国内外发酵行业常用的通气发酵罐有机械搅拌式、气升式、鼓泡式和自吸式等,其中机械搅拌式通气发酵罐一直占据着主导地位,约占发酵罐总数的70%到80%。目前通风发酵工艺中常采用的机械搅拌装置具有耗能大、初始成本高、氧化效率低等缺点,其中机械搅拌装置所消耗的能耗占发酵全过程的一半左右,并且随着高产菌株的不断投产,当前的机械搅拌装置已经难以满足对更高的溶氧速率以及节能的要求。本文针对传统发酵行业生产成本高、能耗大,生产周期长,菌丝质量差等难以解决的难题,采用课题组自主研发的高效旋流雾化专利技术,运用空塔思想,设计研发了一套能耗低、剪切小、温度自适应调节的高效节能发酵装置,并利用计算流体力学(CFD)软件对原发酵工艺装置和基于旋流雾化的节能发酵装置内流动过程进行了数值模拟研究。本文利用Fluent软件对某26 m~3发酵罐进行了仿真建模计算。采用群体平衡模型(PBM)耦合双流体模型(TFM)求解气泡群聚并、破碎等动力学演变过程,运用滑移网格(SM)法求解含有旋转机械的流场,根据氧溶解过程中涉及到的双膜理论相关知识,通过用户自定义函数(UDF)引入氧气吸收的源项,对原发酵装置和改造后的节能发酵装置进行了数值模拟仿真,对比分析了新旧装置的流场特性、传质特性和能耗问题,并针对改造后的节能发酵装置的安装位置、气液比、雾化器个数提出了优化分析。研究结果表明:(1)采用基于旋流雾化的节能发酵装置在没有机械搅拌器的情况下仍能实现罐内气液两相的旋转混合。(2)原机械搅拌发酵装置对存在着溶氧死区,而基于旋流雾化的节能发酵装置气相分布均匀,且平均气含率和平均容积传质系数更高。(3)原机械搅拌发酵装置的搅拌电机功率消耗较大,采用基于旋流雾化的节能发酵装置能够节省85.5%左右的功耗。(4)应将旋流雾化层尽可能地布置在较低的位置,但出于工艺性原因,安装高度不宜低于0.7 m;(5)提高通气比能达到更好的装置溶氧效果,而当旋流雾化气液比超过1.5:1时,发酵装置内平均气含率和平均容积氧传递系数随旋流雾化气液比增大而提高的趋势越来越小。(6)发酵装置内容积氧传递系数与平均气含率随着旋流雾化器个数先增加后下降,旋流雾化器个数为4时溶氧效果最佳;(7)对于该模拟设置的算例组,安装高度0.7m,旋流雾化气液比2:1,旋流雾化器个数4为最佳设计与运行参数。以上研究方法和结论对于以通气生化反应釜为核心设备的领域,如发酵行业等具有一定的借鉴和指导意义。