自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法技术

本发明专利技术涉及一种自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法，包括：第一步、设定模型构建的前提条件；第二步、三维瞬态模型构建；第三步、预测：将反应器参数输入第二步构建的方程和模型中，进行求解，并得出反应器内酵母发酵预测值；所述预测值包括菌体浓度预测值、还原糖含量预测值、及溶氧浓度预测值；第四步、预测结束。本发明专利技术预测方法所得预测结果准确，具有很高的参考价值，可根据预测结果对反应器进行放大改造和结构优化，有助于快速找到最佳放大方案。

【技术实现步骤摘要】
自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法
本专利技术涉及一种自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法。
技术介绍
据申请人所知，反应器是化工、制药、发酵、冶金、环境等工业领域中广泛应用的设备，随着能源危机对工业生产的影响越来越大，节能降耗成为反应器设计必须考虑的问题。自吸式反应器因其高效节能的特性，越来越受到工程技术人员的重视。自吸式反应器结构较复杂，工作原理不同于搅拌及气升式反应器，放大成为自吸式反应器推广应用的重大障碍。酵母是一种在食品、饮料、饲料、医药、能源等行业都有重要用途的真菌，其市场需求量非常大。采用高效节能的自吸式反应器培养酵母，可以以较低的能耗获得同等水平甚至超出传统工艺的酵母生物量，因而对自吸式反应器发酵培养酵母进行放大研究具有重要意义。自吸式反应器的工作原理是通过高速旋转的转子产生离心力从而将周围的液体甩开，由此产生较高的真空负压，将外界的空气吸入反应器内。吸气量决定了反应器的供氧能力，自吸式反应器的吸气量与自吸转子形式和直径、罐体直径、装液高度以及物料性质有关。传统的放大方法是根据单位体积功耗、传质系数等指标进行放大，但往往顾此失彼，难以快速找到最佳放大方案。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法，有助于快速找到最佳放大方案。本专利技术的技术构思如下：将酵母菌体与培养基溶液视作液相，反应器发酵培养酵母过程可视作拟气－液两相体系，以CFD(计算流体力学)模拟技术预测反应器内的流体流动状况，将流体力学和传质及生化反应相耦合已是反应器研究领域中的重大课题，具有很高的学术价值及广阔的应用前景。将CFD模拟应用于反应器的放大是国内外都在进行的学术及工程技术研究，采用CFD模拟从微观的角度揭示反应器内的流动特性，与传质及生化反应过程相耦合能够对反应器内的生化反应特性进行更加细致的了解，为反应器优化设计及放大提供基础数据。基于上述分析，本申请专利技术人从微观流动及反应和宏观状态分析的角度，以自吸式反应器放大发酵培养酵母作为研究对象，对其建立三维瞬态CFD模型，并在验证该模型的准确性后，建立能从实验和数值模拟方面对反应器内的流体流动特性、传质及生化反应特性进行研究的预测方法。该方法可应用于大型反应器放大，预测大型反应器可能出现的问题，进而对大型反应器进行结构优化，达到降低能耗提高产量的目的。本专利技术解决其技术问题的技术方案如下：一种自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法，其特征是，包括以下步骤：第一步、设定模型构建的前提条件：(1)基于Eulerian连续介质模型；(2)以反应器中的气体为气相，以酵母菌体、还原糖及营养盐溶液为液相；(3)在液相中酵母菌体密度分布均一；(4)以还原糖和氧为菌体生长的限制条件；(5)液相中的出色溶氧为饱和值，即25℃下的饱和溶氧值；第二步、三维瞬态模型构建：分别构建流体力学基本控制方程，相间作用力模型，湍流封闭模型，质量输运方程，生化反应器模型；第三步、预测：将反应器参数输入第二步构建的方程和模型中，进行求解，并得出反应器内酵母发酵预测值；所述预测值包括菌体浓度预测值、还原糖含量预测值、及溶氧浓度预测值；第四步、预测结束。本专利技术进一步完善的技术方案如下：优选地，第二步中，流体力学基本控制方程的具体内容如下：对于气-液两相体系，气相的连续性方程为：液相的连续性方程为：其中t为时间，ρ为密度，u为速度，α为相含率，下标g和l分别代表气相和液相；气-液两相中各相的动量传递方程为：其中p为压力，g为重力加速度，μeff为有效粘度，Ml为界面作用力相；▽ug、▽ul分别为气相和液相层流速度散度，(▽ug)T、(▽ul)T分别为气相和液相湍流速度散度，它们与μeff的乘积分别表示气相和液相层流剪切应力、湍流剪切应力；气液两相符合体积守恒方程：αg+αl＝1(5)液相密度ρl为：ρl＝(1-αcell)ρmedium+αcellρcell(6)其中αcell为酵母菌体在液相中的相含率，ρcell为酵母菌体在液相中的密度，ρmedium为还原糖及营养盐溶液的总密度；气相密度ρg为：其中P0为标准大气压，ρg.0为标准大气压下理想气体的密度，H和Z分别为生物反应器内自由液面高度和轴向位置高度。优选地，第二步中，相间作用力模型的具体内容如下：对于气-液两相流体系，相间曳力为：其中Uα为α相的速度，Uβ为β相的速度，γβ为β相局部相含率，d为气泡直径，Re为雷诺准数；升力为：其中ρα为α相密度，CL为无因次升力系数，ωα为旋转液相的角速度；湍流分散力为：其中CTD为湍流耗散系数，取值0.1；kβ为液相的湍流动能，γα为α相局部相含率。优选地，第二步中，湍流封闭模型的具体内容如下：...

【技术保护点】
一种自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法，其特征是，包括以下步骤：第一步、设定模型构建的前提条件：(1)基于Eulerian连续介质模型；(2)以反应器中的气体为气相，以酵母菌体、还原糖及营养盐溶液为液相；(3)在液相中酵母菌体密度分布均一；(4)以还原糖和氧为菌体生长的限制条件；(5)液相中的出色溶氧为饱和值，即25℃下的饱和溶氧值；第二步、三维瞬态模型构建：分别构建流体力学基本控制方程，相间作用力模型，湍流封闭模型，质量输运方程，生化反应器模型；第三步、预测：将反应器参数输入第二步构建的方程和模型中，进行求解，并得出反应器内酵母发酵预测值；所述预测值包括菌体浓度预测值、还原糖含量预测值、及溶氧浓度预测值；第四步、预测结束。

【技术特征摘要】
1.一种自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法，其特征是，包括以下步骤：第一步、设定模型构建的前提条件：(1)基于Eulerian连续介质模型；(2)以反应器中的气体为气相，以酵母菌体、还原糖及营养盐溶液为液相；(3)在液相中酵母菌体密度分布均一；(4)以还原糖和氧为菌体生长的限制条件；(5)液相中的出色溶氧为饱和值，即25℃下的饱和溶氧值；第二步、三维瞬态模型构建：分别构建流体力学基本控制方程，相间作用力模型，湍流封闭模型，质量输运方程，生化反应器模型；第三步、预测：将反应器参数输入第二步构建的方程和模型中，进行求解，并得出反应器内酵母发酵预测值；所述预测值包括菌体浓度预测值、还原糖含量预测值、及溶氧浓度预测值；第四步、预测结束；第二步中，湍流封闭模型的具体内容如下：其中，Cε1RNG＝1.42-fη(17)kα为湍流动能，μα为动力学粘度，εα为湍流耗散率，Cμ为模型无因次系数，ε为耗散率；Uα为α相的速度；ρα为α相密度；γα为α相局部相含率；CμRNG＝0.0845，Cε2RNG＝1.68，σkRNG＝0.7179，σεRNG＝0.7179，η0＝4.38，βRNG＝0.013。2.根据权利要求1所述自吸式反应器放大发酵培养酵母的预测方法，其特征是，第二步中，流体力学基本控制方程的具体内容如下：对于气-液两相体系，气相的连续性方程为：液相的连续性方程为：其中t为时间，ρ为密度，u为速度，α为相含率，下标g和l分别代表气相和液相；气-液两相中各相的动量传递方程为：其中p为压力，g为重力加速度，μeff为有效粘度，Ml为界面作用力相；分别为气相和液相层流速度散度，分别为气相和液相湍流速度散度，它们与μeff的乘积分别表示气相和液相层流剪切应力、湍流剪切应力；气液两相符合体积守恒方程：αg+αl＝1(5)液相密度ρl为：ρl＝(1-αcell)ρmedium+αcellρcell(6)其中αcell为酵母菌体在液相中的相含率，ρcell为酵母菌体在液相中的密度，ρmedium为还原糖及营养盐溶液的总密度；气相密度ρg为：其中P0为标准大气压，ρg.0为标准大气压下理想气体的密度，H和Z分别为生物反应器内自由液面高度和轴向位置高度。3.根据权利要求2所述自吸式反应器放大发酵培养酵母...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪厚胜，蔡子金，李军庆，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：