PDF《硕士学位论文》

学校代码:10251 学号:030110952 硕士学位论文题目高固体含量下木质纤维素酶解过程 的计算流体力学模拟及反应器设计 专业化学工艺 研究方向 生物炼制 姓名安瑞鑫 导师鲍杰 定稿时间:

2014 年5月26 日 分类号: TQ352.

78 密级: U D C: 华东理工大学学位论文高固体含量下木质纤维素酶解过程的计算流体力学模拟 及反应器设计 安瑞鑫 指导教师姓名: 鲍杰 教授 华东理工大学生物工程学院 申请学位级别: 硕士 专业名称: 化学工艺 论文定稿日期: 2014-04-15 论文答辩日期: 2014-05-23 学位授予单位: 华东理工大学 学位授予日期: 答辩委员会主席: 评阅人: 作者声明我郑重声明:本人恪守学术道德,崇尚严谨学风.所呈交的学位论文,是本人 在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的结果.除文中明确注明和引用的内容 外,本论文不包含任何他人已经发表或撰写过的内容.论文为本人亲自撰写,并对 所写内容负责. 论文作者签名:

2014 年月日华东理工大学 硕士学位论文 第I页高固体含量下木质纤维素酶解过程的计算流体力学模拟及反应器设计 摘要 纤维素生物质的酶水解是木质纤维素生物炼制过程中至关重要的环节.酶解过程的 效率对于后续生物炼制过程中发酵菌种的生长、产物得率以及过程能耗有很大的影响. 为了降低生物乙醇炼制成本,酶解过程需要在高固体含量木质纤维素原料下进行,然而 高的固体含量会对反应器内部的物料混合、传质传热等造成很大影响,进而导致反应过 程能耗增高、转化率降低.本文对高固体含量(30%)的预处理后玉米秸秆原料在螺带搅 拌桨生物反应器中的酶解过程进行了研究.实验中分别从糖浓度变化、不溶固体含量、 颗粒粒径分布以及物料流变性质等方面对酶解过程进行了考察.结果表明,随着酶解过 程的进行,糖浓度逐渐增高,不溶固体含量逐渐降低,颗粒粒径均分布在 0-500μm 范围 内,并且随着酶解反应的进行粒径逐渐减小.酶解体系为非牛顿剪切稀化流体,并且随 着酶解时间的推移,物料的粘稠度逐渐降低,剪切稀化性质逐渐减弱.本文使用计算流 体力学软件作为计算工具,对酶解反应过程进行了合理简化,成功地建立了能够有效模 拟木质纤维素酶解过程的 CFD 模型;

并且尝试在模型中引入流变性质随时间的变化方 程来进行酶解过程的动态模拟.本文应用所建的 CFD 模型对螺带搅拌桨的三个结构参 数对反应器混合及功耗的影响进行了考察.结果发现,d/D 是对反应器内混合及耗能影 响最大的结构参数,d/D 的增大可在一定程度上增强反应器内混合效果,但也会增加搅 拌过程功耗.在对搅拌转速的考察中发现,转速对反应器功耗和混合时间的影响受反应 器结构以及物料流变性质的影响.总的来看,转速的增大将导致反应器功耗增大,混合 时间减少;

并且随着转速的增大,转速对于混合的增强效果逐渐减小.在对酶解反应器 进行放大时,采用单位体积功率相等的放大准则能够得到较好的效果.本文对玉米秸秆 酶解过程的研究以及酶解反应器的计算流体力学模拟为木质纤维素生物炼制的计算模 拟奠定了基础,同时也为生物反应器的设计、优化以及工业放大提供了基础研究. 关键词:木质纤维素;

酶水解;

流变学模型;

计算流体力学(CFD);

反应器结构优化 第II 页 华东理工大学 硕士学位论文 CFD Simulation and Reactor Design for High Solid Content Lignocelluloses Enzyme Hydrolysis Abstract Enzyme hydrolysis is a vital part in lignocelluloses bio-refining process. The efficiency of enzyme hydrolysis can have great influence on the growth of bacteria in fermentation, product yield and energy consumption of the downstream process. In order to reduce the cost of bioethanol refining, high solid content of raw material is needed. But high solid loading can cause great influence on mass and heat transfer in the reactor, thus leading to increased reaction process power consumption and low conversion rate. In this paper, the enzyme hydrolysis of high solid content (30%) corn stover in 5L helical ribbon impeller bioreactor was studied. Insoluble solid content, sugar concentration, particle size distribution and rheology property change of the material during enzyme hydrolysis were investigated. The results show that, during the digestion process, sugar concentration increased gradually, while insoluble solid content and particle size decreased. Materials all shows a shear-thinning non Newton behavior and the viscosity reducing gradually during the hydrolysis. Computational fluid dynamics (CFD) was used in this paper, a CFD simulation of enzyme hydrolysis process was established successfully and the rheology property change during the hydrolysis was introduced as an equation for dynamic simulation. The investigation of structure and operating parameters were conducted by using the CFD model. The results show that, d/D is the most important effecter in the power consumption and mixing of the reactor. The increase of d/D can lead to increased power consumption and decreased mixing time. The effect of rotation speed is influenced by the structure of the reactor and the properties of material. In general, with the increase of rotation speed, the power consumption increases and mixing time decreases. Moreover, with the increase of rotation speed, its effect on mixing performance also decreased. Finally, in the magnification of the reactor, using equal power per unit volume rule can get better performance. This paper laid a foundation for the CFD simulation of lignocelluloses biorefining process, and provide basic research for the design, optimization and industrialization of bioreactors. Keywords: Cellulose ethanol, enzyme hydrolysis, CFD simulation, helical ribbon impeller, reactor optimization 华东理工大学 硕士学位论文 第III 页 目录 前言.1 第1章文献综述.2 1.1 木质纤维素生物炼制.2 1.1.1 原料的前处理.3 1.1.2 原料的预处理.3 1.1.3 酶解糖化.4 1.1.4 发酵.4 1.1.5 乙醇的分离.4 1.2 木质纤维素乙醇的酶解.4 1.3 酶解过程性质测定.5 1.4 计算流体力学.7 1.4.1 计算流体力学的发展.7 1.4.2 计算流体力学的数值模拟.7 1.5 课题研究内容与意义.9 1.5.1 本课题的主要研究内容.9 1.5.2 本课题的意义.10 第2章实验材料与方法.11 2.1 实验材料与设备.11 2.1.1 实验原料.11 2.1.2 酶解反应器.11 2.1.3 模拟软件.12 2.2 实验仪器及试剂.12 2.3 实验条件及方法.13 2.3.1 酶解反应条件.13 2.3.2 物料流变性质测定.13 2.3.3 糖浓度分析方法.15 2.3.4 CFD 模型建立

15 第3章玉米秸秆酶解过程性质变化

17 3.1 酶解功率变化.17 3.2 糖浓度及不溶固体含量变化.18 3.3 酶解物料粒径分布变化.19 3.4 玉米秸秆酶解过程流变学性质测定.20 第IV 页 华东理工大学 硕士学位论文 第4章CFD 模型的建立及验证

24 4.1 反应器 CFD 模型建立.24 4.1.1 几何模型的绘制.24 4.1.2 几何模型的网格划分.24 4.1.3 边界条件设定及模型计算.26 4.2 酶解过程 CFD 模拟及实验验证.28 第5章反应器结构及操作参数考察

30 5.1 ........