本發明涉及氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法及系統。

背景技術：

1、在生物學領域，提高發酵罐效率的方法包括生物微生物修飾和微生物再循環。微生物修飾和微生物再循環方法增加了微生物生產率和微生物濃度。在此過程中，與微生物氨基酸生產直接相關的需氧量增加。

2、在這種情況下，考慮各種變量，如高濃度氧氣、通氣速率(aeration?rate)、轉速(rpm)和葉輪類型，以確保氧氣從供應的空氣快速傳遞到培養基。

3、也有一些方法，如增大葉輪的直徑或轉速(rpm)，以確保氧氣的快速傳遞，但是這些方法消耗了大量的能量。因此，需要從氧氣傳遞和能量消耗兩方面考慮，找到適合當前情況的操作條件。

4、因此，需要許多實驗來分析各種操作條件中的每一種下的氧氣傳遞和能量消耗。在實驗室中，可以通過制造具有不同高度、直徑和葉輪尺寸及形狀的小規模發酵罐以及基于不同操作條件來進行實驗。

5、然而，由于生產場所中使用的發酵罐是大規模的，改變這些發酵罐的結構或在不同操作條件下進行實驗需要停止生產并產生大量成本。因此，用大規模發酵罐進行實驗是有局限性的。

技術實現思路

1、技術問題

2、本發明的一個目的是提供一種氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法，該方法基于計算流體動力學模擬發酵罐內的流動現象。

3、本發明的另一個目的是提供一種氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法，該方法克服了物理局限性并預測了用于氨基酸發酵用發酵罐內的氨基酸發酵的氧傳遞系數和功率消耗。

4、本發明的另一個目的是提供一種氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法，用于找到向氨基酸發酵用發酵罐內的發酵培養基有效供應氧氣的最佳條件。

5、本發明的另一個目的是提供一種氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化系統，該系統應用上述氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法。

6、技術方案

7、根據本發明的一個實施方案的氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法包括：相對于具有至少一個葉輪的發酵罐的優化目標設置目標變量、約束變量和設計變量；根據目標變量對約束變量和設計變量的每個條件下的葉輪發酵罐的流動區域生成三維形狀；基于關于三維形狀的信息，通過對流動區域的計算流體動力學分析來計算初級值，初級值為氧擴散系數、液體密度、液體粘度、氣體滯留率、氣泡直徑、能量耗散率和扭矩中的至少一個；使用初級值計算二級值，二級值為氧傳遞系數和功率消耗比(功率比)；和在以各種方式改變設置的設計變量的同時，重復生成三維形狀、計算初級值和計算二級值，并且基于通過比較變化之前和之后的二級值而獲得的比較值來找到最佳點。

8、在設置中，考慮到當前情況，可以選擇氧傳遞系數和功率比中的至少一個作為目標變量。

9、在設置中，約束變量可以包括發酵罐的高度、發酵罐的直徑、噴氣器的形狀、通氣速率和發酵罐的運行容積中的至少一個。

10、在設置中，設計變量可以設置為在發酵罐可能變化的范圍內的計算流體動力學模擬條件。

11、在設置中，設計變量可以包括葉輪的轉速(rpm)、葉輪的形狀、葉輪的數量、葉輪的直徑和葉輪的安裝高度中的至少一個。

12、在設置中，葉輪的最大高度可以設置在發酵罐的運行容積高度內。

13、所述計算二級值可以包括使用氧傳遞系數和功率比計算三級值，三級值為氧傳遞系數與功率比的比率(kla/功率比)。

14、找到最佳點可以包括基于通過比較變化之前和之后的三級值而獲得的比較值來找到最佳點。

15、根據本發明的一個實施方案的氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化系統包括模擬單元，其被配置為通過氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法進行模擬；發酵罐，其通過模擬單元優化并實地應用；監測傳感器，其被配置為監測在運行期間偏離發酵罐最佳狀態的誤差數據；和控制單元，其被配置為比較由監測傳感器監測的誤差數據是否超過容許的誤差范圍，并將比較結果通知管理員。

16、發酵罐可以包括第一級葉輪、第二級葉輪和第三級葉輪，它們安裝在由電機驅動的軸上，從下端向上以預定間隔隔開；第一擋板和第二擋板，其配置在徑向內壁兩側；和噴氣器，其配置在第一級葉輪下方以吹送空氣。

17、以這種方式，本發明的實施方案可以根據氨基酸類型和發酵罐的操作條件，基于三維形狀信息，通過對發酵罐的流動區域的計算流體動力學分析來調節最佳葉輪高度，其中發酵罐應用了至少一個葉輪。

18、本發明的實施方案可以根據對各種產品的需求生產各種氨基酸，并且在需要調節生產量的生產工廠中，可以通過調節發酵罐的葉輪高度來提高生產率和降低功率消耗。

19、本發明的實施方案能夠通過計算流體動力學分析來計算發酵罐中的流體現象以及客觀驗證氧傳遞系數和功率消耗，從而能夠計算增加氧傳遞系數相對于功率消耗的影響。

20、因此，經濟效益是可以預期的。也就是說，本發明的實施方案可以通過計算流體動力學分析來反映工業領域中使用的發酵罐的結構特征，并通過預測發酵罐的氧傳遞系數和功率消耗來實現優化。

技術特征：

1.一種氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化方法，其包括：

2.根據權利要求1所述的基于cfd的優化方法，其中：

3.根據權利要求1所述的基于cfd的優化方法，其中：

4.根據權利要求1所述的基于cfd的優化方法，其中：

5.根據權利要求4所述的基于cfd的優化方法，其中：

6.根據權利要求4所述的基于cfd的優化方法，其中：

7.根據權利要求1所述的基于cfd的優化方法，其中：

8.根據權利要求7所述的基于cfd的優化方法，其中：

9.一種氨基酸發酵用發酵罐的基于cfd的優化系統，其包括：

10.根據權利要求9所述的基于cfd的優化系統，其中：

技術總結
根據本發明的一個實施方案的氨基酸發酵用發酵罐的基于CFD的優化方法包括：第一步驟，相對于至少一個葉輪發酵罐的優化目標設置目標變量、約束變量和設計變量；第二步驟，根據目標變量對約束變量和設計變量的每個條件下的葉輪發酵罐的流動區域生成三維形狀；第三步驟，基于關于三維形狀的信息，通過對流動區域的計算流體動力學分析來計算初級值，初級值為氧擴散系數、液體密度、液體粘度、氣體滯留率、氣泡直徑、能量耗散率和扭矩中的至少一個；第四步驟，使用初級值計算二級值，二級值為氧傳遞系數和功率消耗比(功率比)；和第五步驟，在以各種方式改變第一步驟的設計變量的同時，重復第二步驟、第三步驟和第四步驟，并且基于通過比較變化之前和之后的二級值而獲得的比較值來找到最佳點。

技術研發人員：趙在勛,樸贊勛,金俊宇
受保護的技術使用者：CJ第一制糖株式會社
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28