一种优化固态发酵基质装料方式的方法

文档序号:6102673阅读:456来源:国知局
专利名称:一种优化固态发酵基质装料方式的方法
技术领域
本发明专利属于固态发酵工程控制领域,涉及一种基于数值模拟的固态发酵传质传热数值分析系统及一种固态发酵基质物性参数体系,用以计算固态发酵基质装料尺寸, 优化固态发酵基质装料方式。
背景技术
在资源、环境、能源三大危机日益加剧的当今社会,相比较高污染的液态发酵而言,固态发酵本身具有低污染、节能、节水、产物产率高等诸多优势,因而显得更合时宜。但是固态发酵难以实现工业化,在短时间内无法替代液态发酵,而制约固态发酵工业化进程的主要因素就是固态发酵工程实施缺乏有力的数学指导。在不同规模的反应器中,发酵基质的传递过程受系统规模影响最大,进而影响生物细胞的生长速率、代谢产物的生成速率;此外,固态发酵传递过程的研究主要集中在发酵基质内部与其周围空间,两者尺寸比例以及基质的传递效果好坏直接决定了反应器的尺寸和结构布局,因此发酵基质传递过程研究成为工程放大的核心问题。现在广泛用于基质层设计及放大的是经验设计法,通常根据K^P/V、Re等参数相等的原则,一般只能保证个别判据在放大后相等,而不能控制其他因素变化对微生物生长的影响,因此结果可控性差、盲目性强。此外,因次分析法和半理论法也有使用,但是可操作性较差,指导意义不强。实际上,现在公认的较为科学、系统的方法是利用计算流体力学的方法和软件对过程进行数值模拟,该法将微生物反应动力学与周围环境传递条件相结合, 综合多方面因素,理论上更为完善。计算流体力学(CFD)是实现工程流体数值计算的前沿学科,在化工模拟中具有费用少、工作量小,设计周期短、能够获得多种内部流场参数等优点,用以指导过程设计取得了较好的结果。但是将CFD用于固态发酵基质装料结构的设计放大却少有报道,原因在于 一方面,已有报道常假设基质物性在固态发酵过程中不发生改变,忽略微生物生长对基质结构及物性的影响,有违事实;另一方面,现有模型通常都局限于某种反应器系统,通用性较差。因此,需要建立通用性强且科学的数学模型,以此为基础搭建固态发酵基质层数值分析平台,使其成为指导设计固态发酵装料方式的有效工具。固态发酵基质的物理性质是决定基质层传递效果的主要因素。研究表明,颗粒的大小、形状,基质密度、孔隙度、含水量、比热容等物理性质对于基质层的透气、传热、蒸发等质量热量传递过程有最直接影响,因此成为基质层数值分析平台的重要组成部分。但是,之前的报道通常只关注一项或少数几项基质物理性质对于某种传递过程的影响(例如只研究基质孔隙度对其透气性的影响),忽略了各种因素之间的交互影响作用,也忽略了各种传递过程之间的耦合现象,研究结果较为片面,不能反映发酵基质物性对质热耦合传递过程的整体作用,因此,需要建立一组固态发酵基质的标准物性参数体系,与相应的传递过程模型相配合,提高数值分析平台的可操作性和可靠性。然而,实际生产仍然主要依靠经验设计,上述思路和方法尚未见报道。

发明内容
传统固态发酵基质的装料方式和料层尺寸主要依靠经验设计法来确定,具有盲目性强、结果可控性差等弊端。针对上述问题,本发明专利提供一种指导固态发酵基质层优化及放大的方法,具体指建立一种发酵基质传递过程数值分析体系及一种发酵基质物性参数体系,只需要测定发酵基质的基本物理性质和生产菌株的生长动力学等参数,即可通过该分析体系获得固态发酵基质的合适装料尺寸等基本信息。本发明提供一种优化固态发酵基质装料方式的方法,涉及一种基于数值模拟的固态发酵传质传热数值分析系统及一种固态发酵基质物性参数体系。其特征在于包含如下步骤步骤一建立固态发酵基质的传质-传热-生物反应耦合物理模型及数学模型; 步骤二 测定固态发酵基质的物理性质参数,包含基质床高度、比热容、热导率、物料密度、 孔隙度、水活度、热传递系数、物料-空气间的质量传递系数;步骤三测定微生物菌株的生长动力学参数,主要包括生长动力学方程,生物量, 比生长速率;步骤四测定环境操作参数值,主要包括通风速率、所通气体浓度,基质上方及下方空间尺寸;步骤五将上述参数带入步骤一的耦合模型中,使用计算流体力学软件求解,得到气体、温度、生物量在基质床及其周围空间中的分布曲线;步骤六根据步骤五所得基质床及其周围空间内的质量热量分布规律,判断基质床与周围空间尺寸的最优比例。所述固态发酵指微生物在几乎没有游离可流动水的培养基质上的生长过程及生物反应过程,一切符合该定义的生物生产过程都视为固态发酵。固态发酵过程基质床传质-传热-生物反应耦合数学模型如下1)质量守恒液相质量守恒
权利要求
1.一种优化固态发酵基质装料方式的方法,涉及一种基于数值模拟的固态发酵传质传热数值分析系统及一种固态发酵基质物性参数体系。其特征在于包含如下步骤步骤一建立固态发酵基质的传质-传热-生物反应耦合物理模型及数学模型;步骤二 测定固态发酵基质的物理性质参数,包含基质床高度、比热容、热导率、物料密度、孔隙度、水活度、热传递系数、物料-空气间的质量传递系数;步骤三测定微生物菌株的生长动力学参数,主要包括生长动力学方程,生物量,比生长速率;步骤四测定环境操作参数值,主要包括通风速率、所通气体浓度,基质上方及下方空间尺寸;步骤五将上述参数带入步骤一的耦合模型中,使用计算流体力学软件求解,得到气体、温度、生物量在基质床及其周围空间中的分布曲线;步骤六根据步骤五所得基质床及其周围空间内的质量热量分布规律,判断基质床与周围空间尺寸的最优比例。
2.根据权利要求1所述的优化固态发酵基质装料方式的方法,其特征在于,固态发酵指微生物在几乎没有游离可流动水的培养基质上的生长过程及生物反应过程,一切符合该定义的生物生产过程都视为固态发酵。
3.根据权利要求1所述的优化固态发酵基质装料方式的方法,其特征在于固态发酵过程基质床传质-传热-生物反应耦合数学模型如下1)质量守恒液相质量守恒-β^1 =-…舉切-附+ ^ +…气相质量守恒^^ =-(作+ +蒸汽质量守恒^^ = -(/^)7%-at固相质量守恒丢今+ ^)atY5 at2)动量守恒静置固态发酵下气体动量守恒A^,= ^V.Vvg-pgVga,g(T-T')-^(vg-v>)VgatKi强制通风固态发酵下气体动量守恒PA字=/^V-Vvg + PgVgg-VP S (Vg - VOFgatKi3)热量守恒— [(pC)mT] + Cp,iT[vi.V {pVi)]+Cp,gT[vg.V (pVs)] + Vic [vi.V (piT)]+VgcJvg.V (pgT)] = V^(ZVT) dt4)微生物生长动力学模型atX maxμ·χ(τ) = bl · (T-Tmin) · (l-exp(b2 · (T-Tmax)))其中,P表示各相密度,V表示各相体积百分比,ν表示各相移动速度,表示比生长速率,m表示气体蒸发速率,X为菌体生物量,μ表示气体粘度,K为气体扩散速率,Vp为料层上下压差,Cp为定压比热容,λ为基质床比热容,μ max(T)为最大比生长速率,bl和Μ分别表示拟合参数。
4.根据权利要求1所述的优化固态发酵基质装料方式的方法,其特征在于物料-空气间的质量传递系数包括亨利常数,气体在基质颗粒间的扩散系数,气体在生物膜内的扩散系数。
5.根据权利要求1所述的优化固态发酵基质装料方式的方法,其特征在于所述气体为氧气、二氧化碳、氮气等氧化性和还原性气体。
全文摘要
一种优化固态发酵基质装料方式的方法,具体涉及一种固态发酵传质传热数值分析系统及一种固态发酵基质物性参数体系。其特征在于建立固态发酵基质的质量-热量-生物反应耦合模型,结合计算流体力学软件形成固态发酵数值分析体系;测定发酵基质的物性参数、生产菌株的生长动力学参数以及发酵操作参数,通过上述数值分析体系求得基质床及其周围环境中气体、热量、生物量的分布规律,进而判断基质床与其周围环境的较优尺寸及比例范围。该分析体系可用于优化发酵基质的装料方式,为固态发酵生产效率的提高及工程放大提供帮助。
文档编号G01D21/02GK102409075SQ20111023674
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者段颖异, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1