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工业规模反应器内部出现的底物浓度、溶氧等环境条件非均一性分布会对菌群的生理代谢产生不利影响,进而引起产品产率下降、副产物生成。因此研究非均一环境对菌群生理代谢的影响就显得尤为重要。研究反应器内非均一性影响的方法主要可分为实验法和模拟法。本文主要建立了一种基于OpenFOAM的计算流体力学和生物反应动力学模型耦合计算的模拟方法,为生物过程高效放大提供模拟工具。文章构建了基于Euler-Lagrange方法的耦合模拟方法。与实验方法相比,模拟方法能够提供更详细的信息。本次构建的模拟方法主要是通过商业CFD软件CFX计算流场,再将速度场、湍流参数等流场信息导入到OpenFOAM中进行生物反应模型耦合计算,最后再将计算完成的结果或过程监控信息导入到MATLAB中或Tecplot中处理。本次研究对开源CFD软件OpenFOAM通过构建MetabolicCloud类和MetabolicParcel类,实现了速度场控制的物质输运、速度场控制的粒子运动、粒子读取环境浓度信息、耦合求解描述细胞动力学模型的微分方程组、粒子浓度信息反馈给环境浓度场等功能。论文针对流场数据转换、网格面通量计算、粒子与壁面碰撞、湍流数据导入等一系列问题进行了论述。使得通过耦合方法对长时间发酵过程的模拟成为可能。最后将描述地衣芽孢杆菌发酵代谢产酸的动力学模型整合到搭建的框架中,通过3L反应器内的批发酵模拟验证了新方法在计算流程上的可行性。在此基础上进行了批发酵和补料分批发酵反应器内部环境非均一性的初步探索,通过30L反应器内补料发酵的模拟,初步研究了长时间的底物浓度非均一性对菌群代谢的累积影响。