Application of a chaos mixing Taylor vortex flow for the two phase flow in bioreactors, and the flow analysis for approaching the blood filtration

混沌混合泰勒涡流在生物反应器中两相流的应用及接近血液过滤的流动分析

基本信息

批准号：
19560156
负责人：
KAWAI Hideki
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Muroran Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

项目摘要

固液混相流や固気混相流における最適な攪拌・混合法を見つけることは, 化学装置やバイオリアクタ, あるいは鉄鋼炉の設計等において重要な指針を与える. 本研究では攪拌混合が比較的緩やかなTaylor vortex flow(TVF)に注目し, 微生物などの増殖率の増加効果や濾過装置への応用を視野に入れた流れの解析に主眼をおいた. TVFは単純な装置であり, 乱流へも段階的に遷移する(スペクトル遷移)ため, カオス混合など, せん断力に弱い微生物や細胞の効果的な混合法の開発に大きく発展すると思われるが, 未解明な点も多い.本研究では, アスペクト比が小さく(Γ=3), 上下境界端効果を有するTVFを用いて, その固液混合特性を可視化法, 並びに超音波流速分布計測法を用いて解析した. この結果, 渦モードによってカオス混合への遷移状況が大きく異なり, 渦自身が自励振動する場合や, 渦と渦の界面が振動する場合など, そのメカニズムが大きく異なることが明らかになった.また, このTVF装置を利用した光合成微生物増殖用バイオリアクタを試作し, 培養実験を行った. 光合成微生物が強いせん断流れによって破壊された場合の定量的な検出法を開発し, これを用いてTVFの効果を調べたところ, Re=30,000までの速い流れでも微生物は破壊されることなく順調に増殖した. ただし, Re>60,000では細胞破壊が検出される場合が観察され, 不安定な挙動を示した.

寻找固液和固气多相流的最佳搅拌和混合方法为化工设备、生物反应器和炼钢炉的设计提供了重要指导。以提高微生物的生长速度并将其应用于过滤装置。TVF是一个简单的装置，由于存在向湍流的逐步过渡（光谱过渡），因此预计该方法将极大地推进对剪切力敏感的微生物和细胞的有效混合方法的开发，例如混沌混合，但仍有许多本研究采用小长径比（Г=3）且具有上下边界边缘效应的TVF，利用可视化方法和超声流速分布测量方法分析了其固液混合特性。如下：很明显，根据涡流模式的不同，向混沌混合的转变会有很大差异，并且机制也有很大差异，例如当涡流本身振荡或涡流之间的界面振动时，我们设计了一个用于生长的生物反应器原型。我们开发了一种光合微生物被强剪切流破坏时的定量检测方法，并用它来研究 TVF 的效果。即使在高达 Re=30,000 的快速流动下，微生物也不会被破坏并顺利生长，但是，在 Re>60,000 时，在某些情况下观察到细胞破坏，表明行为不稳定。