Computational fluid dynamics simulations of flows in stirred tanks: application to bio-reactors.

I reattori agitati meccanicamente sono apparecchiature comunemente usate in molte applicazioni industriali per le buone performance in termini di miscelazione, per il semplice design e per la facilità di funzionamento. Tuttavia, la modellazione del flusso al loro interno è complicata perché il sistema è dominato dal moto turbolento e dipende fortemente dalle proprietà fisiche del fluido. I metodi della Computational Fluid Dynamics (CFD) rappresentano un valido strumento di indagine per validare modelli più rigorosi per la descrizione dell’idrodinamica del miscelatore. L’obiettivo del lavoro della presente tesi è quello di studiare la formazione di eterogeneità all'interno del sistema durante la produzione di enzimi, mediante fermentazione del fungo filamentoso Trichoderma Reesei, usando il software commerciale Ansys Fluent, identificando l’effetto della reologia complessa e della turbolenza Sono stati simulati due reattori, a singolo e doppio agitatore. Il modello turbolento è stato validato inizialmente simulando acqua e confrontando i risultati con i dati sperimentali raccolti. Il sistema multifase acqua-aria è stato risolto usando un modello turbolento euleriano-euleriano, testando diverse opzioni nella scelta di drag-law, condizioni al contorno e modalità di simulazione con l’obiettivo di trovare il set-up migliore dal punto di vista della stabilità e convergenza della soluzione numerica. Per descrivere il brodo di fermentazione, che ha un comportamento reologico non newtoniano dilatante, si sono simulate soluzioni acquose di idrocolloidi (Carbossimetil Cellulosa e Gomma di Xantan). La viscosità di tali fluidi campione è stata descritta con il modello a legge di potenza, che è stato implementato nel software. Infine, si è indagato sulla distribuzione della concentrazione di substrato all'interno del fermentatore e sulle traiettorie disegnate dai microrganismi durante il loro moto. Lo zucchero è stato simulato mediante l’equazione del trasporto di una grandezza scalare in diffusione nel reattore, alimentata dalla superficie superiore del serbatoio. Le traiettorie dei microorganismi sono state tracciate per mezzo di simulazioni lagrangiane di particelle discrete in moto casuale. Il passaggio attraverso una regione di campionamento ha permesso di fare un’analisi dell’ambiente con cui vengono a contatto. Dai risultati ottenuti è emerso che i modelli turbolenti Realizable k-ε e Standard k-ε descrivono correttamente l’idrodinamica di un reattore miscelato quando il sistema si trova in regime turbolento completamente sviluppato, come per il caso dell’acqua. Se il sistema ha comportamento non newtoniano, con la presenza di ampie aree stagnati, il modello perde la sua accuratezza, pur riuscendo a prevedere il comportamento globale. Nel caso multifase è risultato che Standard k-ε è il modello che più garantisce la stabilità della simulazione. Inoltre, è emersa l’importanza del coefficiente di Brucato, nella drag-law, per ottenere risultati che rispettassero la realtà fisica. Infine, si è mostrato che il metodo del particle tracking può essere molto utile che, se correttamente implementato, a descrivere l’ambiente con cui i microorganismi vengono a contatto, per produrre dati da utilizzare in studi down-scale.