عنوان پایان‌نامه
مدلسازی و شبیه سازی هیدرو دینامیک جریان و انتقال جرم در میکروبیو راکتورهاو اعتبار سنجی داده ها
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی- بیوتکنولوژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1187.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 54813
- تاریخ دفاع
- ۱۲ شهریور ۱۳۹۱
- دانشجو
- بهداد پوران
- استاد راهنما
- قاسم عموعابدینی
- چکیده
- در فرآیندهای بیولوژیک هوازی تامین اکسیژن کافی، انتقال مواد مغذی و حذف محصولات متابولیسم سلولی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این راستا تحقیق بر روی پدیده های انتقال با استفاده از مدل های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به منظور بهینه سازی هیدرودینامیک سیال و انتقال جرم گاز-مایع در بیوراکتورهای صنعتی و آزمایشگاهی با سایزهای مینیاتوری (میلی، میکرو) مورد توجه محققین قرار گرفته است. استفاده از این مدل ها به میکروبیولوژیست ها، مهندسین بیوشیمی و داروسازها امکان می دهد که فرآیندهای بیولوژیک را تحت شرایط عملیاتی بهینه با تامین اکسیژن کافی و مواد مغذی انجام دهند. در این تحقیق با استفاده از کدهای دینامیک سیالات محاسباتی، مدلسازی و شبیه سازی هیدرودینامیک جریان و انتقال جرم در میکروبیوراکتورها صورت گرفته است. مطالعه CFD الگوی جریان و شکل فصل مشترک گاز-مایع با کمک معادلات نویر-استوکس، پیوستگی و روش ردیابی سطح حجم سیال (VOF) در میکروبیوراکتور با 24 چاهک استوانه ای شکل انجام شد. به منظور پیش بینی مقدار ضریب انتقال جرم (kLa) در CFD از معادلات بقاء اجزاء و معادله هیگبی به همراه معادلات دینامیک سیال استفاده شد. در ضمن به منظور اعتبار سنجی داده های حاصل از CFD از روش آزمایشگاهی سولفایت استفاده گردید. نتایج حاصل از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) هیدرودینامیک جریان و اعتبار سنجی داده ها برای میکروبیوراکتور با 24 چاهک نشان دادند که افزایش حدود 41 درصدی در سرعت شعاعی با گذر از دور rpm300 به rpm 500 به دست می آید. هم چنین نتایج CFD به همراه اعتبار سنجی داده ها در این میکروبیوراکتور نشان داد که افزایش 178 درصدی ضریب انتقال جرم (kLa) با گذر از دور rpm300 به rpm 500 به دست می آید. در کل استفاده از مدل های پیشنهادی در این تحقیق بر مبناء معادلات مومنتم، پیوستگی و بقاء اجزاء جهت شبیه سازی دقیق هیدرودینامیک جریان و انتقال جرم در میکروبیوراکتورها توصیه می گردد.
- Abstract
- In aerobic bioprocesses providing sufficient oxygen, nutrient transport and removal of byproducts are extremely significant. In these cases, research on transport phenomena together with computational fluid dynamics (CFD) models to optimize fluid hydrodynamics and gas-liquid mass transfer in industrial, lab and miniaturized bioreactors (milli and micro) has been attracted by researchers. Using these models, enables microbiologists, biochemical engineers and pharmacists, to conduct biological processes under optimum operational conditions to provide sufficient oxygen and nutrients. In this study, with the aid of CFD codes, modeling, simulation of flow hydrodynamics and mass transfer in microbioreactors have been performed. CFD study of flow pattern and gas-liquid interface shape have been done using Navier-stokes equation, continuity equation and interface tracking method (VOF) in 24-well microbioreactors with cylindrical geometry. To predict mass transfer coefficient (kLa) in CFD, species conservation equation, Higbie equation together with fluid dynamics equations were used. Moreover, for validation of CFD data, experimental sulfite method was used. Computational fluid dynamics (CFD) results of hydrodynamics along with validation data for 24-well microbioreactor, showed 41% increase in radial velocity with transition from 300 to 500 rpm. Also, CFD results of mass transfer together with validation data for the same microbioreactor, depicted 178% increase in mass transfer coefficient (kLa) with transition from 300 to 500 rpm. Overall, the proposed model in this research based on momentum, continuity and species transfer equations is recommended for prediction of flow hydrodynamics and mass transfer in microbioreactors.
