《Powder Technology》：Numerical simulation and experimental validation of a dual-cyclone classifier for the selective purification of fungal spores
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双旋流分类器通过优化方形通道宽度（20mm）和圆锥通道直径（24.5mm）实现真菌孢子高效收集，数值模拟与实验均显示93.1%以上的分离效率。
陈春|叶苏丹|袁少平|董志超|杨连阳|叶旭东|张可
中国吉利大学，生命科学学院，工程培训中心，杭州310018，中国
摘要
采集真菌孢子时常常会产生含有菌丝碎片的粉末，因此需要高效的后期纯化处理。为了解决这一挑战，本研究开发了一种新型双旋风分离器，该分离器能够同时实现孢子的收集和空气动力学纯化。通过欧拉-欧拉框架结合RNG k-ε湍流模型对复杂的流动动力学进行了模拟，并通过实验数据进行了验证。参数研究重点关注了级间耦合通道——具体来说是方形柱体宽度（L）和圆锥形通道直径（B）——以确定它们对涡流稳定性和颗粒轨迹的影响。分析表明，这些参数对于选择性分离至关重要：增加L可以延长涡流长度从而增强离心力，而优化的B可以维持必要的旋流强度。最佳配置（L = 20 mm，B = 24.5 mm）在26.3 m/s的流速下对5 μm颗粒的收集效率达到了91.4%。随后使用罗伯茨拟菌素（Metarhizium robertsii）和贝氏木霉（Beauveria bassiana）进行的实验测试显示，收集效率分别达到了90.1%和93.1%。这些发现为设计高效生物分离的“智能”旋风分离器提供了理论基础。
引言
旋风分离器是一种关键的单元操作，用于从气流中分离和回收固体颗粒，在水泥、制药和冶金等行业中得到广泛应用[6] [15]。虽然双旋风配置利用离心惯性高效分离颗粒[19]，但将其从惰性矿物加工领域应用于生物系统会引入不同的空气动力学和生存性限制，因此需要专门的设计[21]。
真菌孢子是生物农药中的关键活性成分，因为它们在生物控制方面具有强大的应用潜力[11] [28]。然而，其回收是一个巨大的工程挑战：孢子的尺寸非常微小（<10 μm），使用标准惯性分离器很难捕获。从固体基质中提取孢子时，孢子会与纤维状菌丝混合，这严重增加了获得高纯度分离物的难度。
我们团队之前开发了一种基于双旋风原理的孢子分离装置（CC模型）[27]。该装置基于选择性原理工作：通过调整流场，将目标孢子保留在主分离筒内，而较轻或形态不规则的菌丝则通过耦合通道被带入次级筒中。尽管关于标准旋风分离器的文献很多，但针对低密度生物材料优化的双旋风内部流动动力学的数据却很少[7] [15]。随着对自动化杀菌剂生产需求的增加，直接采用标准除尘器设计已不足以满足高纯度生物分离的要求。
优化此类系统面临复杂的空气动力学挑战。由于内部流场复杂，阐明入口流量与分离效率之间的耦合关系仍然很困难[4] [32]。虽然对方形旋风[10]或标准收集器[5] [30]进行了几何修改，但这些调整在应用于生物颗粒的特定空气动力学行为时往往效果有限[12]。因此，进行全面的参数研究对于定制适合生物分离的旋风几何形状至关重要。
然而，对于生物应用而言，纯度与效率同样重要。从菌丝中分离孢子通常需要后续的筛分步骤，这既低效又可能造成损伤。目前缺乏能够根据生物颗粒的物理特性（如形状因子和阻力）进行区分的“智能”旋风分离器的研究。本研究提出了一种双旋风配置，其中级间方形（L）和圆锥形（B）通道作为空气动力学分离器，选择性地将菌丝碎片去除到次级阶段，同时最大化主阶段对孢子的保留。
实验设计和工作流程
本研究采用了一种系统化的方法，将计算优化与实验验证相结合。研究流程如下：（1）操作特性分析：根据原型风扇的空气动力学性能确定入口流量边界条件。（2）几何参数化：通过基于约束的设计方法定义方形（L）和圆锥形（B）通道的设计空间。（3）数值框架：
操作气流参数的确定
通过反复测量出口管道处的流速，建立了风扇系统的特性性能曲线（图5）。非线性回归分析得出的速度剖面呈S形，其表达式为：V = 132.5/(1 + EXP(2.58–0.12H))，其中V表示流速（m/s），H表示频率设置（Hz）。回归模型的拟合度很高（r2 = 0.99；F?,14 = 659.87），为定义边界条件提供了可靠的基础。
模型验证和空气动力学性能
本研究的核心目标是优化微观真菌孢子的回收效率，这是制备生物控制剂的关键步骤[24] [29]。数值优化表明，模型4（L = 20 mm，B = 24.5 mm）是最佳配置，预测的收集效率为91.4%。实验验证结果也证实了这一预测，罗伯茨拟菌素的收集效率为90.07%，贝氏木霉的收集效率为93.1%。数值结果与实验结果之间存在很强的相关性。
结论
本研究成功开发并优化了一种用于真菌生物控制剂的双旋风分离器。主要发现如下：首先，最佳几何配置为方形通道宽度20 mm和圆锥形通道直径24.5 mm。其次，优化后的装置实验收集效率超过90%，与欧拉-欧拉CFD预测结果非常吻合。第三，该分离器能够产生高浓度的孢子粉末。
CRediT作者贡献声明
陈春：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。叶苏丹：数据可视化、数据管理。袁少平：方法论研究、实验设计。董志超：软件开发、方法论研究。杨连阳：验证工作、资源协调。叶旭东：方法论研究、数据管理。张可：初稿撰写、方法论研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢全国供销合作社科技创新项目（GXKJ-2024-056）、国家自然科学基金（31461143030）、浙江省自然科学基金（21SBYB08）以及全国大学生创新创业培训计划（202510356009）对本项目的支持。
