攪拌式生物反應(yīng)器的模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)與放大研究.pdf

1、瓊脂糖凝膠作為制備蛋白A免疫吸附柱的載體，其工業(yè)規(guī)模的活化反應(yīng)過程一直以來是制約血液凈化材料批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。在瓊脂糖凝膠活化反應(yīng)過程中，攪拌式反應(yīng)器(Stirred Tank Reactor，STR)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與放大技術(shù)是工業(yè)過程開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前雖然已有許多針對攪拌式反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)和理論研究，但相關(guān)的理論及設(shè)計(jì)方法仍不完善。近年來，采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法

2、研究攪拌式反應(yīng)器內(nèi)的流動和混合特性，已顯示出卓越的優(yōu)勢，引領(lǐng)著流體攪拌混合技術(shù)的發(fā)展。 本文首先利用FLUENT軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型、多重參考系(Multi—Reference Frame，MRF)穩(wěn)態(tài)流動方法，模擬了攪拌式反應(yīng)器內(nèi)單相流體的流動場，并與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了CFD方法的可行性；進(jìn)而模擬了瓊脂糖凝膠單相體系溶液的流動場，通過對不同攪拌槳型式下，流型、速度場及剪切力場的研究，發(fā)現(xiàn)采用45°四折葉渦輪

3、槳PBTD45循環(huán)流量大、剪切作用小，其綜合性能要優(yōu)于六直葉圓盤渦輪槳DT。對于瓊脂糖凝膠活化反應(yīng)，推薦采用PBTD45攪拌槳。 本文對攪拌式反應(yīng)器內(nèi)加入固相催化劑的瓊脂糖活化反應(yīng)過程進(jìn)行了固-液兩相懸浮特性的數(shù)值模擬。分別對圓盤渦輪槳DT、下壓式槳PBTD45、上揚(yáng)式槳PBTU45的固相懸浮性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)PBTD45懸浮性能最優(yōu)，其次為DT、PBTU45；采用CFD方法預(yù)測了三種攪拌槳的完全離底懸浮臨界轉(zhuǎn)速分別為948r

4、pm、570rpm、1152rpm，并與Zwietering經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較，最大相對誤差為13.4％。CFD模擬得到20L攪拌式反應(yīng)器內(nèi)，瓊脂糖凝膠催化活化反應(yīng)最優(yōu)操作條件為：采用PBTD45攪拌槳，N＝570rpm，D＝0.10m。 本文應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural networks，ANN)技術(shù)，以MATLAB軟件為平臺，自行編制程序，建立了3層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的瓊脂糖凝膠活化反應(yīng)—ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)