[논문]발효조 내의 유동특성 최적화 설계

박상규; 김기성; 양희천

발효조 내의 유동특성 최적화 설계
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박상규 (여수대학교 기계공학과) , 김기성 (여수대학교 기계공학과) , 양희천 (여수대학교 기계공학과)

A numerical simulation was conducted to investigate the effect of height position of Rushton type Impeller in the fermentation. The computational method was based on the CFX code. The simulation was performed for 3 height differences(25, 30, 35mm) between Rushton type impeller and bottom of fermentation. The instantaneous flow fields showed that the bulk flow consisted of large scale vortices. However the main flow results showed that the formation of ring vortices above and below the impeller depended on the height of the impeller.

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문제 정의

따라서 본 연구의 궁극적인 목적은 발효조 내에서 압축공기를 이용하여 발효배지를 hexa multi structure로 구성된 matrix를 통하여 액상으로의 산소전달 효율을 높이고자 하는 것이다. 먼저 선행연구로서 압축공기를 이용하고 발효조내의 러시톤형 임펠러 (Rushton type Impeller)의 높이변화에 따른 발효조내의 최적의 유동장을 수치해석을 통하여 구하고, 추후에 유동장과 발효조내의 발효 효과등의 관계를 정립하여 최적의 발효조를 개발하는데 목적이 있다.
따라서 본 연구의 궁극적인 목적은 발효조 내에서 압축공기를 이용하여 발효배지를 hexa multi structure로 구성된 matrix를 통하여 액상으로의 산소전달 효율을 높이고자 하는 것이다. 먼저 선행연구로서 압축공기를 이용하고 발효조내의 러시톤형 임펠러 (Rushton type Impeller)의 높이변화에 따른 발효조내의 최적의 유동장을 수치해석을 통하여 구하고, 추후에 유동장과 발효조내의 발효 효과등의 관계를 정립하여 최적의 발효조를 개발하는데 목적이 있다.

제안 방법

발효조의 바닥면에서 임펠러의 높이(H)는 25, 30, 35mm로 3가지로 변화시켜 유동장을 분석하였다. 발효조내의 물질은 다양하고 배양조건에 따라 점성이 다르기 때문에 본 연구에서는 물을 사용하였으며, 임펠러의 회전수는 450rpm으로 고정하였다.
임펠러의 외경은 φ76mm 이다. 발효조의 바닥면에서 임펠러의 높이(H)는 25, 30, 35mm로 3가지로 변화시켜 유동장을 분석하였다. 발효조내의 물질은 다양하고 배양조건에 따라 점성이 다르기 때문에 본 연구에서는 물을 사용하였으며, 임펠러의 회전수는 450rpm으로 고정하였다.

대상 데이터

le 발효조의 시스템을 나타낸다. 스파 저튜브(sparger tube), 임펠러(impeller), 워터 자켓(water jacket)과 베플(baffle) 등으로 이루어졌다. 산소공급을 위해 스파저튜브 (sparger tube)를 통하여 압축된 공기를 불어 넣게 되면 임펠러에 의해 기포가 미세하게 나뉘어 지게 된다.
발효조의 높이는 235mm, 내경은 <p 170mm이며, 230 ×14mm 크기의 옾셑베플 (offsetbaffle)은 벽면에서 8mm 떨어진 곳에 고정되게 설치하였다. 임펠러의 외경은 φ76mm 이다. 발효조의 바닥면에서 임펠러의 높이(H)는 25, 30, 35mm로 3가지로 변화시켜 유동장을 분석하였다.

이론/모형

2는 본 연구에서 최적의 5C 용량 발효 조 개발을 위해 사용한 수치해석의 계산영역이다. 수치해석을 위해 상용 CFX-4 코드를 사용하였다. 베플의 수는 3개이며 러 시톤형 임펠러의 수는 방사상으로 6개로 이루어 졌다.

성능/효과

1. 임펠러의 높이가 낮은 경우에는 임펠러 상부에 전체 유동장을 지배하는 커다란 재순환 영역과 임펠러 하단에 매우 작은 재순환영역 이 나타나는 반면에, 임펠러 높이가 증가하면 임펠러 높이를 기준으로 서로 다른 2개의 재 순환영역이 나타나는 것을 알 수 있다.
2. 속도장 및 속도구배가 크게 나타나는 2개의 재순환유동이 상호간섭하는 영역에서 난류 운동에너지분포가 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

후속연구

3. 발효조내의 공기스파저로 분사되는 기포가 물의 저항을 최소화 할 수 있는 시스템을 개발함으로서 환경분야의 각종 폐수처리조의 효율증대와 어패류 양식사업장 등에서의 응용분야에서도 적용이 가능한 발효조의 최적설계가 가능할 것으로 사료된다.

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