In the present study, numerical simulations were performed in a stirred solid/liquid system by using Eulerian multi-phase model. The transient flow field of liquid and distribution of solid particles were predicted in the stirred tank with pitched paddle impeller and baffles. The Frozen rotor method is adopted to consider the rotating motion of the impeller. The effects of number and width of baffles on the mixing time and the quality of solid suspension in the stirred tank are presented numerically. The result shows that the mixing time decreases as the width and number of baffles increase. The present numerical methodology can be applied to optimizing mixing condition of industrial mixer.
교반 탱크(stirred tank)는 회전하는 임펠러(impeller)를 이용하여 단상 또는 다상의 유체를 지속적으로 유동시키는 장치로 여러 산업분야에 활용되고 있다. 우수한 성능의 교반기를 설계하기 위해서는 교반 성능에 영향을 미치는 다양한 내부유동특성의 정량적 데이터의 확보가 반드시 필요하지만, 복잡한 구조의 내부유동에 관한 정량적 해석은 현재까지 어려운 문제로 인식되고 있다. 본 연구에서는 전산유체 해석을 통해 교반 탱크에 적합한 기법을 제안하기 위해 Flunet 6.3의 두 가지 모델을 사용하였다. mixture model을 이용하여 교반 탱크 혼합을 해석하였으며, standard, k-${\varepsilon}$ model을 이용하여 교반 탱크 내의 유동을 해석하였다. 해석 기법으로는 다중 좌표계(Multiple Reference Frame)와 이동 격자(Sliding Mesh) 기법을 이용하였다. 전산유체해석 결과를 가시화 실험 결과와 비교하여 교반 탱크의 내부 유동 및 혼합 특성을 파악하고, 교반 탱크 내부 유동 해석 시 적절한 해석기법 선정의 기초자료를 제시하였다.
Transport of a scalar quantity, such as chemical concentration or temperature, is important in many engineering applications and environmental flows. Here we report on results obtained from the large eddy simulations of flow and concentration fields inside the tank performed using a spectral multi-domain technique. The computations were driven by specifying the impeller-induced flow at the blade tip radius (Yoon et al. $^{(1)}$). This study focused on the concentration development at different molecular diffusivities in a stirred tank operated under turbulent conditions. The main objective of the work presented here is to study the large-scale mixing structure at different molecular diffusivities in a stirred tank by using the large eddy simulation. The time sequence of concentration and flow fields shows the flow dependency of the concentration development. The presence of spatial inhomogenieties is detailed by observing the time variation of local concentration at different positions.
In the present study, a numerical simulations are investigated in a stirred solid/liquid system by using Eulerian multi-phase model. The transient flow field of liquid phase and distribution of solid particles are predicted in stirred tanks consisting of 4-pitched paddles impeller and baffles. The effects of number and width of baffles on the mixing time and the quality of solid suspension in a stirred tank are presented numerically. The result shows that the mixing time decreases as the width and number of baffles increase.
Stirred tanks are widely used in various industries for mixing operations and chemical reactions for single- or multi-phase fluid systems. In this study, a numerical study was conducted to predict the mixing characteristics in a simple stirred tank. The flow in the model stirred tank was calculated utilizing the multiple reference frame (MRF) and the sliding mesh (SM) capabilities of a commercial CFD code (Fluent 6.2). The results of the flow simulation were analyzed in terms of the mixing efficiency, and the applicability of MRF and SM methods was also discussed.
Transport of a scalar quantity, such as chemical concentration or temperature, is important in many engineering applications and environmental flows. Here we report on results obtained from the large eddy simulations of flow and concentration fields inside the tank performed using a spectral multi-domain technique. The computations were driven by specifying the impeller-induced flow at the blade tip radius (Yoon et al.). This study focused on the concentration development at different molecular diffusivities in a stirred tank operated under turbulent conditions. The main objective of the work presented here is to study the large-scale mixing structure at different molecular diffusivities in a stirred tank by using the large eddy simulation. The time sequence of concentration and flow fields shows the flow dependency of the concentration development. The presence of spatial inhomogenieties is detailed by observing the time variation oflocal concentration at different positions.
직경 1 m, 높이 1 m의 교반탱크 내 유체흐름 패턴을 상용 전산유체역학 프로그램의 하나인 CFX를 사용하여 해석함으로써 교반속도, 임펠러 회전날개의 경사각, 방해판의 존재 유무, 탱크바닥 형태가 흐름패턴에 미치는 영향을 알아보았다. 방해판이 없을 경우 탱크 중심에서 와류가 관찰되었으며 교반속도가 증가함에 따라 탱크 중심의 와류 현상이 증가하였으나, 방해판 설치에 의해 와류가 감소하였다. 임펠러 날개의 경사각을 증가시킴으로써 교반탱크 상하로의 유체흐름이 증가하였고 와류도 감소하였다. 탱크바닥을 수평으로 하는 것 보다 둥글게 함으로써 탱크 바닥 구석에서 유체흐름이 원활하게 변화하였다.
식물세포인 Lithospermum erythrorhizon을 교반 반응기와 calcium alghinate에 고정화된 상태로 충전층 반응기에서 n-hexadecane으로 동시 추출하면서 shikonin을 생산하여 각각의 생산성을 비교하였다. 교반 반응기에서 shikonin의 비생산과 부피생산성은 각각 1.5mg shikonin/g cell과 400$\mu g$ shikonin/(L.day)였고 충전층 반응기에서는 가각 2.0mg shikonin/g cell과 2857 $\mu g$ shikonin/(L.day)였으며 이는 각각 교반 반응기에 비하여 1.3, 7.1배 높은 것이다. 충전층 반응기에서 shikonin의 생산성이 높은 것은 calcium alginate 입자에 세포가 고농도고 축적되어 단위 반응기 부피당 세로의 부하 능력이 높고 또한 세포가 서로 접촉하기가 쉽고 고정화 입자내의 환경이 세포가 분화하기에 좋은 조건을 형성하기 때문인 것으로 사료된다.
This paper investigates the production and optimization of $\beta$-galactosidase enzyme using synthetic medium by Kluyveromyces lactis NRRL Y-8279 in stirred tank bioreactor. Response surface methodology was used to investigate the effects of fermentation parameters on $\beta$-galactosidase enzyme production. Maximum specific enzyme activity of 4,622.7 U/g was obtained at the optimum levels of process variables (aeration rate 2.21 vvm, agitation speed 173.4 rpm, initial sugar concentration 33.8 g/L, incubation time 24.0 hr). The optimum temperature and pH of the $\beta$-galactosidase enzyme produced under optimized conditions were $37^{\circ}C$ and pH 7.0, respectively. The enzyme was stable over a pH range of 6.0-7.5 and a temperature range of $25-37^{\circ}C$. The $K_m$ and $V_{max}$ values for O-nitrophenol-$\beta$-D-galactopyranoside (ONPG) were 1.20 mM and $1,000\;{\mu}mol/min{\cdot}mg$ protein, respectively. The response surface methodology was found to be useful in optimizing and determining the interactions among process variables in $\beta$-galactosidase enzyme production. Hence, this study fulfills the lack of using mathematical and statistical techniques in optimizing the $\beta$-galactosidase enzyme production in stirred tank bioreactor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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