專利名稱：一種優化固態發酵基質裝料方式的方法
技術領域：
本發明專利屬于固態發酵工程控制領域，涉及一種基于數值模擬的固態發酵傳質傳熱數值分析系統及一種固態發酵基質物性參數體系，用以計算固態發酵基質裝料尺寸， 優化固態發酵基質裝料方式。
背景技術：
在資源、環境、能源三大危機日益加劇的當今社會，相比較高污染的液態發酵而言，固態發酵本身具有低污染、節能、節水、產物產率高等諸多優勢，因而顯得更合時宜。但是固態發酵難以實現工業化，在短時間內無法替代液態發酵，而制約固態發酵工業化進程的主要因素就是固態發酵工程實施缺乏有力的數學指導。在不同規模的反應器中，發酵基質的傳遞過程受系統規模影響最大，進而影響生物細胞的生長速率、代謝產物的生成速率；此外，固態發酵傳遞過程的研究主要集中在發酵基質內部與其周圍空間，兩者尺寸比例以及基質的傳遞效果好壞直接決定了反應器的尺寸和結構布局，因此發酵基質傳遞過程研究成為工程放大的核心問題。現在廣泛用于基質層設計及放大的是經驗設計法，通常根據K^P/V、Re等參數相等的原則，一般只能保證個別判據在放大后相等，而不能控制其他因素變化對微生物生長的影響，因此結果可控性差、盲目性強。此外，因次分析法和半理論法也有使用，但是可操作性較差，指導意義不強。實際上，現在公認的較為科學、系統的方法是利用計算流體力學的方法和軟件對過程進行數值模擬，該法將微生物反應動力學與周圍環境傳遞條件相結合， 綜合多方面因素，理論上更為完善。計算流體力學(CFD)是實現工程流體數值計算的前沿學科，在化工模擬中具有費用少、工作量小，設計周期短、能夠獲得多種內部流場參數等優點，用以指導過程設計取得了較好的結果。但是將CFD用于固態發酵基質裝料結構的設計放大卻少有報道，原因在于 一方面，已有報道常假設基質物性在固態發酵過程中不發生改變，忽略微生物生長對基質結構及物性的影響，有違事實；另一方面，現有模型通常都局限于某種反應器系統，通用性較差。因此，需要建立通用性強且科學的數學模型，以此為基礎搭建固態發酵基質層數值分析平臺，使其成為指導設計固態發酵裝料方式的有效工具。固態發酵基質的物理性質是決定基質層傳遞效果的主要因素。研究表明，顆粒的大小、形狀，基質密度、孔隙度、含水量、比熱容等物理性質對于基質層的透氣、傳熱、蒸發等質量熱量傳遞過程有最直接影響，因此成為基質層數值分析平臺的重要組成部分。但是，之前的報道通常只關注一項或少數幾項基質物理性質對于某種傳遞過程的影響(例如只研究基質孔隙度對其透氣性的影響)，忽略了各種因素之間的交互影響作用，也忽略了各種傳遞過程之間的耦合現象，研究結果較為片面，不能反映發酵基質物性對質熱耦合傳遞過程的整體作用，因此，需要建立一組固態發酵基質的標準物性參數體系，與相應的傳遞過程模型相配合，提高數值分析平臺的可操作性和可靠性。然而，實際生產仍然主要依靠經驗設計，上述思路和方法尚未見報道。
發明內容
傳統固態發酵基質的裝料方式和料層尺寸主要依靠經驗設計法來確定，具有盲目性強、結果可控性差等弊端。針對上述問題，本發明專利提供一種指導固態發酵基質層優化及放大的方法，具體指建立一種發酵基質傳遞過程數值分析體系及一種發酵基質物性參數體系，只需要測定發酵基質的基本物理性質和生產菌株的生長動力學等參數，即可通過該分析體系獲得固態發酵基質的合適裝料尺寸等基本信息。本發明提供一種優化固態發酵基質裝料方式的方法，涉及一種基于數值模擬的固態發酵傳質傳熱數值分析系統及一種固態發酵基質物性參數體系。其特征在于包含如下步驟步驟一建立固態發酵基質的傳質-傳熱-生物反應耦合物理模型及數學模型； 步驟二 測定固態發酵基質的物理性質參數，包含基質床高度、比熱容、熱導率、物料密度、 孔隙度、水活度、熱傳遞系數、物料-空氣間的質量傳遞系數；步驟三測定微生物菌株的生長動力學參數，主要包括生長動力學方程，生物量， 比生長速率；步驟四測定環境操作參數值，主要包括通風速率、所通氣體濃度，基質上方及下方空間尺寸；步驟五將上述參數帶入步驟一的耦合模型中，使用計算流體力學軟件求解，得到氣體、溫度、生物量在基質床及其周圍空間中的分布曲線；步驟六根據步驟五所得基質床及其周圍空間內的質量熱量分布規律，判斷基質床與周圍空間尺寸的最優比例。所述固態發酵指微生物在幾乎沒有游離可流動水的培養基質上的生長過程及生物反應過程，一切符合該定義的生物生產過程都視為固態發酵。固態發酵過程基質床傳質-傳熱-生物反應耦合數學模型如下1)質量守恒液相質量守恒
權利要求
1.一種優化固態發酵基質裝料方式的方法，涉及一種基于數值模擬的固態發酵傳質傳熱數值分析系統及一種固態發酵基質物性參數體系。其特征在于包含如下步驟步驟一建立固態發酵基質的傳質-傳熱-生物反應耦合物理模型及數學模型；步驟二 測定固態發酵基質的物理性質參數，包含基質床高度、比熱容、熱導率、物料密度、孔隙度、水活度、熱傳遞系數、物料-空氣間的質量傳遞系數；步驟三測定微生物菌株的生長動力學參數，主要包括生長動力學方程，生物量，比生長速率；步驟四測定環境操作參數值，主要包括通風速率、所通氣體濃度，基質上方及下方空間尺寸；步驟五將上述參數帶入步驟一的耦合模型中，使用計算流體力學軟件求解，得到氣體、溫度、生物量在基質床及其周圍空間中的分布曲線；步驟六根據步驟五所得基質床及其周圍空間內的質量熱量分布規律，判斷基質床與周圍空間尺寸的最優比例。
2.根據權利要求1所述的優化固態發酵基質裝料方式的方法，其特征在于，固態發酵指微生物在幾乎沒有游離可流動水的培養基質上的生長過程及生物反應過程，一切符合該定義的生物生產過程都視為固態發酵。
3.根據權利要求1所述的優化固態發酵基質裝料方式的方法，其特征在于固態發酵過程基質床傳質-傳熱-生物反應耦合數學模型如下1)質量守恒液相質量守恒-β^1 =-…舉切-附+ ^ +…氣相質量守恒^^ =-(作+ +蒸汽質量守恒^^ = -(/^)7%-at固相質量守恒丟今+ ^)atY5 at2)動量守恒靜置固態發酵下氣體動量守恒A^，= ^V.Vvg-pgVga,g(T-T')-^(vg-v>)VgatKi強制通風固態發酵下氣體動量守恒PA字=/^V-Vvg + PgVgg-VP S (Vg - VOFgatKi3)熱量守恒— [(pC)mT] + Cp,iT[vi.V {pVi)]+Cp,gT[vg.V (pVs)] + Vic [vi.V (piT)]+VgcJvg.V (pgT)] = V^(ZVT) dt4)微生物生長動力學模型atX maxμ·χ(τ) = bl · (T-Tmin) · (l-exp(b2 · (T-Tmax)))其中，P表示各相密度，V表示各相體積百分比，ν表示各相移動速度，表示比生長速率，m表示氣體蒸發速率，X為菌體生物量，μ表示氣體粘度，K為氣體擴散速率，Vp為料層上下壓差，Cp為定壓比熱容，λ為基質床比熱容，μ max(T)為最大比生長速率，bl和Μ分別表示擬合參數。
4.根據權利要求1所述的優化固態發酵基質裝料方式的方法，其特征在于物料-空氣間的質量傳遞系數包括亨利常數，氣體在基質顆粒間的擴散系數，氣體在生物膜內的擴散系數。
5.根據權利要求1所述的優化固態發酵基質裝料方式的方法，其特征在于所述氣體為氧氣、二氧化碳、氮氣等氧化性和還原性氣體。
全文摘要
一種優化固態發酵基質裝料方式的方法，具體涉及一種固態發酵傳質傳熱數值分析系統及一種固態發酵基質物性參數體系。其特征在于建立固態發酵基質的質量-熱量-生物反應耦合模型，結合計算流體力學軟件形成固態發酵數值分析體系；測定發酵基質的物性參數、生產菌株的生長動力學參數以及發酵操作參數，通過上述數值分析體系求得基質床及其周圍環境中氣體、熱量、生物量的分布規律，進而判斷基質床與其周圍環境的較優尺寸及比例范圍。該分析體系可用于優化發酵基質的裝料方式，為固態發酵生產效率的提高及工程放大提供幫助。
文檔編號G01D21/02GK102409075SQ20111023674
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者段穎異, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所