格子ボルツマンCFDを使用した産業バイオリアクターの生物ライフラインの分析

生物相が計算粒子（区画）で表されるオイラー - ラグランジュCFDシミュレーションは、微生物の観点からバイオリアクター内の環境勾配に関する情報を提供します。このような情報は、原子炉のスケールダウンとプロセスの最適化に非常に関連しています。主な課題の1つは、特にフローフィールドでのダイナミクスの解像度が必要な場合、CFDシミュレーションの計算強度です。格子ボルツマン大型エディシミュレーション（LB-LES）は、有限のボリュームアプローチと比較して、計算時間が大幅に削減されたときに、攪拌リアクターの正確で動的なフローフィールドをシミュレートするための非常に有望なアプローチを形成します。この作業では、大規模なバイオリアクターの基質勾配の分解におけるLB-LESの性能が調査され、ラグランジアン生物相を含めて微生物の視点を提供します。さらに、シミュレーションの流体力学的性能は、直径29 cmの攪拌タンクのインペラー放電河川における流体力学的特性（放射状速度、乱流運動エネルギー、エネルギー散逸）の検証によって確認されます。結果は、流体力学的観測と生体発生的観測、および時間要件の両方で、以前の有限体積シミュレーション結果と比較されます。

Euler-Lagrange CFD simulations, where the biotic phase is represented by computational particles (parcels), provide information on environmental gradients inside bioreactors from the microbial perspective. Such information is highly relevant for reactor scale-down and process optimization. One of the major challenges is the computational intensity of CFD simulations, especially when resolution of dynamics in the flowfield is required. Lattice-Boltzmann large-eddy simulations (LB-LES) form a very promising approach for simulating accurate, dynamic flowfields in stirred reactors, at strongly reduced computation times compared to finite volume approaches. In this work, the performance of LB-LES in resolving substrate gradients in large-scale bioreactors is explored, combined with the inclusion of a Lagrangian biotic phase to provide the microbial perspective. In addition, the hydrodynamic performance of the simulations is confirmed by verification of hydrodynamic characteristics (radial velocity, turbulent kinetic energy, energy dissipation) in the impeller discharge stream of a 29 cm diameter stirred tank. The results are compared with prior finite volume simulation results, both in terms of hydrodynamic and biokinetic observations, and time requirements.