基于rushton搅拌釜生物反应器γ射线ct测量及流体力学模拟计算

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1、湘潭大学化工学院硕士学位论文学校代号10530学号200715011078分类号TQ.061.1/027.3密级硕士学位论文Rushton搅拌釜生物反应器γ射线CT测量及流体力学模拟计算学位申请人曹杨指导教师刘跃进教授学院名称化工学院学科专业化学工程研究方向化工多相流二零一零年六月十日I湘潭大学化工学院硕士学位论文TheγCTmeasurementandCFDSimulationofRushtonStirredTankBioreactorCandidateCaoYangSupervisorProf.LiuYuejinCollegeChemicalEngineeringCo

2、llegeProgramChemicalEngineeringSpecializationMulti-phaseinChemicalEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDate2010.6II湘潭大学化工学院硕士学位论文湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意

3、识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：曹杨日期：2010年6月10日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：曹杨日期：2010年6月10日导师签名：刘跃进日期：2010年6月10日III湘潭大学化工学院硕士学位论文摘要气-液搅拌釜式生物反应器早已普遍应用于生物化工领域，Rushton气-液搅

4、拌釜式生物反应器一直被作为气液搅拌釜的典型加以研究，其中气含率大小及分布是描述气液分散好坏程度的一个基本特性。另一方面由于气-液搅拌釜中搅拌桨的运动与旋转液体的强剪切、湍动和液体循环作用对所培养的细胞有可能造成伤害，如何最大限度减小剪切力同时增加搅拌釜持气量，成为衡量搅拌釜式生物反应器设计好坏的重要考察因素。γ射线CT技术具有非接触性，对流场无干扰，可测量钢制容器里不透明、高浓度、高温、高压体系，能一次性得到二维全流场气含率断面分布，测量结果精确等优点，这些优点是其它多相流测量技术难以比拟的，因此在生物反应搅拌釜研究中实验测量方法具有重要意义。近年来，迅速发展起来的计算流

5、体力学(CFD)也为研究生物搅拌釜内流体行为提供了有效手段。通过利用计算机数值运算能力强的特点，求解某些理论流体力学解析方法无法解决的问题，可以从亚微观角度对搅拌釜内流体力学的性质进行模拟分析，从而获得生物搅拌器内部各处的流体的行为，以及压力，速度，气含率等重要研究参数。137因此本文对生物反应搅拌釜的研究采用Csγ射线CT测量实验研究和计算流体力学(CFD)数值模拟相结合的方法：通过实验测量直接获得生物搅拌釜内流体的流动、混合、气含率和生物代谢等反应行为，另一方面，通过计算机数值模拟获得相同实验条件下生物搅拌釜内的具体流体参数，并与CT实验测量结果进行定量，定性分析比较

6、，从而对生物反应搅拌釜进行更加深入的研究。得到结论如下：①随着通气量增加，达到完全分散状态所需搅拌临界转速也相应增加。②通气量不变的情况下，当搅拌转速超过临界转速后，继续增大搅拌转速对气含率的贡献较小，但会使搅拌桨上方空间气含率分布变得更加不均匀；③当超过临界转速后，保持转速不变，随着通气量增加，气含率会明显增大；由于气-液生物搅拌釜中，生物细胞对气含率径向分布、剪切力有严格的要求，所以本文认为临界转速是最佳选择。因为具体每一种生物细胞都有各自的溶氧量需求，在设计搅拌釜时需要针对每种细胞的特性来设计搅拌釜的通气量，在气相完全分散状态下通气量决定了气含率大小，并确定对应的临

7、界转速。这样既可以保证气相均匀分散又可以尽可能减小剪切力对细胞的伤害。关键词：Rushton搅拌釜式生物反应器；CT测量；气含率；剪切力；模拟计算IV湘潭大学化工学院硕士学位论文AbstractGas-liquidstirredtankbioreactorhavebeenwidelyusedinbiochemicalengineering,Rushtongas-liquidstirredtankbioreactorhasbeenusedasatypicalgas-liquidstirredstudyobject,inwhich