利用甲烷生物合成可降解材料聚β羟基丁酸酯(PHB)对于缓解由于温室气体(甲烷)引起的全球变暖和白色污染具有重要意义。PHB是高速发展的新型生物可降解高分子材料,通过甲烷氧化菌的高密培养,PHB在细胞中积累。目前阻碍甲烷合成PHB工业化生产的主要瓶颈是甲烷在水中的溶解度低,细胞生长密度低。因此,为最大限度的实现甲烷氧化菌的高密培养,本文利用FLUENT数值模拟方法,观察研究甲烷和水气液两相流在水平管式生物反应器中的流动状况和混合机理,优化设计该生物反应器的各阶段的结构尺寸,为实现工业化生产作理论铺垫。水平管式循环反应器的分段包括混合段、水平段、垂直段和弯管。考虑细胞生存的环境和细胞的脆弱度,采用文丘里混合器和静态混合器相结合的混合结构。本文设计了一种专为甲烷和水混合的文丘里混合器,通过FLUENT数值模拟考察了甲烷速度、水速度、入口角度、细管直径和出口角度五种因素对混合效果的影响。首先考察单因素对文丘里混合器混合效果的影响,总结单因素对混合效果的影响规律。为获得最优混合器结构,再安排正交试验,发现各因素对文丘里混合器混合效果的影响程度顺序依次为:水速度>出口角度>细管直径>甲烷速度>入口角度。采用极差分析法,得出五种因素的最佳组合。采用响应面法和遗传算法,进一步确定最优结构参数和工艺参数。利用FLUENT数值模拟,比较SK型和SX型静态混合器的内部流动,以出口处甲烷体积分数和混合器内湍动性能为参考,选择合适的静态混合器类型和结构参数。水平管段和垂直管段的设计直接影响生物反应器内甲烷氧化菌高密培养的产量,因为水平段的长度和垂直段的高度直接决定生物反应器的体积大小,需要考虑管段长度和高度变化对体积传质系数和湍动性能的影响,所以水平段长度和垂直管段的高度分别以长径比和高径比为参数,模拟水平管段和垂直管段流动,确定管道长度和高度。弯管处管道形状在直角弯管和U形管中选择,对比两种管道水平放置和垂直放置时管道内的流动状况,以含气率和湍动性能为参考,选取合适的管道形状。为该生物反应器的结构尺寸优化设计奠定理论基础。