本發(fā)明涉及一種自吸式反應(yīng)器放大發(fā)酵培養(yǎng)酵母的預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：
據(jù)申請(qǐng)人所知，反應(yīng)器是化工、制藥、發(fā)酵、冶金、環(huán)境等工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的設(shè)備，隨著能源危機(jī)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響越來(lái)越大，節(jié)能降耗成為反應(yīng)器設(shè)計(jì)必須考慮的問題。自吸式反應(yīng)器因其高效節(jié)能的特性，越來(lái)越受到工程技術(shù)人員的重視。自吸式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工作原理不同于攪拌及氣升式反應(yīng)器，放大成為自吸式反應(yīng)器推廣應(yīng)用的重大障礙。酵母是一種在食品、飲料、飼料、醫(yī)藥、能源等行業(yè)都有重要用途的真菌，其市場(chǎng)需求量非常大。采用高效節(jié)能的自吸式反應(yīng)器培養(yǎng)酵母，可以以較低的能耗獲得同等水平甚至超出傳統(tǒng)工藝的酵母生物量，因而對(duì)自吸式反應(yīng)器發(fā)酵培養(yǎng)酵母進(jìn)行放大研究具有重要意義。自吸式反應(yīng)器的工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生離心力從而將周圍的液體甩開，由此產(chǎn)生較高的真空負(fù)壓，將外界的空氣吸入反應(yīng)器內(nèi)。吸氣量決定了反應(yīng)器的供氧能力，自吸式反應(yīng)器的吸氣量與自吸轉(zhuǎn)子形式和直徑、罐體直徑、裝液高度以及物料性質(zhì)有關(guān)。傳統(tǒng)的放大方法是根據(jù)單位體積功耗、傳質(zhì)系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行放大，但往往顧此失彼，難以快速找到最佳放大方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種自吸式反應(yīng)器放大發(fā)酵培養(yǎng)酵母的預(yù)測(cè)方法，有助于快速找到最佳放大方案。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思如下：將酵母菌體與培養(yǎng)基溶液視作液相，反應(yīng)器發(fā)酵培養(yǎng)酵母過程可視作擬氣－液兩相體系，以CFD(計(jì)算流體力學(xué))模擬技術(shù)預(yù)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)狀況，將流體力學(xué)和傳質(zhì)及生化反應(yīng)相耦合已是反應(yīng)器研究領(lǐng)域中的重大課題，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景。將CFD模擬應(yīng)用于反應(yīng)器的放大是國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行的學(xué)術(shù)及工程技術(shù)研究，采用CFD模擬從微觀的角度揭示反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)特性，與傳質(zhì)及生化反應(yīng)過程相耦合能夠?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)的生化反應(yīng)特性進(jìn)行更加細(xì)致的了解，為反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)及放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；谏鲜龇治?，本申請(qǐng)發(fā)明人從微觀流動(dòng)及反應(yīng)和宏觀狀態(tài)分析的角度，以自吸式反應(yīng)器放大發(fā)酵培養(yǎng)酵母作為研究對(duì)象，對(duì)其建立三維瞬態(tài)CFD模型，并在驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性后，建立能從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)特性、傳質(zhì)及生化反應(yīng)特性進(jìn)行研究的預(yù)測(cè)方法。該方法可應(yīng)用于大型反應(yīng)器放大，預(yù)測(cè)大型反應(yīng)器可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而對(duì)大型反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到降低能耗提高產(chǎn)量的目的。本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種自吸式反應(yīng)器放大發(fā)酵培養(yǎng)酵母的預(yù)測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟：第一步、設(shè)定模型構(gòu)建的前提條件：(1)基于Eulerian連續(xù)介質(zhì)模型；(2)以反應(yīng)器中的氣體為氣相，以酵母菌體、還原糖及營(yíng)養(yǎng)鹽溶液為液相；(3)在液相中酵母菌體密度分布均一；(4)以還原糖和氧為菌體生長(zhǎng)的限制條件；(5)液相中的出色溶氧為飽和值，即25℃下的飽和溶氧值；第二步、三維瞬態(tài)模型構(gòu)建：分別構(gòu)建流體力學(xué)基本控制方程，相間作用力模型，湍流封閉模型，質(zhì)量輸運(yùn)方程，生化反應(yīng)器模型；第三步、預(yù)測(cè)：將反應(yīng)器參數(shù)輸入第二步構(gòu)建的方程和模型中，進(jìn)行求解，并得出反應(yīng)器內(nèi)酵母發(fā)酵預(yù)測(cè)值；所述預(yù)測(cè)值包括菌體濃度預(yù)測(cè)值、還原糖含量預(yù)測(cè)值、及溶氧濃度預(yù)測(cè)值；第四步、預(yù)測(cè)結(jié)束。本發(fā)明進(jìn)一步完善的技術(shù)方案如下：優(yōu)選地，第二步中，流體力學(xué)基本控制方程的具體內(nèi)容如下：對(duì)于氣-液兩相體系，氣相的連續(xù)性方程為：液相的連續(xù)性方程為：其中t為時(shí)間，ρ為密度，u為速度，α為相含率，下標(biāo)g和l分別代表氣相和液相；氣-液兩相中各相的動(dòng)量傳遞方程為：其中p為壓力，g為重力加速度，μeff為有效粘度，Ml為界面作用力相；▽ug、▽ul分別為氣相和液相層流速度散度，(▽ug)T、(▽ul)T分別為氣相和液相湍流速度散度，它們與μeff的乘積分別表示氣相和液相層流剪切應(yīng)力、湍流剪切應(yīng)力；氣液兩相符合體積守恒方程：αg+αl＝1(5)液相密度ρl為：ρl＝(1-αcell)ρmedium+αcellρcell(6)其中αcell為酵母菌體在液相中的相含率，ρcell為酵母菌體在液相中的密度，ρmedium為還原糖及營(yíng)養(yǎng)鹽溶液的總密度；氣相密度ρg為：其中P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，ρg.0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下理想氣體的密度，H和Z分別為生物反應(yīng)器內(nèi)自由液面高度和軸向位置高度。優(yōu)選地，第二步中，相間作用力模型的具體內(nèi)容如下：對(duì)于氣-液兩相流體系，相間曳力為：其中Uα為α相的速度，Uβ為β相的速度，γβ為β相局部相含率，d為氣泡直徑，Re為雷諾準(zhǔn)數(shù)；升力為：其中ρα為α相密度，CL為無(wú)因次升力系數(shù)，ωα為旋轉(zhuǎn)液相的角速度；湍流分散力為：其中CTD為湍流耗散系數(shù)，取值0.1；kβ為液相的湍流動(dòng)能，γα為α相局部相含率。優(yōu)選地，第二步中，湍流封閉模型的具體內(nèi)容如下：其中，Cε1RNG＝1.42-fη(17)Pkα＝rαμtα▽Uα·(▽Uα+(▽Uα)T)(20)kα為湍流動(dòng)能，μα為動(dòng)力學(xué)粘度，εα為湍流耗散率，Cμ為模型無(wú)因次系數(shù)，ε為耗散率；CμRNG＝0.0845，Cε2RNG＝1.68，σkRNG＝0.7179，σεRNG＝0.7179，η0＝4.38，βRNG＝0.013。優(yōu)選地，第二步中，質(zhì)量輸運(yùn)方程的具體內(nèi)容如下：其中αg，αl，μg，μl，μeff，ρg，ρl，ug，ul分別為氣相或液相的相含率、粘度、有效粘度、密度和速度；g是重力加速度；Yo,g是氧在氣相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Yo,l是氧在液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Y*oj是氧相對(duì)于氣相分壓的液相飽和質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Do,g是氧在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)；Do,l是氧在液相中的擴(kuò)散系數(shù)；Yx,l是酵母菌體在液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ys,l是還原糖在液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；So，Sx，Ss分別是氧、酵母菌體、還原糖基于生化反應(yīng)的消耗或生成源相，且有：So＝αsro(26)Sx＝αsrx(27)Ss＝αsrs(28)αs為液相中糖含率，ro為液相中氧的消耗速率，rx為液相中菌體的生長(zhǎng)速率，rs為液相中糖的消耗速率；氣液相間傳質(zhì)系數(shù)kl：其中a為比表面積；Ф為局部氣含率；dB為氣泡直徑；DL為相在液相中的擴(kuò)散系數(shù)。優(yōu)選地，第二步中，生化反應(yīng)器模型的具體內(nèi)容如下：酵母生長(zhǎng)速率為：其中μmax＝0.619g/L，KS＝4.272g/L，KO＝0.006g/L；糖消耗速率為：其中得率系數(shù)YXS＝0.414；氧消耗速率為：rO＝2.955rx(32)Cx為液相中菌體濃度，Cs為液相中糖濃度，μx為菌體比生長(zhǎng)速率，μs為糖比消耗速率。優(yōu)選地，第二步還包括：設(shè)置反應(yīng)器氣相入口邊界條件為：(1)氣含率為1，無(wú)液體存在；(2)氣相速度垂直進(jìn)氣管平面，進(jìn)氣速率按下式計(jì)算：其中Q為吸氣速率，N為轉(zhuǎn)速，D為轉(zhuǎn)子直徑，h為液位高度，葉輪攪拌的弗勞德準(zhǔn)數(shù)Fr＝D2N2/(gh)；(3)液相在入口處無(wú)速度；(4)氣相的組分為氮?dú)夂脱鯕?，氮?dú)夂脱鯕獾馁|(zhì)量比為0.79:0.21，氣泡直徑均為3mm；(5)攪拌軸、轉(zhuǎn)子及反應(yīng)器內(nèi)壁、擋板均設(shè)置為固體壁面條件，對(duì)液相采用無(wú)滑移邊界條件，氣相采用自由滑移邊界條件。優(yōu)選地，第二步還包括：設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)初始條件為：(1)液相含率為1，無(wú)氣體存在，即αg＝0，αl＝1；(2)液相在反應(yīng)器內(nèi)靜止初始速度為0；(3)液相組分為水、氧和游離的酵母菌絲體，初始氧濃度和初始菌體濃度均采用初始時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)測(cè)定值。本發(fā)明預(yù)測(cè)方法所得預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，具有很高的參考價(jià)值，可根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行放大改造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有助于快速找到最佳放大方案。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式所用自吸式反應(yīng)器的罐體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式所用自吸式反應(yīng)器的自吸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式所用發(fā)酵培養(yǎng)酵母裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1：空氣流量計(jì)，2：空氣過濾器，3：自吸式反應(yīng)器罐體，3－1：冷卻水出口，3－2：排污口，3－3：自吸轉(zhuǎn)子，3－4：冷卻水出口，4：自控系統(tǒng)柜，4－1：pH控制線路，4－2：溫度控制線路，4－3：溶氧信號(hào)線路。圖4至圖7為本發(fā)明具體實(shí)施方式驗(yàn)證模型中的菌體濃度驗(yàn)證結(jié)果，采用的轉(zhuǎn)速分別為600、800、1000、1200r/min。圖8至圖11為本發(fā)明具體實(shí)施方式驗(yàn)證模型中的還原糖濃度驗(yàn)證結(jié)果，采用的轉(zhuǎn)速分別為600、800、1000、1200r/min。圖12至圖15為本發(fā)明具體實(shí)施方式驗(yàn)證模型中的溶氧濃度驗(yàn)證結(jié)果，采用的轉(zhuǎn)速分別為600、800、1000、1200r/min。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。但是本發(fā)明不限于所給出的例子。以下內(nèi)容中涉及的實(shí)驗(yàn)材料和試劑，如未特別說(shuō)明則為市售品。采用如發(fā)明內(nèi)容所述的預(yù)測(cè)方法，并應(yīng)用于50L自吸式反應(yīng)器進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)定發(fā)酵產(chǎn)生的菌體濃度、還原糖濃度及溶氧濃度變化，將實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比驗(yàn)證模型。具體裝置結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示，包括50L自吸式反應(yīng)器罐體3、自吸轉(zhuǎn)子3－3、空氣過濾器2、空氣流量計(jì)1、電機(jī)；罐體3為圓柱型不銹鋼罐，中間帶有作為吸氣通道的中空軸，底部裝有12個(gè)流道的氣體分布器，葉輪為六棱型轉(zhuǎn)子。50L自吸式反應(yīng)器的參數(shù)如下表所示：采用CFX多重網(wǎng)絡(luò)技術(shù)求解上述發(fā)明內(nèi)容所述的三維瞬態(tài)模型，分別針對(duì)自吸式反應(yīng)器600r/min，800r/min，1000r/min，1200r/min條件下的菌體生長(zhǎng)情況進(jìn)行求解。具體計(jì)算工作由NEXXUS4080AL高性能Cluster集群機(jī)系統(tǒng)(4個(gè)節(jié)點(diǎn)，16個(gè)并發(fā)線程，1491.2億次/秒)中完成。具體驗(yàn)證過程如下：1.材料和設(shè)備1.1.試驗(yàn)菌株試驗(yàn)菌株采用安琪釀酒高活性干酵母(湖北安琪酵母股份有限公司，主發(fā)酵溫度35℃－38℃)。1.2.試驗(yàn)中主要培養(yǎng)基(1)斜面培養(yǎng)基麥芽汁(由麥芽粉碎糖化制得，糖度12BriX)150mL，瓊脂2％，pH6.4，0.1MPa滅菌15分鐘。(2)種子搖瓶培養(yǎng)基(YEPD，g/L)酵母膏2％，蛋白胨1％，葡萄糖2％，pH6.0，121℃滅菌20min。(3)發(fā)酵培養(yǎng)基酸化稀釋處理后糖蜜(含糖22.5％)，葡萄糖3％，磷酸二氫銨0.12％，尿素0.35％，硫酸鎂0.05％，硫酸鋅0.02％，泛酸鈣0.16g，維生素B11.5g，生物素0.15g。除了酵母生長(zhǎng)必須的碳氮源和磷源外，微量元素和維生素也是酵母生長(zhǎng)過程中必不可少的元素。對(duì)于酵母生長(zhǎng)過程影響較大的的微量元素有Mg、Zn、Cu等；酵母生長(zhǎng)還需要多種維生素，主要有生物素、泛酸、肌醇和硫酸銨(VB1)。廣泛研究表明，糖蜜培養(yǎng)基能提供幾乎所有的微量元素，糖蜜培養(yǎng)基中缺乏的維生素主要是生物素，而泛酸和肌醇的含量是足夠的，因此本發(fā)明向糖蜜培養(yǎng)基中額外添加適量微量元素(Mg、Zn、Cu)，及適量添加生物素和硫酸銨以提高酵母的增長(zhǎng)能力。1.3.試驗(yàn)中主要溶液標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液：準(zhǔn)確稱取40mg葡萄糖(在105℃烘干至恒重)于1000mL的容量瓶中加水定容至刻度。DNS溶液：稱取18.2g酒石酸鉀納溶于500mL蒸餾水，加熱，趁熱加入6.3gDNS(3，5二硝基水楊酸)和262mL，2mol/L的NaOH溶液，溶解后，加入0.5g苯酚和5.0g無(wú)水亞硫酸鈉，再用蒸餾水定容至100mL，即得到所需的DNS溶液。該溶液使用棕色試劑瓶避光保存。1.4.試驗(yàn)中主要試劑試驗(yàn)中所用主要試劑的規(guī)格及生產(chǎn)廠家如下表所示：1.5.試驗(yàn)中主要儀器實(shí)驗(yàn)研究的核心設(shè)備是南京匯科生物設(shè)備有限公司自主開發(fā)的50L自吸式反應(yīng)器，該反應(yīng)器配備了國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的發(fā)酵自控系統(tǒng)、通過計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度、pH在線監(jiān)測(cè)，通過變頻電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，補(bǔ)料、出料和補(bǔ)加消泡劑靠蠕動(dòng)泵自動(dòng)控制，配有蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、空氣除菌系統(tǒng)，該系統(tǒng)還配備有高效通風(fēng)裝置，確保酵母高發(fā)酵對(duì)氧的需求。主要儀器、設(shè)備型號(hào)及生產(chǎn)廠家如下表所示：2.實(shí)驗(yàn)方法2.1.斜面菌種保藏菌株接入斜面培養(yǎng)基上，30℃培養(yǎng)48h，4℃冰箱保藏。2.2.搖瓶種子培養(yǎng)將1環(huán)菌苔接種于50mL一級(jí)種子培養(yǎng)基中，于30℃、200r/min培養(yǎng)24h。再以10％接種量接種至250mL二級(jí)種子培養(yǎng)基中，相同條件下培養(yǎng)24h，得到種子液。2.3.反應(yīng)器分批發(fā)酵50L自吸式反應(yīng)器裝液(即發(fā)酵培養(yǎng)基)30L，培養(yǎng)基經(jīng)高溫滅菌(實(shí)罐滅菌，用蒸汽把培養(yǎng)基升溫到121℃，保溫20min)，接種量4％，溫度30℃，pH5.0。初始糖濃度60g/L，提供良好的氧環(huán)境使釀酒酵母進(jìn)入有氧代謝，保持較快的比生長(zhǎng)速率，使反應(yīng)器性能保持最佳狀態(tài)，得到較高的酵母產(chǎn)量。在600、800、1000、1200r/min四個(gè)轉(zhuǎn)速水平(對(duì)應(yīng)吸氣速率分別為0.23、0.46、0.61、0.84m3/h)，分別進(jìn)行自吸式反應(yīng)器的酵母發(fā)酵培養(yǎng)。每0.5小時(shí)取樣1次，測(cè)定并記錄該時(shí)間點(diǎn)的酵母菌體濃度、還原糖含量、溶氧濃度等參數(shù)變化。酵母菌體濃度采用濕重法和分光光度計(jì)法相結(jié)合，采用DNS法測(cè)定還原糖含量，采用梅特勒溶氧電極測(cè)定溶氧濃度。發(fā)酵過程產(chǎn)生大量泡沫，可加入適量的消泡劑進(jìn)行消泡。酵母培養(yǎng)時(shí)間為14－18h。3.結(jié)果分析與討論如圖4至圖7所示，對(duì)比600r/min，800r/min，1000r/min，1200r/min時(shí)分批發(fā)酵的菌體濃度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值，由此可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的總體趨勢(shì)相同，但是預(yù)測(cè)值較實(shí)驗(yàn)值要大，兩者偏差在3％－7％之間。經(jīng)分析推斷，這是由于在實(shí)驗(yàn)過程中，菌體的取樣位置在反應(yīng)器底部，因此測(cè)定值只是一個(gè)局部的值，與實(shí)際值之間存在一定誤差；而預(yù)測(cè)假設(shè)初始濃度場(chǎng)是均勻的，并且預(yù)測(cè)過程菌體的生長(zhǎng)嚴(yán)格遵守設(shè)定的生化反應(yīng)器模型來(lái)運(yùn)算，并以μmax為恒定值。如圖8至圖11所示，對(duì)比600r/min，800r/min，1000r/min，1200r/min時(shí)分批發(fā)酵的還原糖濃度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值，由此可知，還原糖濃度預(yù)測(cè)值較實(shí)驗(yàn)值要小，總體誤差在5％－9％之間。經(jīng)分析推斷，在發(fā)酵過程中，糖的消耗是隨著菌體的增長(zhǎng)而減少的，由于菌體生長(zhǎng)的速度較實(shí)驗(yàn)值大，糖的消耗速率也較實(shí)驗(yàn)值大，因此預(yù)測(cè)值總體比實(shí)驗(yàn)值小，但總體趨勢(shì)是一致的。如圖12至圖15所示，對(duì)比600r/min，800r/min，1000r/min，1200r/min時(shí)分批發(fā)酵的溶氧濃度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值，由此可知，溶解氧濃度預(yù)測(cè)值較實(shí)驗(yàn)值要小，總體誤差在8％－12％之間。經(jīng)分析推斷，在發(fā)酵過程中，溶解氧的消耗是隨著菌體的增長(zhǎng)而減少的，由于菌體生長(zhǎng)的速度較實(shí)驗(yàn)值大，因此溶解氧的消耗速率也較實(shí)驗(yàn)值大，因此預(yù)測(cè)值總體比實(shí)驗(yàn)值小，但是變化趨勢(shì)是一致的，數(shù)值也較為接近。經(jīng)進(jìn)一步分析，造成溶氧濃度實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差的主要原因?yàn)椋翰僮鳁l件及常量參數(shù)的設(shè)置，第二原因?yàn)椋罕景l(fā)明采用的相間傳質(zhì)模型為經(jīng)典雙膜理論模型，雖然該模型是經(jīng)驗(yàn)證的目前CFX模型中應(yīng)用良好的方程，但是該模型是一個(gè)理想模型，其中假定相界面處氣液兩相呈平衡狀態(tài)，相間傳質(zhì)的阻力主要存在與氣液相際界面形成的兩層膜中，而在本發(fā)明研究中，反應(yīng)器內(nèi)存在高度湍動(dòng)的兩相流體間的傳質(zhì)，因此采用經(jīng)典雙膜理論模型會(huì)使本發(fā)明的溶氧濃度預(yù)測(cè)存在一定偏差。但是，從工程角度出發(fā)，本發(fā)明預(yù)測(cè)方法溶氧濃度預(yù)測(cè)值及其變化趨勢(shì)是基本準(zhǔn)確的，可以應(yīng)用于自吸式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)改造及工程放大。以上結(jié)果表明，本發(fā)明預(yù)測(cè)方法所得預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，具有很高的參考價(jià)值。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可用于協(xié)助設(shè)計(jì)自吸式反應(yīng)器的參數(shù)，從而提高工作效率。