专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; |
专利有效性 | 公开 | 当前状态 | 公开 |
申请号 | CN202380067885.4 | 申请日 | 2023-08-07 |
公开(公告)号 | CN119907851A | 公开(公告)日 | 2025-04-29 |
申请人 | CJ第一制糖株式会社; | 申请人类型 | 企业 |
发明人 | 赵在勋; 朴赞勋; 金俊宇; | 第一发明人 | 赵在勋 |
权利人 | CJ第一制糖株式会社 | 权利人类型 | 企业 |
当前权利人 | CJ第一制糖株式会社 | 当前权利人类型 | 企业 |
省份 | 当前专利权人所在省份: | 城市 | 当前专利权人所在城市: |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:韩国 | 邮编 | 当前专利权人邮编: |
主IPC国际分类 | C12M1/36 | 所有IPC国际分类 | C12M1/36 ; C12M1/06 ; C12M1/00 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 北京品源专利代理有限公司 | 专利代理人 | 刘明海; 胡彬; |
摘要 | 根据本 发明 的一个实施方案的 氨 基酸 发酵 用 发酵罐 的基于CFD的优化方法包括:第一步骤,相对于至少一个 叶轮 发酵罐的优化目标设置目标变量、约束变量和设计变量;第二步骤,根据目标变量对约束变量和设计变量的每个条件下的叶轮发酵罐的流动区域生成三维形状;第三步骤,基于关于三维形状的信息,通过 对流 动区域的计算 流体 动 力 学分析来计算初级值,初级值为 氧 扩散系数、液体 密度 、液体 粘度 、气体滞留率、气泡直径、 能量 耗散率和 扭矩 中的至少一个;第四步骤,使用初级值计算二级值,二级值为氧传递系数和功率消耗比(功率比);和第五步骤,在以各种方式改变第一步骤的设计变量的同时,重复第二步骤、第三步骤和第四步骤,并且基于通过比较变化之前和之后的二级值而获得的比较值来找到最佳点。 | ||
权利要求 | 1.一种氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法,其包括: |
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说明书全文 | 氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法及系统。 背景技术[0004] 也有一些方法,如增大叶轮的直径或转速(RPM),以确保氧气的快速传递,但是这些方法消耗了大量的能量。因此,需要从氧气传递和能量消耗两方面考虑,找到适合当前情况的操作条件。 [0005] 因此,需要许多实验来分析各种操作条件中的每一种下的氧气传递和能量消耗。在实验室中,可以通过制造具有不同高度、直径和叶轮尺寸及形状的小规模发酵罐以及基于不同操作条件来进行实验。 [0006] 然而,由于生产场所中使用的发酵罐是大规模的,改变这些发酵罐的结构或在不同操作条件下进行实验需要停止生产并产生大量成本。因此,用大规模发酵罐进行实验是有局限性的。 发明内容[0007] 技术问题 [0009] 本发明的另一个目的是提供一种氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法,该方法克服了物理局限性并预测了用于氨基酸发酵用发酵罐内的氨基酸发酵的氧传递系数和功率消耗。 [0010] 本发明的另一个目的是提供一种氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法,用于找到向氨基酸发酵用发酵罐内的发酵培养基有效供应氧气的最佳条件。 [0011] 本发明的另一个目的是提供一种氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化系统,该系统应用上述氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法。 [0012] 技术方案 [0013] 根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法包括:相对于具有至少一个叶轮的发酵罐的优化目标设置目标变量、约束变量和设计变量;根据目标变量对约束变量和设计变量的每个条件下的叶轮发酵罐的流动区域生成三维形状;基于关于三维形状的信息,通过对流动区域的计算流体动力学分析来计算初级值,初级值为氧扩散系数、液体密度、液体粘度、气体滞留率、气泡直径、能量耗散率和扭矩中的至少一个;使用初级值计算二级值,二级值为氧传递系数和功率消耗比(功率比);和在以各种方式改变设置的设计变量的同时,重复生成三维形状、计算初级值和计算二级值,并且基于通过比较变化之前和之后的二级值而获得的比较值来找到最佳点。 [0014] 在设置中,考虑到当前情况,可以选择氧传递系数和功率比中的至少一个作为目标变量。 [0015] 在设置中,约束变量可以包括发酵罐的高度、发酵罐的直径、喷气器的形状、通气速率和发酵罐的运行容积中的至少一个。 [0016] 在设置中,设计变量可以设置为在发酵罐可能变化的范围内的计算流体动力学模拟条件。 [0017] 在设置中,设计变量可以包括叶轮的转速(rpm)、叶轮的形状、叶轮的数量、叶轮的直径和叶轮的安装高度中的至少一个。 [0018] 在设置中,叶轮的最大高度可以设置在发酵罐的运行容积高度内。 [0019] 所述计算二级值可以包括使用氧传递系数和功率比计算三级值,三级值为氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)。 [0020] 找到最佳点可以包括基于通过比较变化之前和之后的三级值而获得的比较值来找到最佳点。 [0021] 根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化系统包括模拟单元,其被配置为通过氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法进行模拟;发酵罐,其通过模拟单元优化并实地应用;监测传感器,其被配置为监测在运行期间偏离发酵罐最佳状态的误差数据;和控制单元,其被配置为比较由监测传感器监测的误差数据是否超过容许的误差范围,并将比较结果通知管理员。 [0022] 发酵罐可以包括第一级叶轮、第二级叶轮和第三级叶轮,它们安装在由电机驱动的轴上,从下端向上以预定间隔隔开;第一挡板和第二挡板,其配置在径向内壁两侧;和喷气器,其配置在第一级叶轮下方以吹送空气。 [0023] 以这种方式,本发明的实施方案可以根据氨基酸类型和发酵罐的操作条件,基于三维形状信息,通过对发酵罐的流动区域的计算流体动力学分析来调节最佳叶轮高度,其中发酵罐应用了至少一个叶轮。 [0024] 本发明的实施方案可以根据对各种产品的需求生产各种氨基酸,并且在需要调节生产量的生产工厂中,可以通过调节发酵罐的叶轮高度来提高生产率和降低功率消耗。 [0025] 本发明的实施方案能够通过计算流体动力学分析来计算发酵罐中的流体现象以及客观验证氧传递系数和功率消耗,从而能够计算增加氧传递系数相对于功率消耗的影响。 [0027] 图1是根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法的流程图。 [0028] 图2是根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基本构造图。 [0029] 图3是在根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法的第一个实验实施例中使用的叶轮的照片。 [0030] 图4至图6是示出在根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法的模拟中生成的发酵罐内叶轮的关系的透视图。 [0031] 图7是根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化系统的框图。 具体实施方式[0032] 本发明的最佳实施方式 [0033] 下文将参照附图更全面地描述本发明,附图中示出了本发明的实施方案。如本领域技术人员将认识到的,所描述的实施方案可以以各种不同的方式进行修改,而所有这些都不脱离本发明的精神或范围。附图和描述本质上被认为是说明性的,而不是限制性的。在整个说明书中,相同的附图标记指定相同的元件。 [0034] 图1是根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法的流程图。参考图1,一个实施方案的基于CFD的优化方法包括第一步骤(ST1)、第二步骤(ST2)、第三步骤(ST3)、第四步骤(ST4)和第五步骤(ST5)。 [0035] 第一步骤(ST1)包括相对于具有至少一个叶轮的发酵罐的优化目标设置目标变量、约束变量和设计变量。第一步骤(ST1)可以包括考虑当前情况,选择氧传递系数(kLa)和功率消耗比(功率比)中的至少一个作为目标变量。 [0036] 第一步骤(ST1)可以包括发酵罐的高度、发酵罐的直径、喷气器的形状、通气速率和发酵罐的运行容积中的至少一个作为约束变量。 [0037] 第一步骤(ST1)可以包括将设计变量设置为在发酵罐可能变化的范围内的计算流体动力学模拟条件。第一步骤(ST1)可以包括叶轮的转速(rpm)、叶轮的形状、叶轮的数量、叶轮的直径和叶轮的安装高度中的至少一个作为设计变量。第一步骤(ST1)可以包括在发酵罐的运行容积高度内设置叶轮的最大高度。 [0038] 图2是根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基本构造图。参考图2,一种氨基酸发酵用发酵罐1,包括第一级叶轮IP1、第二级叶轮IP2和第三级叶轮IP3,它们安装在单个轴2上,从下端到上端以预定间隔隔开;第一挡板BF1和第二挡板BF2,其配置在径向内壁两侧;和喷气器3,其配置在第一级叶轮IP1下方以吹送空气。轴2通过电机的扭矩旋转运行(M,参见图7)。 [0039] 图3是在根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法的第一个实验实施例中使用的叶轮的照片。参考图3,第一级叶轮IP1、第二级叶轮IP2和第三级叶轮IP3配置在单个轴2上。 [0040] 图4至图6是示出在根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法的模拟中生成的发酵罐内叶轮的关系的透视图。 [0041] 再次参考图1,第二步骤(ST2)包括根据目标变量对约束变量和设计变量的每个条件下的叶轮发酵罐的流动区域生成三维形状。图4至6示出了对叶轮发酵罐的流动区域生成的三维形状。 [0042] 第三步骤(ST3)包括基于关于三维形状的信息,通过对流动区域的计算流体动力学分析来计算初级值,初级值为氧扩散系数、液体密度、液体粘度、气体滞留率、气泡直径、能量耗散率和扭矩中的至少一个。 [0043] 将液体填充到发酵罐中,气体滞留率和气泡由通过喷气器3吹入的空气设置。扭矩是指由于轴2的旋转而通过第一级叶轮IP1、第二级叶轮IP2和第三级叶轮IP3施加到轴2的电机(M)的旋转力。 [0044] 第四步骤(ST4)包括使用初级值计算二级值,二级值为氧传递系数(kLa)和功率消耗比(功率比)。使用数学公式1计算氧传递系数(kLa)。 [0045] (数学公式1) [0046] kLa氧传递系数 [0047] [0048] DL=氧扩散系数(kg/m3), [0049] ∈=湍流耗散率(CFD,m2/s3) [0050] ρ=液体密度(kg/m3),μ=液体粘度(kg/ms) [0051] [0052] db=平均直径(m),αg=气体滞留率(‑) [0053] 基于扭矩的功率消耗(Pg)使用数学公式2计算,即每秒转数(N)和扭矩。 [0054] (数学公式2) [0055] Pg=2πNτ [0056] N=rps(1/s), [0057] τ=扭矩 [0058] 扭矩是在CFD操作期间计算的。功率比计算为基于扭矩得出的功率消耗(Pg)。 [0059] 第五步骤(ST5)包括顺序地重复第二步骤(ST2)、第三步骤(ST3)和第四步骤(ST4),同时以各种方式改变第一步骤(ST1)的设计变量,并且基于通过比较在每次重复时产生的变化之前和之后的二级值而获得的比较值来找到最佳点。 [0060] 此外,第四步骤(ST4)可以包括使用二级值进一步计算三级值,三级值为氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)。 [0061] 在这种情况下,第五步骤(ST5)可以包括顺序地重复第二步骤(ST2)、第三步骤(ST3)和第四步骤(ST4),同时以各种方式改变第一步骤(ST1)的设计变量,并且基于通过比较在每次重复时产生的变化之前和之后的三级值而获得的比较值来找到最佳点。 [0062] 下面,将实际的实验实施例和模拟作为示例进行描述。 [0063] 实验实施例1和模拟1 [0064] 参考图3至图6,将描述根据实施方案的基于CFD的优化方法的实验实施例1和模拟1。图4至图6是在第二步骤(ST2)中获得的图。第二步骤(ST2)包括对第一步骤(ST1)的每个条件下的叶轮发酵罐的流动区域生成三维形状。 [0065] 第三步骤(ST3)包括基于关于三维形状的信息,通过对流动区域的计算流体动力学分析来计算初级值,初级值为氧扩散系数、液体密度、液体粘度、气体滞留率、气泡直径、能量耗散率和扭矩中的至少一个。 [0066] 表1示出了小规模发酵罐中根据叶轮高度的氧传递系数(kLa)、功率比和氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)。作为示例,小规模发酵罐的容积大于1L且小于100L。 [0067] [表1] [0068] [0069] [0070] 使用小规模发酵罐进行模拟。首先,将发酵罐的尺寸、叶轮的尺寸和叶轮的转速(RPM)固定为第一变量,第二级叶轮IP2的高度作为第二变量改变(情况1、2和3),并使用CFD对发酵罐进行模拟。 [0071] 在情况1、2和3中,第一级叶轮IP1、第二级叶轮IP2和第三级叶轮IP3从下侧向上侧布置,并且位于中间的第二级叶轮IP2的位置设定为75mm作为基准,从基准降低的55mm,从基准升高的95mm。 [0072] 通过该模拟,在第四步骤(ST4)中计算作为第三变量和二级值的氧传递系数(kLa)和功率比。 [0073] 模拟结果如表1所示,第一级叶轮IP1、第二级叶轮IP2和第三级叶轮IP3从下侧向上侧布置,并且在第五步骤(ST5)中确认随着位于中间的第二级叶轮IP2的位置降低到95、75和55mm(情况3、情况1和情况2),氧传递系数(kLa)提高到0.0441、0.0452和0.0530,并且找到了最佳点。 [0074] 这种结果的原因是,随着第一级叶轮IP1和第二级叶轮IP2彼此靠近,第一级叶轮IP1和第二级叶轮IP2两个叶轮像一个大叶轮一样工作。 [0075] 基于模拟结果,如表1所示改变第二级叶轮IP2的高度,将实际的发酵罐实地应用,然后进行培养。 [0076] 结果,如表2所示,确认了随着作为二级值的氧传递系数(kLa)的增加,发酵时间比降低,并且生产率比随着发酵时间比的降低而提高。也就是说,可以确认随着氧传递系数(kLa)的增加,与氧密切相关的发酵导致培养时间比降低。 [0077] 再次参考图1,第四步骤(ST4)还包括第41(ST41)步骤,通过使用作为二级值的氧传递系数(kLa)和功率比,计算三级值,三级值为氧传递系数(kLa)与功率比的比率。在这种情况下,第五步骤(ST5)还包括第51步骤(ST51),基于通过比较变化之前和之后的三级值而获得的比较值来找到最佳点。 [0078] 第51步骤(ST51)包括当改变设计变量时,基于通过比较变化之前和之后的三级值而获得的比较值来找到最佳点。第51步骤(ST51)包括重复第二步骤(ST2)、第三步骤(ST3)以及第四步骤和第41步骤(ST4和ST41),并且基于通过比较变化之前和之后的三级值而获得的比较值来找到最佳点。 [0079] 参照表1,作为第41步骤(ST41)的结果,当在情况1中的第二级叶轮IP2的位置在中间75mm时,氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)为0.0452。在情况3中,当第二级叶轮IP2的位置降低到55mm时,氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)增加到0.0482。在情况2中,当第二级叶轮IP2的位置升高到95mm时,氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)降低到0.0450。 [0080] 也就是说,作为第51步骤(ST51)的结果,如在情况3中,当第二级叶轮IP2的位置降低时,可以看出作为三级值的氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)增加,这在第51步骤(ST51)中确认,并且找到了最佳点。 [0081] 结果,如表1所示,随着作为三级值的氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)增加,发酵时间比降低,生产率比提高。也就是说,可以确认随着作为三级值的氧传递系数与功率比的比率(kLa/功率比)增加,与氧密切相关的发酵导致培养时间比降低。 [0082] 图7是根据本发明的一个实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化系统的框图。参考图7,实施方案的基于CFD的优化系统包括模拟单元10、发酵罐1、监测传感器20和控制单元30。 [0083] 模拟单元10被配置为实施氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法。使用实施方案的氨基酸发酵用发酵罐的基于CFD的优化方法来优化发酵罐1,并将其实地应用。监测传感器20可以被配置为照相机、红外传感器等,其能够监测在运行期间偏离发酵罐1最佳状态的误差数据。 [0084] 控制单元30比较由监测传感器20监测的误差数据是否超过容许的误差范围,并将比较结果通知管理员。控制单元30基于模拟单元10的数据控制发酵罐1的电机M,以驱动轴2和第一级叶轮IP1、第二级叶轮IP2和第三级叶轮IP3。同时,控制单元30通过来自监测传感器20的检测信号来确定发酵罐1是否脱离其最佳状态,从而能够保持发酵罐1的最佳发酵状态。 [0085] 下面,将描述实地应用的各种模拟和实施例。 [0086] 实验实施例2(模拟2和实地应用) [0087] 将描述根据实施方案的基于CFD的优化方法的实验实施例2。表2示出了根据大规模发酵罐内叶轮高度的氧传递系数(kLa)和生产率。作为示例,大规模发酵罐的容积大于100,000L且小于700,000L。 [0088] 实验使用大规模发酵罐进行。首先,发酵罐的尺寸、叶轮的尺寸和叶轮的转速(RPM)保持为第一变量,第二级叶轮和第三级叶轮的高度作为第二变量改变,并使用CFD对发酵罐进行模拟。 [0089] 通过该模拟,在第四步骤和第41步骤(ST4和ST41)中计算作为第三变量和二级值的功率比和氧传递系数(kLa),以及作为三级值的氧传递系数与功率比的比率。 [0090] 模拟结果如表2所示,当第二级叶轮和第三级叶轮分别安装在比标准(STD)高10cm和50cm的位置时,如在发酵罐1中,发酵罐1中确认了最高的氧传递系数。考虑到发酵罐1至4中第二级叶轮和第三级叶轮的高度,当第二级叶轮和第三级叶轮处于合适的位置时,氧传递系数高。 [0091] 作为基于来自发酵罐1至4的累积数据比较生产率的结果,获得了氧传递系数和生产率之间的比例关系。然后,改变发酵罐4,使得第二级叶轮和第三级叶轮位于与发酵罐1中相同的高度,生产率提高1%至2%。 [0092] [表2] [0093] [0094] [0095] 实验实施例3(模拟3) [0096] 将描述根据实施方案的基于CFD的优化方法的实验实施例3。目标发酵罐是其中氧气不足的发酵罐,因此减少进料以防止氧气耗尽和异常发酵,这最终导致发酵生产率降低。表3中相应的发酵罐是大规模发酵罐,其容积大于100,000L且小于700,000L。 [0097] 使用大规模发酵罐进行模拟。在该模拟中,发酵罐的尺寸、叶轮的尺寸和叶轮的转速(RPM)保持为第一变量,第二级叶轮的高度作为第二变量改变,并使用CFD对发酵罐进行模拟。 [0098] 通过该模拟,在第四步骤和第41步骤(ST4和ST41)中计算作为第三变量和二级值的功率比和氧传递系数(kLa),以及作为三级值的氧传递系数与功率比的比率。 [0099] 模拟结果如表3所示,确认了第二级叶轮安装的高度越低,发酵罐中的氧传递系数越高。 [0100] [表3] [0101] [0102] [0103] 实验实施例4(模拟4) [0104] 将描述根据实施方案的基于CFD的优化方法的实验实施例4。目标发酵罐是其中的氧传递系数由于氧耗尽而需要增加的发酵罐。相应的发酵罐是中等规模的发酵罐,其容积大于100L且小于100,000L。 [0105] 使用中等规模的发酵罐进行模拟。对于表4中相应的发酵罐,叶轮的高度和叶轮的转速可以变化。在该模拟中,发酵罐的尺寸和叶轮的尺寸保持为第一变量,第三级叶轮的高度和转速(RPM)作为第二变量改变,并使用CFD对发酵罐进行模拟。 [0106] 通过该模拟,在第四步骤和第41步骤(ST4和ST41)中计算作为第三变量的功率比和氧传递系数(kLa),以及作为三级值的氧传递系数与功率比的比率。 [0107] 结果,简单地改变叶轮的高度影响很小,氧传递系数变化约1%。此外,通过改变叶轮的转速(RPM)进行模拟,叶轮的转速是可变的,并且确认氧传递系数增加了6%。 [0108] [表4] [0109] [0110] 实验实施例5(模拟5) [0111] 将描述根据实施方案的基于CFD的优化方法的实验实施例5。表5中相应的发酵罐是大规模发酵罐,其容积大于100,000L且小于700,000L。 [0112] 使用大规模发酵罐进行模拟。首先,在给定的条件下,发酵罐的尺寸、叶轮的尺寸和叶轮的转速保持为第一变量,并且根据作为第二变量的供应到喷气器的空气量,使用CFD对发酵罐进行模拟。 [0113] 通过该模拟,在第四步骤和第41步骤(ST4和ST41)中计算作为第三变量和二级值的功率比和氧传递系数(kLa),以及氧传递系数与功率比的比率。 [0114] 模拟结果如表5所示,随着通气速率增大,氧传递系数增大,功率比增大到一定程度后又减小。由此确认,当在可操作区域内供应最大量的空气时,效率最高。 [0115] [表5] [0116] 分类 通气 氧传递系数 功率比 kLa/功率比情况1 1.00 0.1245 1.00 0.1245 情况2 1.05 0.1296 1.08 0.1196 情况3 1.10 0.1369 1.05 0.1305 情况4 1.15 0.1476 0.98 0.1513 [0118] (附图标记的解释) [0119] 1:发酵罐 2:轴 [0120] 3:喷气器 10:模拟单元 [0121] 20:监测传感器 30:控制单元 [0122] BF1:第一挡板 BF2:第二挡板 [0123] IP1:第一级叶轮 IP2:第二级叶轮 [0124] IP3:第三级叶轮 M:电机 |