生命科学学院，江苏 南京 210009)摘 要：以工程流体计算软件CFX −4.4为工具，对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行数值模拟，研究了不同操作条件下反应器混合时间的变化规律. 采用pH 电极在位监测[H +]的方法实验测定混合时间. 模拟结果与实验测定值之间的误差随反应器容积增大而逐渐减小，对容积为25 m 3的反应器误差小于11.6%. 关键词：搅拌生物反应器；混合时间；计算流体力学；数值模拟中图分类号：TQ018 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2005)02−0131−04１ 前 言 尽管目前已开发出许多新型的生物反应器，但机械搅拌式生物反应器因其搅拌桨结构的多样性、混合与传质方面的高弹性而具有通用性强、操作范围宽等特点，在食品发酵、生物制药等生物技术行业中的应用仍占统治地位，而且这种趋势在近期不会改变[1]. 反应器的混合时间是衡量其混合传质性能的重要指标，主要受反应器的结构与操作条件的影响[2]，对反应器的设计放大及操作优化具有重要的参考价值.传统的混合时间测量方法主要有脱色法[3]、光学法[4]及电导法[5,6]等，这些测量方法都存在着一定的局限性，应用于大型生物反应器混合传质研究往往成本高、精度低、操作困难. 本工作用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ，简称CFD)技术对0.05, 1.0, 25.0 m 3三种规模的机械搅拌式生物反应器的混合行为进行数值模拟，研究在不同操作条件下混合时间的变化规律，并将模拟结果与实测结果进行比较，验证CFD 模拟技术用于机械搅拌生物反应器混合性能研究的可行性，以期为工程应用建立基础.２ 实 验 ２．１ 实验设备 实验设备是常用的机械搅拌式通风发酵罐，又称标准罐，如图1所示，主要由椭圆封头、挡板、标准六平叶圆盘涡轮搅拌桨(Rushton 型)构成. 挡板与器壁间空隙取反应器内径的1%，具体尺寸见表1.位点A 及B 分别为测定混合时间时的加料点和监测点，加料点A 高度在上搅拌桨的上边缘位置，监测点B 高度约在下两个搅拌桨高度的中点处，两位点均在相邻两挡板之间的中点且离器壁0.1 m 左右处. 反应器内图1 机械搅拌生物反应器几何结构示意图Fig.1 Sketch of stirred biochemical reactor 表１ 实验设备主要尺寸 Table 1 Main dimensions of experimental apparatus料液装填系数为78%. ２．２ 混合时间测量方法 实验在25℃下进行，用HCl 溶液作为酸性示踪剂，在加料点A 处瞬间注入，同时通过安装在监测点B 处的pH 电极和与之相联的计算机记录液体pH 值的变化，从Tank dataTank 1 Tank 2 Tank 3 Liquid volume, V (m ) 0.05 1.0 25.0 Liquid height, H L (m) 0.5 1.42 4.0 Tank diameter, D T (m) 0.3 0.8 2.4 Number of baffles, N B 3 4 4 Number of impellers, N I 2 3 3 Baffle width, W (m) 0.03 0.06 0.24 Baffle depth, H B (m) 0.425 1.3 4.03 Impeller diameter, D I (m)0.125 0.28 0.75 Space between impellers, S I (m) 0.25 0.56 1.4 Bottom-impeller elevation, S B (m)0.025−0.165而反映液体中[H +]浓度的变化. 典型的[H +]变化过程如图2所示[7]. 一般混合过程中示踪剂浓度变化曲线的振幅随时间指数递减，而其频率与时间无关，混合时间可以从曲线上读出. 混合时间t m 是指示踪剂注入反应器至达到一定混匀程度的时间. 混匀程度的定义为0.5100%C Cm C ∝∝−∆=×. 通常认为m 达到95%时，流体即混合均匀，此时的混合时间常用t 95来表示.３ ＣＦＤ数值模拟 ３．１ 基本原理 3.1.1 基本数学模型在工业生产常用的操作条件下，生物反应器内液体湍流运动可由时均方程组来描述，其流动守恒方程组由张量表示的通用形式描述如下：()()()k k k kv S t x x x φφφρφρφΓ∂∂∂∂+=+∂∂∂∂, 式中，φ表示质量组分、速度、压力、湍流动能、湍流耗散等变量，S φ为源项，Γφ为湍流扩散，在计算示踪剂浓度场时，Γφ=ρD φ+µT /σφ, D φ为示踪剂分子扩散系数，µT 为湍流动力粘度，其值取于速度场湍流k −ε双方程模型，σφ为湍流Prandtl 数. 3.1.2 混合时间模拟生物反应器中物料在混合过程中的浓度分布随时间变化的非稳态过程通常有两种数值计算方法，一种是联立所有方程进行求解，另一种是假设速度场稳定，单独进行流场计算. 本研究的混合时间计算采用后一种方法. 具体模拟分两步进行：第一步，用单物质模型计算稳态流场，模拟的单物质是水；第二步，在上述稳态流场的基础上引入双物质模型(如水和示踪剂)进行非稳态计算. 在加料点设置初始示踪剂的注入量，在计算过程中求解监测点示踪剂的浓度变化，当混匀程度达到95%时，即认为达到了完全混合. 这段时间就称为搅拌反应器的混合时间，记为t 95. ３．２ 数值计算 3.2.1 几何模型的构建及网格划分对于带有六平叶圆盘涡轮桨及挡板的搅拌生物反应器，由于其结构的对称性，故可以用通过轴心的垂直截面将其分成对称的若干部分. 如1.0 m 3机械搅拌发酵罐就可以对称地分成两部分，只对其中一部分进行几何体构建及网格划分. 机械搅拌生物反应器中搅拌桨与挡板之间相对移动的动界面可采用滑移网格法处理. 这种方法将计算区域分为两部分，如图3所示，一部分包含了运动的搅拌桨叶，另一部分包含反应器的其他静止部分，两部分网格之间要求彼此独立，两者之间的物质、动量传递通过定义接触边界面的粘联来实现.网格划分采用在正交圆柱坐标下的结构化网格，同时采用分块网格技术，在反应器中心部位网格线较密、外围较疏，这也是由流动的特点决定的. 这样可以减少假扩散，对解的收敛和求解速度都十分有利. 其对应的3种反应器(0.05, 1.0, 25.0 m 3)几何体划分的网格总数分别为158268, 215712和246996，网格的划分对求解已经达到了无关性标准. 1.0 m 3反应器具体网格空间划分见图3所示.设定流体在反应器壁处的流动速度为0，即无滑移边界条件；假定流体表面与大气无摩擦，在反应器的液体表面采用所谓的自由滑移边界条件；在轮轴处采用无移动及轴对称设定. 3.2.3 数值求解整个方程组的求解通过流体工程软件CFX −4.4完(a)(b)第2期 洪厚胜等：搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究 133 成，通过有限体积法将微分方程组离散成差分代数方程组后，各变量差分方程用沿主流方向逐线扫描的低松弛迭代求解. 压力−速度耦合求解采用SIMPLEC 算法.４ 结果与讨论 对于大多数生化反应，物料的混匀效果和混合速率决定着反应效率和生产成本，对生物反应器的混合特性的研究具有现实意义. 在搅拌生物反应器中，物料的混合作用主要由主体流动、湍流及分子扩散这3种机理的协同作用引起. 图4所示是0.05 m 3反应器在230 r/min 的搅拌转速下不同时刻示踪剂浓度值的分布. 从图中可以很直观地观察到示踪剂的混合过程. 图5为不同体积搅拌生物反应器的混合时间模拟结果与实验结果的比较. 从图中可以看出，模拟结果在趋势上与实验结果有很好的一致性，随着搅拌转速的提高，反应器混合时间逐渐变小. 从图也清楚地看出数值模拟得到的搅拌混合时间均比实验验证值要大，产生此误差的原因有很多，主要是由采用的计算方法所引起的. 因为这种方法计算首先要假设流场稳定，而实际搅拌反应器内流场并不是稳定不变的，而是呈无规则变化的非稳态过程，但流场的不稳定可以促进传质的进行，从而使混合时间减小. 就这一点来看，本研究的模拟结果与Schmalzriedt 等[8]、Bujalski 等[9]所描述的情况基本一致. 混合时间的模拟与实验结果的误差比较见表2.图5 混合时间的模拟与实验结果比较Fig.5 Comparison between simulative and experimental mixing timest =20 s10020030040020406080100120140t 95 (s )R (r/min)6080100120140160100110120130140150160170R (r/min)14016018020022024040455055606570758085R (r/min)134 过 程 工 程 学 报 第5卷表２ 混合时间的模拟与实验误差比较 Table 2 Comparison of deviations between simulative and experimental mixing timesTank 1 Tank 2 Tank 3 .50 230 400 150170 190 210 230 70 90 110 130 150 Simulation value (s) 137.5 27.9 18.0 81.9 72.2 64.6 57.2 51.1 167.4 151.1 135.3 118.3 105.0 Experiment value (s) 104.0 17.0 11.0 73.0 60.0 53.0 49.0 43.0 165.0 140.0 129.0 106.0 102.0 Deviation (%)32.264.1 63.612.220.321.916.7 18.8 1.5 7.94.911.6 2.9分析比较图5和表2所给数据还可以得知，它们的误差分别在64.1%, 21.9%及11.6%以下. 随着搅拌生物反应器容积的增大，数值模拟与实验结果之间的误差逐渐变小，模拟的可靠性逐渐增大. 对容积为25 m 3的工业规模的生物反应器，模拟与验证之间的误差值小于11.6%，完全符合当前数值模拟的工程应用要求. 产生这种现象可能是小反应器中流场的无规则周期性振荡更甚，偏离本研究数值计算的第一步流场稳定的假设条件更远所致.５ 结 论 以流体工程软件CFX −4.4为工具，对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行了数值模拟，建立了最大容积为25 m 3的工业规模冷模实验装置和混合时间测定方法，并对模拟结果进行了验证. 研究结果表明，本工作建立的数学模型及采用的算法是可行的；CFD 技术可用于机械搅拌式生物反应器混合传质的基础研究和反应器的优化设计及工程放大的应用研究.符号表：S L两搅拌桨间距 (m)W挡板宽度 (m)t 时间 (s) x k 坐标位置 (m) t m 混合时间 (s) ρ 流体密度 (kg/m 3)t 95 混匀程度95%的混合时间 (s) ∆C信号波峰值波动范围 (mol/L) v 流体质点的速度 (m/s) µT 湍流动力粘度 [kg/(m ⋅s)] V反应器体积 (m 3)σφ湍流Prandtl 数参考文献：[1] 赵学明. 搅拌生物反应器的结构模型、放大及搅拌器改型 [J]. 化学反应工程与工艺, 1996, 12(1): 80−90.[2] 韦朝海，谢波，吴超飞，等. 三重环流生物流化床反应器的混合特性 [J]. 化学反应工程与工艺, 1999, 15(2): 174−178.[3] 武斌，戴干策. 搅拌槽内粘稠物系的混合过程 [J]. 高校化学工程学报, 1997, 11(2): 143−149.[4] 林猛流，王英琛，施力田. 激光法测定搅拌器的混合特性 [J]. 化学工程, 1986, 14(3): 52−56.[5] Nienow A W. On Impeller Circulation and Mixing Effectiveness inthe Turbulent Flow Regime [J]. Chem. Eng. Sci., 1997, 52(15): 2557−2565.[6] Manna L. Comparison between Physical and Chemical Methods forthe Measurement of Mixing Times [J]. Chem. Eng. J., 1997, 67(3): 167−173.[7] 戚以政，汪叔雄. 生化反应动力学与反应器，第二版 [M]. 北京：化学工业出版社, 1999. 391−392.[8] Schmalzriedt S, Reuss M. Application of Computational FluidDynamics to Simulations of Mixing and Biotechnical Conversion Processes in Stirred T ank Bioreactors [J]. Recents Progres en Genie des Procedes, 1997, 11(51): 171−178.[9] Bujalski W, Jaworski Z, Nienow A W. CFD Study of Homogenizationwith Dual Rushton Turbines Comparison with Experimental Results: Part II: The Multiple Reference Frame [J]. Chem. Eng. Res. Des., 2002, 80(A1): 97−104.Numerical Simulation and Experimental Study on Mixing Characteristics of Stirred BioreactorHONG Hou-sheng, ZHANG Qing-wen, WAN Hong-gui, OUYANG Ping-kai(College of Pharmacy and Life Science, Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009, China )Abstract: By commercial CFD package CFX-4.4, mixing characteristics of stirred bioreactor were simulated and the mixing time variation under various operation conditions was investigated. The liquid mixing time was measured by means of detecting the concentration variety of [H +] with a pH probe. The deviation between simulation and experiment becomes smaller as the bioreactor volume is increased, and the error for 25 m 3 bioreactor is less than 11.6%.Key words: stirred bioreactor; mixing time; computational fluid dynamics; numerical simulationC ∝ 理想完全混匀浓度 (mol/L) m混匀程度 D I 搅拌桨直径 (m) N B 挡板个数 D T 反应器内径 (m) N L 搅拌桨个数 H B 挡板深度 (m) R 搅拌转速 (r/min)H L液位高度 (m)S B下搅拌桨距筒体底间距 (m)。
搅拌式生物反应器(bilfinger型)标准操作规程
搅拌式生物反应器(bilfinger型)标准操作规程搅拌式生物反应器（bilfinger型）标准操作规程搅拌式生物反应器（bilfinger型）是一种常用于生物工程领域的设备，用于培养微生物、细胞和酶等生物体的生长和代谢过程。
为了确保反应器的正常运行和实验的准确性，制定一套标准的操作规程是非常重要的。
下面是搅拌式生物反应器（bilfinger型）的标准操作规程。
1. 准备工作a. 检查反应器的设备和配件是否完好无损，确保所有连接口和阀门处于关闭状态。
b. 清洗反应器和配件，使用适当的清洗剂和工具，彻底清除残留物和污垢。
c. 检查反应器的传感器和控制系统是否正常工作，确保温度、压力和pH等参数的准确测量和控制。
2. 培养基的制备a. 根据实验需求，准备适当的培养基，确保培养基的成分和浓度符合实验要求。
b. 使用无菌技术，将培养基倒入反应器中，确保反应器内部的环境无菌。
3. 微生物或细胞的接种a. 根据实验需求，选择适当的微生物或细胞进行接种。
b. 使用无菌技术，将微生物或细胞接种到反应器中，确保接种过程无菌。
4. 反应器的运行a. 启动搅拌器和加热系统，确保培养基的均匀搅拌和恒定温度。
b. 根据实验需求，调节搅拌速度和温度，确保反应器内的环境适合微生物或细胞的生长和代谢。
c. 定期监测和记录反应器内的温度、pH、溶氧度和压力等参数，确保实验的准确性和稳定性。
d. 根据实验需求，添加适量的营养物质和辅助剂，促进微生物或细胞的生长和代谢。
5. 反应结束和清洗a. 根据实验需求，确定反应的结束时间。
b. 关闭搅拌器和加热系统，停止培养基的搅拌和加热。
c. 使用无菌技术，将反应器内的培养基和微生物或细胞转移到适当的容器中，进行后续处理。
d. 清洗反应器和配件，使用适当的清洗剂和工具，彻底清除残留物和污垢。
e. 检查反应器的设备和配件是否完好无损，确保所有连接口和阀门处于关闭状态。
搅拌式生物反应器（bilfinger型）的标准操作规程对于实验的准确性和稳定性至关重要。
气升式生物反应器体积传质系数实验测量方法
气升式生物反应器体积传质系数实验测量方法哎呀，今天咱们来聊聊气升式生物反应器体积传质系数实验测量方法这个话题吧！话说这可是一个相当重要的实验，关系到我们生物科技的发展哦！那我就先给大家简单介绍一下这个实验到底是怎么进行的吧。
咱们得准备一些东西。
比如说，我们需要一个气升式生物反应器，这个家伙可是实验的关键所在哦！它就像是一个小小的工厂，可以把我们的生物原料变成有用的东西。
当然啦，这可不是一件容易的事情，需要我们精心设计和调试。
就是实验的关键步骤了。
我们要测量气升式生物反应器的体积传质系数。
这个系数可是非常重要的，它反映了气体在生物反应器中的传输效率。
如果系数越大，说明气体传输越顺畅，生物反应器的性能就越好。
我们要认真对待这个实验，争取得到一个理想的结果。
实验具体是怎么进行的呢？我们需要把生物原料放入气升式生物反应器中，然后通过控制气体流量和压力来调节反应器的运行状态。
接着，我们就可以开始测量了。
我们会用到一些专业的仪器设备，比如说质量流量计、压力计等等。
这些设备可以帮助我们精确地测量气体的质量和压力，从而计算出体积传质系数。
当然啦，实验过程中可能会遇到一些问题。
比如说，反应器可能出现堵塞或者泄漏的情况。
这时候，我们就需要根据实际情况调整反应器的参数，以保证实验的顺利进行。
还有一点要注意的是，实验过程中要保持实验室的安全和卫生，避免发生意外事故。
气升式生物反应器体积传质系数实验测量方法是一个非常重要的实验项目。
通过这个实验，我们可以更好地了解气升式生物反应器的性能和工作原理，为今后的研究和发展奠定基础。
希望大家都能认真对待这个实验，争取取得好成绩！。
搅拌式生物反应器的原理
搅拌式生物反应器的原理
搅拌式生物反应器是一种常用的生物工程设备，用于培养微生物、细胞或其他生物体进行生物反应，如发酵、培养、生长等。
其原理包括以下几个方面：
1. 搅拌：搅拌是搅拌式生物反应器的核心原理之一。
通过搅拌设备（如搅拌器、搅拌轴等），能够使反应液体中的生物体均匀分布，保证营养物质、氧气等的充分混合和传递，提供良好的生长环境。
2. 气体传递：搅拌式生物反应器通常需要提供足够的氧气供给生物体进行呼吸代谢。
通过搅拌和气体供给系统（如气体进气装置、气体分配系统等），能够使氧气充分溶解在液体中，满足生物体的需求。
3. 温度控制：生物体的生长和反应通常需要一定的温度条件。
搅拌式生物反应器通过加热或制冷系统（如加热器、冷却器等），能够对反应液体进行温度控制，保持合适的生长温度。
4. pH控制：生物体的生长和反应对pH值也有一定的要求。
搅拌式生物反应器通过pH控制系统（如酸碱自动调节装置、pH传感器等），能够对反应液体的pH值进行实时监测和调节，保持适宜的生长环境。
5. 液体循环：搅拌式生物反应器通常会采用液体循环系统，通过泵等设备将反应液体循环流动，保证养分的供给和废物的排出，维持反应的稳定性。
总体来说，搅拌式生物反应器通过搅拌、气体传递、温度控制、pH控制和液体循环等原理，提供适宜的生长环境和条件，促进微生物、细胞或其他生物体的生长和反应。
带搅拌的管式反应器的设计研究的开题报告
带搅拌的管式反应器的设计研究的开题报告1.研究背景管式反应器是一种常见的化工反应器，一般用于进行气液相反应。
在管式反应器中，液体流经一系列管子，随着反应的进行，化学品被消耗或生成，产物和副产物被吸收和析出。
然而，管式反应器在某些应用中，可能需要进行更强的搅拌以加快反应速率和增加传质，如氧气传递到液相中。
为了解决这个问题，目前已经有很多研究针对带搅拌的管式反应器进行了深入研究。
2.研究目的本研究的主要目的是设计一种合适的带搅拌的管式反应器，并对其进行实验验证，以评估其在气液相反应中的反应速率和传质能力。
具体研究目标如下：-设计带有高效搅拌的管式反应器，以提高反应速率和传质性能。
-评估带搅拌的管式反应器在气液相反应中的反应速率和传质能力的表现。
-探讨实验结果，提出改进意见，进一步优化管式反应器的设计。
3.研究方法本研究采用以下方法：-综合分析现有带搅拌的管式反应器的工艺设计和反应性能特点，并结合当前实验技术进行设计。
-采用数值模拟的方法对带搅拌的管式反应器进行模拟分析，探讨流场和传质特性。
-通过实验验证，评估带搅拌的管式反应器在气液相反应中的反应速率和传质性能，并开展相应数据分析。
4.研究内容本研究的主要内容包括：1) 带搅拌管式反应器的流体力学和传质特性分析；2) 带搅拌管式反应器的实验研究和数据分析；3) 带搅拌管式反应器的设计优化和改进措施。
5.预期成果本研究预期取得以下成果：-设计一种高效的带搅拌管式反应器；-评估带搅拌管式反应器在气液相反应中的反应速率和传质性能；-明确管式反应器设计优化的方向和改进措施；-提供管式反应器设计与工程实践的参数参考值。
缺氧池中气力搅拌的原理
缺氧池中气力搅拌的原理缺氧池是一种处理有机废水的生物反应器，其特点是在处理过程中不需要氧气，因此可以大大降低处理成本。
然而，缺氧池中的有机物质需要通过微生物的代谢来进行分解，而微生物的代谢需要一定的搅拌作用来保证有机物质与微生物的接触。
因此，缺氧池中的气力搅拌就显得尤为重要。
气力搅拌是指通过向缺氧池中注入气体，使气体在池底形成气泡，从而产生上升的气流，使池内的液体产生强烈的涡流和搅拌作用。
这种搅拌方式具有以下几个优点：一、能够提高微生物的代谢效率。
缺氧池中的微生物需要通过代谢来分解有机物质，而代谢需要一定的氧气。
虽然缺氧池中不需要氧气，但是通过气力搅拌可以使微生物更好地接触到有机物质，从而提高代谢效率。
二、能够防止沉淀物的积累。
缺氧池中的有机物质会在微生物的代谢下分解成为水和二氧化碳等物质，同时也会产生一些沉淀物。
如果没有搅拌作用，这些沉淀物就会在池底积累，从而影响缺氧池的处理效果。
而气力搅拌可以使池内的液体产生强烈的涡流和搅拌作用，从而防止沉淀物的积累。
三、能够提高缺氧池的处理效果。
缺氧池中的有机物质需要通过微生物的代谢来进行分解，而微生物的代谢需要一定的搅拌作用来保证有机物质与微生物的接触。
因此，气力搅拌可以提高微生物的代谢效率，从而提高缺氧池的处理效果。
四、能够降低处理成本。
相比于传统的机械搅拌方式，气力搅拌不需要额外的设备和能源，因此可以大大降低处理成本。
总之，缺氧池中的气力搅拌是一种简单、高效、低成本的搅拌方式，能够提高微生物的代谢效率，防止沉淀物的积累，提高缺氧池的处理效果，是缺氧池处理有机废水的重要手段之一。
化学工程2011年(第39卷)第1—12期(总第263—274期)总目次
化 学 工 程 Ｃ Ｅ Ｃ ＬＥ ＧＮ Ｅ ＩＧ（ ＨＩＡ） Ｈ ＭＩＡ Ｎ Ｉ Ｅ Ｒ Ｎ Ｃ Ｎ
／
ＶｅＮ１ ｏ９ｏ Ｄ １１２ １ ２０． ｅ ． ３
．
化 学 工 程
２１ 年 （ ３ ０ １ 第 ９卷 ） １ １ （ 第 — ２期 总第 ２ ３ ７ ６ —２４期 ）
… … … … … … … …
液化天 然气 卫星站冷能梯级优化利用
… … … … … … … …
徐晓琴 ， 蒋德宏 ， 黄
聂 国兴 ， 明
金， １ 等 １（１）
罗
凯， 陈保 东 ， 朝 阳 ， １ ３ ） 李 等 １（６
枯草芽孢杆菌 Ｅ ９分批发 酵动力学 ７
… … … … … … … …
李
军， 张兰河 ， ５（ Ｏ 等 １） 渊， 晏 谨， 王 全 ， ６（ ４ 等 ４） 金， 等 ８（ １ １）
９（１）
王文宾 ， 汤培平 ， 刘宏 宇 ， ５（１） 等 饶 珍， 赵树 勇， 潘全 旺 ５（６）
舒 丹， 孙 恒 ６（１） ６（ ４） ７（１）
水杨 酸和磺基水杨 酸在 １ ０ 树脂上 的共吸附行为 ） １ ２
… … … … … … … … … …
超声波辐射强化污 泥蛋 白质 的提取
… … … … … … … …
相 玉琳 ， 张卫江 ， 徐
姣 ， ３（ ３ 等 ６）
戎 ３（ ７ ６） ４（７）
基于环境友好 的盐酸 生产 吸收系统研究
… … … … … … … …
熊洁羽 ， 叶招莲 ， 汪
斌， 等
… … … … … … … … … …
利用常减压 装置的余 热减少酮苯脱蜡装置能耗
搅拌反应器内气液两相流的CFD研究进展
近年 来 ，随着计 算 流体力 学 （ Ｆ ） 术 的迅 速 ＣＤ 技 发展 ，使 通过 Ｃ Ｄ模拟 的方法对气液体 系内速度 场、 Ｆ 温度场 、浓度场等详细信息获取成为可能 。对多相 流 反 应器内流体流动状况进行数值模拟 ，可望 预测 出不
同操作条 件下反应器 内流体 流动的细节 和湍流特性 ， 很 大程度 上弥补 了 由于测试 手段限制的不足 ，为该类
反 应器的设计、优化和放大提供依据 。
茜（ｉ ） Ｖ （ｐ ：： ｐ ｉ ‘ ｉ）０ ａ＋
速度 。
（ １ ）
式 中Ｐ， ｊ ／ ，ｂ分别 为密度 、相含率 和相平均 ｉ
１ 搅拌反应器 内气液 两相流ＣＦ Ｄ模拟方法
目 对气液两相流模拟 主要有三类方法 ［］ 即： 前 １ － ２
第４ ９卷第 １ 期
２ｌ ０ ２年 ２ 月
化
工
设
备
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Ｖｂ ． Ｎ Ｏ．１ １ ４９ Ｆｅ ２ ２ ｂ． ０１
Ｐ ＯＣ Ｓ Ｑ Ｐ ＮＴ＆ Ｐ ＰＮＧ Ｒ Ｅ ＳＥ ＵＩ ＭＥ Ｉ１
・
综 述
・
搅 拌反应器 内气 液两相流 的Ｃ Ｄ研 究进展 Ｆ
王嘉骏 ， 李 良超 ， 顾 雪萍， 冯连芳
离散 的颗粒 当成离散相处理 ，还将宏观连续 的流体相
临界气 泛转 速 、平 均 气含 率 、传 质特 性 等 。局 部特
性 包括湍 流强度 、湍 流尺度 、气 泡尺寸大 小及分 布、
局部相含 率、气体局部停 留时 间等 。许多研究通过对
宏 观特性 ，如搅拌功率 和平均气含率 的研究 ，得到一 些 经验关 联式 ，但这些关联式 只在一定条件 和装置下
搅拌气升式生物反应器分析
搅拌气升式生物反应器分析摘要：搅拌气升式反应器是一种较为新颖的反应器，本文对其基本结构、原理、关键参数进行了分析，对其应用前景进行了探讨，希望能帮助到相关行业人士。
关键词：反应器；气含率；细胞培养；三相反应引言：针对于搅拌式和气升式反应器而言，这两种反应器在多方面得以大力使用，比如化工与发酵领域等。
对于气升式反应器而言，在气体粘度较低以及温度较为温和的情况下，该种反应器有着较好的应用效果，同时亦存在多种不利因素，比如相间传质不够理想、操作弹性不高等，进而有碍于气升式反应器的发展。
1.搅拌气升反应器概述对于搅拌气升反应器而言，其是一种生物反应器，由气升式与搅拌式反应器组合而成，该反应器有着较多的构造，主要有进气室以及换热器等。
对于混合式反应器而言，主要是基于导流筒，在其中安装搅拌桨得以实现，导流筒源于气升式反应器。
如图1所示，为三种反应器结构。
对于其中的（c）结构而言，由于气体通气发生于上升区，并不是处于搅拌桨的下面，因此可很好解决气体不通问题。
对于搅拌桨而言，有着很多种，比如斜桨以及船用搅拌桨，甚至包括Ph型搅拌桨。
由于Ph型搅拌桨耗能不高，而且剪切力并不大，因此得以广泛使用。
图1 三种反应器结构2.与该反应器有关的参数对于与该反应器有关的参数，本文主要从液体循环速度、气含率等方面进行分析，以供参考。
2.1液体循环速度基于反应器的设计，在所有的流体力学参数中，液体循环速度是关键参数，在一定程度上，不但能影响流体混合特性，亦能影响颗粒浓度的均匀，并且和传质系数有着很大的关系。
基于对液体循环速度的有关研究得知，在增加黏度的同时，或者是加大固体粒径时，皆会促使液体循环速度减慢；此外，对于液体循环速度与表观气速而言，两者基本上呈正比例关系，也就是在增加气速的同时，液体循环速度随之加快。
然而，对于混合反应器来讲，针对于气速和搅拌转速而言，两者能互相制衡，当搅拌转速过快时，在反应器内极容易形成气阻现象。
在表观气速恒定的情况下，在一定范围内，在转速加大的同时，液体循环速度随之加大，但是当转速大于每分钟1000转时，液体循环速度会逐渐下降，直到接近某一数值。
搅拌气升式生物反应器的研究进展
搅拌气升式生物反应器的研究进展席仁荣，吴振强（华南理工大学生物科学与工程学院，广东广州510640）摘要：搅拌气升式反应器作为一种新型高效的生物反应器，因为其独特的优势而越来越受到重视，具有良好的研究和应用前景。
概述了搅拌气升式反应器的国内外研究进展，着重评述了搅拌气升式反应器相比于传统机械搅拌式反应器和气升式反应器的所体现出的优点，详细介绍和分析了该新型反应器的基本结构、流体力学性质及相关的重要表征参数，并对其在生物发酵和化工行业中的应用和发展进行了回顾和展望。
关键词：搅拌气升式反应器；传质性能；结构中图分类号：TQ 050.1 文献标识码：A文章编号：1000–6613（2008）02–0218–05 Research progress of mechanically stirred airlift bioreactorsXI Renrong，WU Zhenqiang（Collegy of Bioscience and Bioengineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）ABstract：The mechanically stirred air lift bioreactors are a kind of novel and high-performance bioreactors，which are paid more attention due to their excellent merits in recent years and may have agood prospest. The corrent research progress of mechanically agitated airlift bioreactors at home andabroad is summarized. The paper also compares the mechanically stirred air lift bioreactors with mechanically stirred bioreactors and air lift bioreactors and points out its strengths. Besides，the basicstructure ，hydromechanics characteristics and relevant parameters of the novel bioreactors are introduced and analyzed in detail as well as their applications in fermentation and chemical industry inthe future.Key words：mechanically stirred airlift bioreator；mass transfer performance；structure 气升式反应器和机械搅拌式反应器在生物发酵、化工等领域中得到了广泛应用[1]。
新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
摘 要 ： 了研 制 培 养 微 生 物 和 动植 物 细 胞 或 组 织 的 生 物 反 应 器 ， 为 采用 微孔 橡胶 膜 片 装 置 使 产 生 的搅 拌 剪 切 力 较 低 ，
以 满 足溶 氧 需求 较 高 、 质 密度 较 高 、 介 同时 具 有 较 高黏 度 的 液 体 介 质 的搅 拌 要 求 。 实 验 过 程 中 ， 生 物 反 应 器 进 行 对
第３ ９卷 第 ３期
２ １ 年 ３月 ０１
化
学
工
程
Ｖｏ ． ９ ＮＯ． １３ ３ Ｍ ａ ． ２０１ ｒ ｌ
Ｃ Ｅ Ｃ ＬＥ Ｇ Ｎ Ｅ Ｉ Ｇ（ Ｈ Ｎ Ｈ ＭＩＡ Ｎ Ｉ Ｅ Ｒ Ｎ Ｃ Ｉ Ａ）
新 型 气 力 搅 拌 式 生 物 反 应 器 的 实 验 研 ｏ ｎｒｙａ ｄＰ ｗ ｒ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｊ ｎ ｓ ｎｖｒ ｔ， ｈ ｎｉ ｇ２ ２ １ ， ｉ ｇｕＰｏｉｃ ， ｈｎ ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅｇ ｎ ｏ ｅ ｇｎｅ ｎ ， ｉ ｇｕＵ ｉ ｓ ｙ Ｚ ｅｊ ｎ １０ ３ Ｊ ｎ ｓ ｒｖｎｅ Ｃ ｉａ ｌ Ｅ Ｅ ｉ ａ ｅｉ ａ ａ
ｏ ｍｂ ａ ｅ ｂ ｏ ｅ ｃｏ ｓ ｆａ ｕ ｅ ｙ ｈ ｍｏ ｅ ｅ ｕ ｉ ｂ ｂ ｌ ｆｍｅ ｒ ｎ ｉｒ ａ ｔ ｒ ｉ ｅ ｔ ｒ ｄ ｂ ｏ ｇ ｎ ｏ ｓ ａｒ ｕ ｂ ｅ，ｈ ｇ ａｅ ｏ ｘ ｇ ｎ ｓ ｐ ｌ ， ｇ ｏ ｒｐ ｒｉｓ ｏ ｉｈ ｒｔ ｆ ｏ ｙ ｅ ｕ ｐ ｙ ｏ ｄ ｐ ｏ ｅｔ ｆ ｅ
ｍｉｒ ｐ ｒｕｓｒ ｂ ｅ ｍｂ ａ ｅｗｉｈ ｂ ｔ ｒｃ ｍｐ ｅ ｎ ｉ ｅｐｒ ｐ ｒｉ ｓｗａ ｅｅ ｔ ｄ ｃ ｏ ｏ ｏ ｕ ｂ ｒｍｅ ｒ ｎ ｔ ｅｔ ｏ ｒ ｈｅ ｓｖ ｏ ｅ ｔ ｓｓ ｌ ｃｅ ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔｉ ｄ ｃ ｔｓｔ ａ ｈ ｓｋ ｎ ｅ ｅ ｅ ｒ ｓ ｌ ｎ ｉａ ｅ ｈ ｔｔ ｉ ｉ ｄ
搅拌生物反应器的CFD模拟研究
40.Thoma S.Ranade V V.Bourne J R Interaction between micro-and Macro-mixing during reactions in agitated tanks 1991
27.Kalischewski K.Schugerl K Determination of the mass transfer coefficients of absorption of oxygen and carbon dioxide in different culture media 1978(01)
8.Hixson A W.Gaden E L Challenging for scale up from flask to 5-1 stirred bioreactor 1950
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35.Vrabel P.Van der Lans R G J M.Cui Y Q Compartment model approach:Mixing in large scale aerated reactors with
搅拌式生物反应器的模拟、优化设计与放大研究的开题报告
搅拌式生物反应器的模拟、优化设计与放大研究的开题报告一、研究背景及意义：生物技术已成为当今世界生产和资源利用的重要手段，其中搅拌式生物反应器作为一种最常见的生物反应器具有着广泛的应用。
搅拌式生物反应器主要用于微生物发酵、细胞培养、生物酶制备等领域，具有混合效果好、气液传质高、生物体积浓度均匀、操作方便等特点。
对于搅拌式生物反应器的设计及操作控制，其直接影响反应器的发酵效率、产品产量、产品质量等重要参数。
因此，针对搅拌式生物反应器的模拟、优化设计与放大研究具有重要意义，有助于提高生产效率和产品质量，为生物工程领域的发展做出贡献。
二、研究内容：1.搅拌式生物反应器的运行原理和特点进行分析，并对其进行数学模型建立和仿真分析，验证模型的正确性。
2.针对不同类型的微生物、不同反应物质进行搅拌式生物反应器的优化设计，研究不同操作参数对反应器的影响，如搅拌速度、通气量、温度、pH等，确定最佳的反应条件。
3.根据优化结果，进行实验放大验证。
针对实验结果进行数据处理、分析和模型修正，完善模型的可靠性。
4.探究搅拌式生物反应器的动力学特征，建立控制模型，开发新型反应控制策略，实现反应器的自动控制。
三、研究方法：1.理论分析方法：对搅拌式生物反应器的原理、反应机制和影响因素进行理论分析，建立数学模型，并对模型进行仿真分析和验证，为实验设计提供基础。
2.实验研究方法：针对理论分析得到的结果展开实验研究，通过对反应器不同条件下的反应物的投入、产物的收集等实验操作，获得反应的具体数据，为模型修正和控制策略的制定提供数据支撑。
3.数值模拟方法：根据实验数据修正反应器的数学模型，进行数值模拟，获得反应器的运行状态和控制结果，为实验研究与理论分析提供支持。
四、研究进展：在搅拌式生物反应器研究方面取得了一定进展，已建立数学模型和仿真模拟方法，同时开展了一系列实验研究，对反应器运行参数及控制策略进行了探索。
但是，在数学模型的修正方面还存在难点问题，同时搅拌式生物反应器的动力学特征等方面的深入探索还有待发挥。
生物工程中的生物反应器设计与生产实验报告
生物工程中的生物反应器设计与生产实验报告一、引言生物反应器是生物工程领域中用于进行生物转化和合成的关键设备。
本实验旨在通过对生物反应器的设计与生产实践，探索其在生物工程中的应用。
二、材料与方法1. 反应器材料：选用优质不锈钢作为反应器材料，具有较好的耐腐蚀性和机械强度。
2. 反应器类型：采用批量发酵反应器，以控制反应条件并保证产品质量。
3. 反应器控制系统：使用PLC控制系统监测和调节温度、压力、pH值等关键参数。
4. 发酵菌株：选择能够生产目标产物的优良菌株，并进行前期培养和活化。
5. 发酵培养基：根据菌株需求，配制适宜的培养基，提供营养物质和生长条件。
6. 反应器操作：按照实验要求，对反应器进行喂料、通气、搅拌等操作。
三、结果与讨论1. 反应器设计：根据实验要求，确定反应器尺寸、内部结构和传热方式，保证反应物料均匀混合和适宜的传质效果。
2. 反应器实验过程：在良好的控制下，菌株在培养基中进行了发酵和生长，产物随着反应时间的增加逐渐积累。
3. 反应器控制性能：通过PLC控制系统，实时监测并调节反应器温度、压力、pH值等参数，保证了反应过程的稳定性和产品质量。
4. 产品分离纯化：经过反应后，通过合适的离心、过滤和萃取等方法，将产物从发酵液中分离出来，并进行进一步的纯化处理。
四、结论本实验通过对生物反应器的设计与生产过程进行了探索，验证了生物反应器在生物工程中的重要性和有效性。
通过合理的设备选择、运行控制和产品处理，可以实现对目标产物的高效生产和分离纯化。
五、参考文献[1] Smith R.T. et al. (2010). Bioreactor design considerations for continuous manufacturing. J Biotechnol, 155(3): 197-204.[2] Li Y. et al. (2015). Design and operation of bioreactors for cell cultures. Eng Life Sci, 15(5): 469-483.[3] Wang J. et al. (2018). Bioreactor strategies for improving production performance of microbial fermentation. Biotechnol Adv, 36(4): 1078-1089.以上是本次生物工程中的生物反应器设计与生产实验的报告，总结了实验的材料与方法、结果与讨论以及结论等内容。
新型气体驱动搅拌器的数值模拟和实验研究
DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2022.03.126新型气体驱动搅拌器的数值模拟和实验研究孟庆元 王长军 罗立臣（中海油能源发展装备技术有限公司 天津３００４５２）［摘 要］搅拌器在海洋石油平台上主要用于钻修井液和化学药剂的配制。
近年来为了提高搅拌效率，改进方法主要局限于对桨叶形式以及传动效率的优化，但对于驱动形式和搅拌原理方面的改进却鲜有报道。
文章针对以上问题，提出了一种以压力气体作为动力的混合搅拌装置，即以机械搅拌和气体搅拌2种形式驱动搅拌器。
以计算流体力学（CFD）对搅拌流场进行数值模拟，并通过激光多普勒测速法（LDV）对流场进行测试，并与常规搅拌器进行对比和分析。
研究结果表明：新型搅拌器桨叶以上部分速度分布比较均匀。
在气泡的搅拌作用下，低速区较少，形成稳定的湍流；而桨叶以下区域，新型搅拌器对2个肋部的搅拌更好，作用范围更广。
因此，新型气体驱动搅拌器具有较好的研究和使用价值。
［关键词］海洋平台；新型搅拌器；气体驱动；数值模拟；激光多普勒测速法［中图分类号］ TE928 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2022）03-0126-006Numerical Simulation and Experimental Study of a New TypeGas-Driven AgitatorMENG Qingyuan WANG Changjun LUO Lichen(CNOOC EnerTech Equipment Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China) Abstract:Agitators are mainly used for the preparation of the drilling and workover fluids and chemicals on offshore oil platforms. In recent years, the methods to improve the mixing efficiency are mainly limited to the optimization of the blade shape and transmission efficiency, but with few reports about the improvement in the driving mode and the mixing principle. In view of the above problems, a mixing agitator is proposed that uses pressure gas as the power to drive the agitator for two kinds of agitation: mechanical agitation and gas agitation. The mixing flow field is numerically simulated by the computational fluid dynamics (CFD) and tested by the Laser Doppler Velocimeter (LDV). The results are compared and analyzed with those of the conventional agitator. It shows that the velocity distribution above the blades of the new agitator is relatively uniform, and there are fewer low-speed areas under the agitation of bubbles, forming a stable turbulent flow. In the region below the blades, better agitation is found on the two ribs with a wider range of action for the new agitator. The new gas-driven agitator has good research and application value.Keywords:offshore platform; new agitator; gas driven; numerical simulation; laser Doppler velocimeter (LDV)收稿日期：2021-10-20；修回日期：2022-12-01作者简介：孟庆元（1987-），男，硕士，工程师。
塞流式沼气池气动搅拌装置的研究
量 需大 于 １０ 才 能满 足村 民用 气 。 ５ｍ ，
收 稿 日期 ：２ ０ ０ ９—０ ４—２ ４ 基 金 项 目 ： 国家 星 火 计划 项 目（ ０ ６ Ａ ５ ０ ７ ２０ Ｅ ８ ０２ ） 作者简介 ：薛庆玲 （ ９ ３一） 女 ， １８ ， 浙江金华人 ， 硕士研究 生 ， Ｅ—ｍ ｉ （ ａｌ ）
１ ）容 积计 算 。工 程运 行需 要供 １０户 村 民用 气 ， ２
一
实 际规模 必 须稍 大 于 ３ ５ 故 需 要 建 设 ４ ０ 的 沼 ７ｍ ， ０ｍ
个四口之家， 夏季 每 日用气 １ 冬季每 日用 气为 ｍ， １５ 年 平均 每 日用 气 １２ ｍ 。故 沼气 工 程 日产 气 ．ｍ ， ．５ 查资料可知猪粪 日 产气率可达 ０ ４ 。 （ ・ ） ．ｍ／ ｍ ｄ 。
储气 柜
、 Ｉ ，
添加料 — 集 污池
—
］
—
厂
—
水解 酸 化池
—
加 热池
塞流 式沼 气池
个
水压 问
回流池
、 工 ，
沼肥
图 １ 午 冢 峪乔 猪 场 粪 污 处 理 招气 工 程 工 艺 路 线 图
Ｆｇ １ Ｐｏｅｓｄｓｒ ｔ ｎｏ Ｆ ｆ ｉ ｆｒ ｎＮｕｉｙ ｉ． ｒｃｓ ｅｃｉ ｉ ｆ Ｒ ｏ ｐｇ ａｍ ｉ ｉｊ ｕ ｐｏ Ｐ ａ
拌 装 置并 在 山西 阳泉 牛家 峪村 实践 成 功 。
为了寻找气动搅拌装置 的适宜操作方法 ， 本文人
为地设 置 了 １ ６种 搅 拌 方 法 ， 用 １年 多 的时 间对 其 并 进行 了 １ ６次配 对 试 验 。每 次 配对 试 验 为 ２ ０天 ， 到 得 结 果 以产 气提 高率 为 指标 进行 分 析 。
大规模生物反应器中气体相行为的研究
大规模生物反应器中气体相行为的研究在当今工业生产中，生物反应器已成为一种广泛应用的工具。
通过在反应器中进行微生物发酵或代谢，可以制造出许多对人们来说非常有用的物质，比如药品、食品、化学物质等。
而在生物反应器中，气体的行为问题变得尤为重要。
尽管已经有许多关于液体相行为的研究，但气体相在生物反应器中的行为仍面临着许多挑战。
在大规模生物反应器中，气体相行为的研究主要涉及以下几个方面：一、混合在许多生物反应器中，气体需要与液体混合才能刺激微生物的发酵反应。
其中一种提高混合效率的方法是使用机械搅拌器。
然而，在大规模反应器中，机械搅拌器的使用成本非常高，同时也会占据许多空间。
因此，研究人员需要寻求其他方法来提高混合效率。
一种非机械式的混合方法是使用气泡联通器。
通过在反应器中引入气体泡流，并将气泡通过不同的通道连结起来，可以使气体在反应器范围内均匀分布。
此外，研究人员还在探索利用微流控技术实现更加精确的气液混合方式。
二、输送在生物反应器中，输送气体的过程也需要得到精确控制。
一种常见的方法是通过使用压力传感器来监测反应器内部的气体压力，并实时调整阀门的开关状态来控制气体输送的速度和方式。
在大规模生物反应器中，也可以采用多个气体入口，将气体分布到反应器不同的区域，从而实现较为均匀的输送。
三、积液在大规模的生物反应器中，气体流动很容易引起积液。
这会导致反应器内部的各种参数失控，对反应器的稳定性和产品质量都会产生影响。
目前，解决该问题的方法主要包括改变反应器的结构设计，增加配套的液位控制系统，以及改变气体的输送方式等。
其中，改变气体输送方式的方法包括采用液体小泵将液体从底部吸出，在反应器内部产生液体流动，从而避免积液。
总结起来，大规模生物反应器中气体相行为的研究主要涉及到混合、输送和积液等方面。
虽然这些问题的解决方案还远不够完美，但随着新技术的不断涌现，相信研究人员们很快就能找到更好的解决方法，更有效地应用于工业实践中。
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生物反应器是实现生物技术产品的关键技术， 是连接原料和产物的桥梁。生物反应器分为： 通过 机械搅拌输入能量的机械式生物反应器，利用气体 喷射动能的气升式生物反应器和利用泵对液体的喷 射作用而使液体循环的生物反应器。目前使用最广 泛的仍是机械搅拌式生物反应器。机械式搅拌器存 在能耗高、径向剪切力大、容易伤害菌体等局限性。 随着生物技术的发展，为满足溶氧需求较高、介质密 度较高、同时具有较高黏度的液体介质搅拌的要求， 需要在较低的剪切力条件下培养微生物和动植物细 胞或组织来获取生物制品的场合。以气体喷射动能 的气力搅拌式生11 曲线中可以看出，随时间的增加，反应 器内液体的溶氧质量浓度逐渐增大，液体中含氧量 处于过饱和状态，有利于生物反应器。
胞培养、生物发酵等场合［1］。
1 反应器实验装置 实验采用橡胶膜片微孔气体分布器的生物反应
器（ 见图 1） ，是一种新型的气力搅拌式反应器［2］。 反应器结构简单，内部无运动部件。由压缩空气提 供能量，依靠含气泡液体与纯液体的密度差造成的 升力使气 液 二 相 充 分 混 合，实 现 均 匀 搅 拌 过 程［3］。 反应器的关键部件是橡胶膜片微孔气体分布器，本 文对反应器进行了实验观察与测量，选取最佳开孔 尺寸及方式的橡胶膜片（ 见图 2） 。使用添加剂，改 变实验用水的动力黏度和表面张力，以模拟真实生
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化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
6 溶氧质量浓度实验 评价气升式生物反应器的最重要指标是相间传
质速率，而生物反应器的相间传质速率的测定是通 过反应器中溶氧质量浓度来体现的。在不同的气体 流量工况，可以通过溶氧仪直接测量溶氧质量浓度 随时间的变化，见图 11。
图 8 表面张力对含气率的影响 Fig． 8 Influence of surface tension on gas hold-up
对开孔 数 为 6 260 的 橡 胶 膜 片 分 别 用 直 径 0． 01，0． 5，1． 0 mm 的圆锥进行开孔，进行孔径与压 力损失的实验，实验结果如图 7 所示。图中曲线表 明，阻力损失与微孔的直径呈反比。
4 压力损失实验结果分析 生物反应器的压力损失由以下二部分组成：
橡胶膜片微孔气体分布器的压力损失和反应器 内气液二相流动的压力损失。后者与前者相比 压力损失较小，可近 似 只 考 虑 气 体 分 布 器 的 压 力 损失。实验目的： 探讨对橡胶膜片微孔气体分布 器压力 损 失 的 相 关 影 响 因 素，为 设 计 提 供 技 术 参数。
如图 6 所示的微孔分布方式，用直径为 0． 5 mm 的圆锥在橡胶膜片分别开孔 4 450，6 260，8 008 个， 对开孔数与压力损失的实验表明： 开孔数增加，橡胶 膜片上空气的流通面积增大，压力损失减小。因橡 胶膜片具有较好的弹性，在气体流量增加时，所开微 孔会增大到一个稳定值，使压力损失基本不随气体 流量变 化，达 到 一 个 较 为 稳 定 的 值。选 择 开 孔 数 6 260 作为下一步实验的基础。实验中对开孔数为 6 260 的橡胶膜片分别用圆锥、一字锥和三棱锥进 行开孔。橡胶膜片上的开孔形状与压力损失的实验 结果表明： 用圆锥进行开孔的橡胶膜片气体分布器 的压力损失最小，进行的反应器内气力搅拌流动性 能观察结果最好。
中，气体流量、液体高度、压力及液体动力黏度等是 影响反应器内搅拌性能的主要参数。
设计参数： 液体高度 H = 0． 5—0． 8 m，压强 p = 0． 01—0． 1 MPa，气体流量 q = 5—35 m3 / h，液体动 力黏度 μ = （ 1． 005—8． 60） × 10 － 3 Pa·s，液体的表 面张力 σ = （ 51—120） × 10 － 3 N / m。
实验用清水，选择油酸钠调整液体介质的表面 张力，三甘醇调整液体的运动黏度。实验时静止液 面高度为 0． 68 m（ 选用依据： 真实的生物反应器静 液高度与反应器的高度之比约为 2 ∶ 3） 。在反应器 中，沿高度方向平均开设小孔，测量对应的液相运动 速度和溶氧质量浓度。
图 6 橡胶硅片微孔分布 Fig． 6 Rubber silicon chip microporous distribution
图 7 孔径与压力损失的关系 Fig． 7 Relation between aperture and pressure loss
5 含气率实验结果与分析 含气率是气液混合物中气体所占的体积与混合
物总体积之比，是反映生物反应器传质性能的重要参 数。实验平均含气率是通过测量气液混合物的总体 积与静止时（ 无空气时） 液体的体积得到。实验的橡 胶膜片采用圆锥型孔，孔径为 0． 5 mm 的气体分布器。 5． 1 黏度对反应器中含气率的影响
体介质无机械的剪切破坏。与传统机械式搅拌生物反应器相比，具有明显的优点，可应用于对介质剪切性能要求
较高的中小型反应器。
关键词： 气力搅拌； 生物反应器； 微孔橡胶膜片； 含气率； 混合性能
中图分类号： TQ 021． 1
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2011） 03-0059-04
物反应器内的搅拌及流动［4］，用于生物工程中反应 器的优化设计。
实验采用简化的反应器形状，目的是选择橡胶 膜片的开孔个数及开孔方式，测量橡胶膜片微孔气 体分布器对应的阻力损失、反应器内的含气率及溶 氧质量浓度，为设计和应用提供理论及实验依据。
实验装置如图 3 所示。简化反应器采用高 1． 0 m、 内径 0． 3 m 的有机玻璃圆筒（ 见图 4） 。反应器底部 中心安装橡胶膜片微孔气体分布器。气体由空气压 缩机提供，流量测量采用玻璃转子流量计，反应器上 部的阀门用来调节反应器内的压强，采用便携式溶氧 电极测量反应器内气力搅拌后的溶氧质量浓度。
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51006047） 作者简介： 闻建龙（ 1962—） ，男，教授，主要从事二相流动理论及应用的研究； 赵松峰（ 1986—） ，男，硕士研究生，主要从事二相流研究，
E-mail： zhaosf123@ 126． com。
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化学工程 2011 年第 39 卷第 3 期
实验观察及测量得到： 在相同气体流量的条件 下，虽然液体黏度越大，含气率越小； 但随着液体黏 度增加，气泡在液体中上升的阻力增加，使得上升速 度减慢，气泡在液体中的停留时间增加。因此总体 的结果是含气率随黏度的变化不大。 5． 2 表面张力对反应器中含气率的影响
表面张力对含气率的影响较大，表面张力越大， 气泡聚并的阻力越小，含气率越小，小气泡更容易并 成大气泡，因而使含气率变小，见图 8。
5． 3 操作参数对反应器中含气率的影响 气体通量、操作压力和静止液面高度等是影响反
应器内含气率的重要因素［5］，实验选取不同的操作参 数，得到含气率与气体流量的关系曲线，如图 9 所示。
图 11 溶氧质量浓度随时间的变化 Fig． 11 Dissolved oxygen mass concentration changing with time
2 观察实验分析 反应器内液体的搅拌状况与气体速度密切相
关，在较低速度时，液相中气泡较小，且流动稳定，可 将搅拌流场分为 3 个区域（ 见图 5） ： ①均匀搅拌区， 当气体表观速度小于 0． 05 m / s 时，气泡较分散，且 直径较均匀； ②湍流搅拌区，当速度增加，小气泡开 始并成大气泡，反应器内气液搅拌剧烈，产生较好的 液体上下循环流动； ③团状气泡搅拌区，当气体的表 观速度继续增大时，当反应器直径较小时，产生半球 形的大气泡，特别当液体黏度较高时，大气泡的直径 可与反应器直径相当。
以满足溶氧需求较高、介质密度较高、同时具有较高黏度的液体介质的搅拌要求。实验过程中，对生物反应器进行
了流动特性观察、压力损失、反应器内含气率及溶氧质量浓度的测量等实验，选取了综合性能较好的微孔橡胶膜
片。结果表明： 这种生物反应器产生的气泡比较均匀，供氧效率高，且具有较好的介质混合性能，对反应器内的液
第 39 卷 第 3 期 2011 年 3 月
化学工程 CHEMICAL ENGINEERING（ CHINA）
Vol． 39 No． 3 Mar． 2011
新型气力搅拌式生物反应器的实验研究
闻建龙，赵松峰，张 星，张静文
（ 江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013）
摘要： 为了研制培养微生物和动植物细胞或组织的生物反应器，采用微孔橡胶膜片装置使产生的搅拌剪切力较低，
Experimental study on new pneumatic stirring bioreactor
WEN Jian-long，ZHAO Song-feng，ZHANG Xing，ZHANG Jing-wen （ College of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu Province，China） Abstract： In order to culture the cell of the microbe and flora or fauna，a new membrane bioreactor was developed． The microporous rubber membrane was used for lowering the stirring shear force to meet the stirring demand for the fluid media with rich dissolved oxygen，high density and high viscosity． In this experiment，the flow characteristic， pressure loss，gas holdup and dissolved oxygen mass concentration for the reactor were investigated，and the microporous rubber membrane with better comprehensive properties was selected． The result indicates that this kind of membrane bioreactor is featured by homogeneous air bubble，high rate of oxygen supply，good properties of blending and no mechanical shear damage on the liquid medium in the reactor． Compared with the conventional mechanical string membrane bioreactor，the reactor has obvious advantages and can be widely used in the mediumsize and small-size reactors that have higher requirement for the shear properties of medium． Key words： pneumatic stirring； bioreactor； microporous rubber membrane； gas holdup； mixed properties