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Amaury Danican、Jean-Pierre Fontaine、Christophe Vial、
1）UniversiteClermontAuvergne、フランス
１．はじめに
「好気性発酵」とは、空気(酸素)のある状態で活動する微生物の働きで、ふん尿中の有機物を分解するとともに、悪臭を軽減し取り扱いを容易にします。古くから行われている堆肥づくりはこの好気性発酵を利用したものです。また、「嫌気性発酵」は、空気(酸素)に触れない状態で活動する微生物の働きで有機物を分解する方法です。発酵によりメタンガスが発生するため、メタン発酵とも言われています。
それらの発酵プロセスは、“発酵槽”とも呼ばれる攪拌式バイオリアクター内の微生物のおかげで有機基質を分解し、バイオ水素やその他の商業的に重要な分子を生成します。 これはよく知られたプロセスですが、最適化する必要があります。 最適なプロセスには、インペラーによるエネルギー消費を制限しながら、反応環境の良好な均一性が必要です。 したがって、バイオリアクターの最適な操作条件と混合物への影響を選択するには、発酵槽内の流体力学と付随する物質移動を理解する必要があります。
２．目的
この作業の主な目的は、PHOENICSRを使用して3次元CFDモデルを開発し、関連するすべての物理現象を含む反応器内の液体の挙動を表現することです。 これらのパラメーターはプロセスへの影響を分析するために実際の発酵槽で得られた実験結果と比較され、バイオ水素生産の最適化につながります。
３．最適計算手法の決定
最初のステップは、定常状態のニュートン流体の単相流をシミュレートすることでした。 セルの数、乱流モデルおよび離散化スキームをテストしました。 結果を2D-PIV（粒子画像速度測定）の実験測定値と比較して、最適なパラメーターを選択し、モデルの信頼性を確認しました。その結果 144 x 63 x 74セルのメッシュ分割、Kao-Launder乱流モデルおよびVLAN1差分スキーム等が選ばれました。
インペラーにかかる力のモーメントから計算された消費電力も、文献データと比較しました。 その後、第2ステップとして非ニュートン流体で計算し、せん断減粘流体のレオロジー挙動を記述するクロスモデルは、計算で得られるせん断速度から各メッシュ粘度を計算するための式として入力しました。
図１：「暗発酵」用のバイオリアクター内の速度（a）および乱流エネルギー散逸率 ε（ｂ）
４．計算結果
CFDの結果により、さまざまな混合条件での流れの構造にアクセスできました（図1a）。さらに、局所的な乱流エネルギー散逸率（ε）を使用して、乱流による微生物の高ストレス領域を抽出することができました（図1b）。この値により、最小の乱流渦のサイズを表すコルモゴロフ長さスケールの計算が可能になります。これらの渦は、バイオリアクター内で成長している微生物の凝集体を破壊し、バイオ水素を生成する反応を阻害します[3]。回転速度、粘度、またはインペラーとリアクターの設計からでさえ、微生物の水力学的応力をチェックすることが可能になり、プロセスを最適化するためのパラメーターを選択できるようになりました。
次のステップでは、PHOENICSRのIPSA機能を使用して2相流をシミュレートし、ガスの流れ構造と気液移動による影響を調べます。
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