（化工过程机械专业论文）双环流厌氧反应器研究及其在清液酒精发酵中的应用.pdf

摘要 摘要 环流反应器是近年来随着生物反应器的研究发展起来的一种新型反应器，反应器中加 设了导流装置，使反应器内原来无序的自然循环流动得到了强化，从而产生了稳定的总体 环流；这种反应器无论在结构还是在能耗方面都优于普通的机械搅拌式反应器，并且还具 有便于控制反应物浓度，提高最终转化率和目标产物收率的优点，因而被广泛应用于化工、 发酵及废水处理等过程。 环流反应器在好氧发酵领域得到了广泛的应用，而在厌氧发酵领域则发展缓慢，为适 应环流反应器向厌氧发酵领域的发展，本课题在内环流反应器和外环流反应器的基础上提 出了既有内环流系统又有外环流系统的双环流厌氧反应器新思路，并对其流体力学、传热 性能进行了实验研究。 双环流厌氧反应器的流体力学实验以2 0 的水为工作介质研究了外环流流量在 2 0 0 1 0 0 01 h 的范围内时，内环流液速与外环流流量的关系及环隙广义雷诺准数与外环 流流量的关系。实验结果表明，随着外环流流量的增大，内环流液速和环隙广义雷诺准 数也增大，即反应器中料液的循环和混合传质效果就越好。可以通过调节外环流流量来 控制内环流状况，从而获得最佳工况条件。 以3 8 。c 的水为工作介质做双环流厌氧反应器的传热冷膜实验，实验结果表明外环流 流量在0 1 0 0 01 h 范围内，冷却水流量在2 5 0 7 5 0 h 范围内时，固定外环流流量， 传热系数随冷却水流量增大线性增大；固定冷却水流量，传热系数随外环流流量的增大指 数增大；实验还通过数学方法获得了传热系数经验关联式，误差分析表明该经验关联式能 较准确地反映反应器的传热特点。 酒精可以广泛的应用在国民经济各个部门，尤其是作为一神可再生能源，如何取代煤、 石油成为新型的“绿色燃料”，近年来备受关注。要大力推广乙醇燃料，关键在于如何降 低生产成本，为此，本课题从原料综合利用的角度提出了先洗面后发酵的小麦粉清液酒精 发酵工艺，沈面分离出来的酉筋有较高的营养成分，可以制成美味可口的保健食品。通过 正交试验研究了该清液酒精发酵工艺的优化参数范围和可行性。实验结果表明，以提高乙 醇生产能力为目标时，优化参数范围为：料水比1 ：3 1 ，t h a a d y 接种量0 9 ，o 8h 温度控制为3 2 3 4 。c ，8 2 0h 温度控制在3 8 4 0 。c ，发酵周期5 6h ，此条件下发酵乙醇 生产能力可高达o 1 0 3 5 克毫升发酵液，发酵效率达9 03 ；以提高发酵效率为目标时， 料水比改用1 ：3 5 ，其他参数范围不变，此条件下发酵发酵效率高达9 2 9 ，乙醇生产能 郑州大学硕士研究生学位论文 力为o 0 9 4 6 克毫升发酵液。对前者进行了放大试验，结果表明，即使在较大的高径比 ( 4 3 7 5 ：1 ) 的生物反应器中，采用较大的装料系数( 0 8 5 7 ) ，小麦粉清液浓糖发酵( 初始 总糖浓度为2 2 4 ) 的发酵效率仍能达到8 9 0 8 ；这就说明小麦粉清液酒精发酵工艺有 很好的应用前景。另一方面，采用清液酒精发酵工艺，发酵醪具有较好的流动性，为环流 反应器应用于酒精发酵领域找寻了一条很好的途径。 在淀粉质原料发酵生产酒精的过程中，水解生成的葡萄糖以浓度差为推动力不断向细 胞表面扩散，通过细胞膜渗透到细胞内部，经由e m p 途径生成产品酒精和付产物c 0 2 。 酒精和c 0 2 又必须以扩散传质的方式向发酵液主流扩散。在发酵开始的短时间内，发酵 液中溶解的c 0 2 达到饱和，后续生成的c 0 2 以气泡形式依附在细胞表面，阻碍了酒精通 过细胞附近的滞流层向发酵液主流的扩散和葡萄糖向细胞的扩散，必然在细胞表面形成一 个高酒精浓度区域，加速了细胞的衰老，也必然使糖化酶作用底物类似物长时间维持一个 较高浓度，抑制了糖化酶的活性。如果在发酵过程中用泵强制发酵液环流，增大液体的湍 动，一方面可以防止醪液沉淀，另一方面则可促使c 0 2 气泡及时脱离细胞表面，加速酒 精向发酵液主流的扩散和葡萄糖向细胞的扩散，可能延缓细胞的衰老，保持较强的发酵能 力，同时减轻了糖化酶的抑制作用。为此，本课题在正交试验确定的优化发酵工艺条件基 础上，利用新型双环流厌氧反应器进行小麦粉清液酒精发酵实验，研究了第8 2 0h 发酵 液强制双环流的小麦粉清液酒精发酵过程和全周期强制双环流的小麦粉清液酒精发酵过 程；实验过程中外环流流量都控制在6 0 0i h 。实验结果表明，在发酵过程中用泵强制双 环流发酵液，明显提高了醪液酒度和发酵效率，缩短了发酵周期。同时，发酵液的强制双 环流提高了传热效率，有效防止了高温染菌，降低了发酵醪的增酸幅度。 关键词：双环流厌氧反应器；流体力学；传热；清液发酵；酒精 ( 本论文得到河南省重点科技攻关项目：双循环酒精发酵设备大型化研究的资助。项目编 号：0 3 2 3 0 2 3 0 0 0 ) 垒! ! 堡! ! 一 a b s t r a c t l o o p r e a c t o ri san e wt y p e o fr e a c t o rw h i c hi s g r o w i n gu p w i t ht h e s t u d y o f b i o r e a c t o r c o n d u c t i o ne q u i p m e n ti sf i t t e do i lt h i st y p eo f r e a c t o r , w h i c hc o n d u c t st h en a t u r ef l o w t ot h es t e a d yl o o pf l o w t h i st y p eo fr e a c t o ri s s u p e r i o rt ot h ec o l n i n o nm e c h a n i c a la g i t a t e d r e a c t o ri ns t r u c t u r ea n de n e r g yc o n s u m i n g w h e nt h i st y p eo f r e a c t o ru s e d ，t h ec o n c e n t r a t i o no f r e a c t a n tw a se a s i l yc o n t r o l l e da n dt h ep r o d u c t i v i t yc o u l db eh e i g h t e n e d l o o pr e a c t o rh a sb e e n w i d e l yu s e di nc h e m i c a li n d u s t r y , f e r m e n t a t i o na n dt h ew a s t ew a t e rd i s p o s i n g p r o c e s s l o o pb i o r e a c t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di na e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，b u tr a r e l yi na n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，i no r d e rt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f l o o pb i o r e a e t o ri nt h ed o m a i n o fa n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，t h ea n a e r o b i cb i o r e a c t o rw i t hb o t hi n t e r - l o o pa n do u t e r - l o o pw a s p u tf o r w a r d a sa n e wt r a i no f t h o u g h t s e x p e r i m e n t a ls t u d i e so f t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ra b o u tt h ed o u b l e l o o p b i o r e a c t o rh a v eb e e nm a d e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e i n t e r - l o o pv e l o c i t y a n dt h e o u t e r - l o o p f l u xa n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e y n o l d sn u m b e ra n dt h eo u t e r - l o o pf l u xw e r es t u d i e d ，o nc o n d i t i o n t h a tt h ew o r k i n gm e d i u mw a sw a t e ru n d e ra b o u t2 0 ( 2a n dt h eo u t e r - l o o pf l u xw a s2 0 0 10 0 0 1 h t h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a ta f t e rt h ef l o ww a ss t e a d y ，b o t hi n t e r - l o o pv e l o c i t y a n dt h er e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e da st h eo u t e r - l o o pf l u xi n c r e a s i n g t h e r e f o r et h ei n t e r - l o o p c o u l db ec o n t r o l l e dt oa p e r f e c tc o n d i t i o nb ya d j u s t i n gt h eo u t e r - l o o pf l u x t h eh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n tw a sd i dw i t hw a t e r , t h ew o r k i n gm e d i u mw h o s e t e m p e r a t u r e w a s3 8 。c t h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tw h e n t h eo u t e r - l o o pf l u xw a so 1 0 0 0l h a n dt h ec o o l i n gw a t e rf l u xw a s2 5 0 - 7 5 01 h ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e d e x p o n e n c i a l l ya st h eo u t e r - l o o pf l u xi n c r e a s i n ga n di n c r e a s e dl i n e a r l ya st h ec o o l i n gw a t e rf l u x i n c r e a s i n g t h ee x p e r i e n t i a l r e l a t i o n s h i pf o r m u l ao ft h et h e r m a lc o n d u c t i v ec o e f f i c i e n tw a s g a i n e db y t h em a t h e m a t i c a lm e a n s a l c o h o lc a nb eu s e di nm a n yd e p a r t m e n t so ft h en a t i o n a l e c o n o m y s i n c ea l c o h o li s a r e p r o d u c i b l ee n e r g ys o u r c e ，a t t e n t i o ni sp a y e d t oh o wt or e p l a c eo 订a n dc o a lw i t hi t t h ek e yt o g e n e r a l i z et h ef u e le t h a n o li sh o w t oc u tt h ec o s t so f p r o d u c t i o n t h e c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o f m a t e r i a li saa v a i l a b l ea p p r o a c ht oc o s tc u t t i n g ，t h e r e f o r ean e wa l c o h o lf e r m e n t a t i o nt e c h n i c s i s b r o u g h tf o r w a r d ，a l c o h o l f e r m e n t a t i o nf r o mw h e a tf l o u ri n c l a r i f y i n g s o l u t i o n w i t ht h i s f t 郑州大学硕士研究生学位论文 t e c h n i c s ，t h eg l u t e n i ss e p a r a t e df r o mt h es o l u t i o nb e f o r ef e r m e n t a t i o n t h e g l u t e nc o n t a i n sg o o d n u t r i e n ta n dc a nb ep r o c e s s e di n t od e l i c i o u sh e a l t hc a r ef o o d t h eo r t h o g o n a lt e s tw a su s e dt o o p t i m i z et h ep r o c e s sc o n d i t i o n so ft h en e wf e r m e n t a t i o nt e c h n i c s t h er e s u l to fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tw i t ht h e p u r p o s e o fg e t t i n g h i g ho u t p u t o fe t h a n o l ，t h e o p t i m a l t e c h n o l o g yw a sa sf o l l o w s ：t h er a t i oo fr a ww h e a tf l o u rt o w a t e rw a s1 ：3 1 ；t h ei n o c u l a t i o n q u a n t i t yo ft h - a a d y w a s 0 9 ；t h ef e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r ew a sc o n t r o l l e da t3 2 3 4 。c i n t h ef i r s t8 h ，3 8 - 4 0 * cb e t w e e n8 - 2 0h ；t h ef e r m e n t a t i o nc y c l ei s5 6h u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h e o u t p u to f e t h a n o lg o tt oo 1 0 3 5g m la n dt h ef e r m e n t a t i o ne f f i c i e n c yg o tt o9 0 3 t h er e s u l to f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l s oi n d i c a t e dt h a tw i t ht h e p u r p o s e o fg e t t i n gh i g hf e r m e n t a t i o n e f f i c i e n c y , t h eo p t i m a lt e c h n o l o g yw a st h a tt h er a t i oo fr a ww h e a tf l o u rt ow a t e rw a s1 ：3 5 i n s t e a do f1 ：3 1w i t ho t h e rc o n d i t i o n si n v a r i a b i l i t y u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h ef e r m e n t a t i o n e f f i c i e n c yg o tt o9 2 9 a n dt h eo u t p u to f e t h a n o lg o tt o0 0 9 4 6g m 1 e n l a r g i n gt h ee x p e r i m e n t w i t ht h ef o r m e rt e c l m o l o g y , t h er e s u l ti n d i c a t e dw h e nt h es l e n d e r n e s sr a t i oo fb i o r e a c t o rw a s 4 3 7 5 ：1a n dt h ec h a r g i n gc o e f f i c i e n tw a s0 8 5 7 ，t h ef e r m e n t a t i o ne f f i c i e n c yw a ss t i l la b l et og e t t o8 9 0 8 t h i sf o r e s h o w sag o o df o r e g r o u n do ft h en e wa l c o h o lf e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g y a s t h ea l c o h o lf e r m e n t a t i o ni si nc l a r i f y i n gs o l u t i o n ，t h ef l u i d i t yo ft h es o l u t i o nw a sv e r yw e l l i t o f f e r sag o o dw a yf o r t h ed e v e l o p m e n to f t h el o o pb i o r e a c t o ri na l c o h o lf e r m e n t a t i o nd o m a i n i nt h ep r o c e s so fa l c o h o lf e r m e n t a t i o nf r o ms t a r c h i n e s st h eh y d r o l y s a t eg l u c o s ew o u l d d i f f u s et ot h es u r f a c eo f t h ey e a s tc e l l sa n dt h e ng e tt h r o u g ht h ec e l lm e m b r a n e t ot h eb o s o m ，a t l a s tb ef o r m e dt oa l c o h o la n dc 0 2 b y t h ee m p p a t h w a y t h ea l c o h o la n dc 0 2 m u s td e f u s et ot h e s o l u t i o n i ft h ec 0 2i nt h es o l u t i o na t t a i n e ds a t u r a t i o ni nt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s ，t h ec 0 2 f o r m e dl a t e rw o u l da d h e r et ot h es u r f a c eo ft h ec e l l s i nt h ef o r mo fb u b b l ew h i c hw o u l d c o u n t e r a c tt h ea l c o h o lt od e f u s et ot h es o l u t i o na n dc o u n t e r a c tt h eg l u c o s et od e f u s et ot h e c e l l s t h u sar e g i o nf o r m e d ，i nw h i c ht h ec o n c e n t r a t i o no fa l c o h o lw a ss oh e a v yt h a ti tw o u l d a c c e l e r a t et h ed e g e n e r a t i o no ft h ey e a s tc e l l s a tt h es a m et i m e ，t h ea n a l o go fs u b s t r a t ea l s o m a i n t a i n e dah e a v yc o n c e n t r a t i o n ，w h i c hr e s t r a i n e dt h ea c t i v i t y o ft h eg l u c o a m y l a s e i ft h e f e r m e n t i n gl i q u i dw a sc o m p e l l e dc i r c u l a t eb yap u m pi n t h ep r o c e s so ff e r m e n t a t i o n ，t h e t u r b u l e n c eo f t h el i q u i dw o u l db e c o m em o r ei n t e n s e t h u so n t h eo n eh a n dt h es o l u t i o nc o u l db e p r e v e n t f r o md e p o s i t i n g ，o nt h eo t h e rh a n dc 0 2w o u l db ei m p e l l e ds e p a r a t ef r o mt h es u r f a c eo f t h ec e l l sa n dt h ed e l u s i o no ft h ea l c o h o lt ot h es o l u t i o na n dt h eg l u c o s et ot h ec e l l sw o u l d b e a c c e l e r a t e d i tm i g h ts l o w e rt h ed e g e n e r a t i a o no ft h ec e l l s a n dl i g h t e nt h er e s t r a i nt ot h e - i a b s t r a c t g l u c o a m y l a s e a c c o r d i n g l yt h en e wt y p eo fd o u b l el o o pa n a e r o b i cb i o r e a c t o rw a su s e di n a l c o h o lf e n n e n t a t i o nf r o mw h e a tf l o u ri nc l a r i f y i n gs o l u t i o n ，b a s i n go nt h eo p t i m a lf e r m e n t a t i o n t e c h n o l o g y t h ea l c o h o lf e r m e n t a t i o np r o c e s sb yc o m p u l s o r y c i r c u l a t i o nf r o mt h ee i g h t hh o u rt o t w e n t i e t hh o u ra n dt h a tt h r o u g h o u tt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sh a v eb e e ns t u d i e d t h eo u t e m o o p f l u xw a sc o n t r o l l e dt o6 0 0l h t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t 、i 廿lt h ec o m p u l s o r y d o u b l ec i r c u l a t i o no ft h ef e r m e n t a t i o nl i q u i dt h ea l c o h o ld e g r e em i dt h ef e r m e n t m i o ne f f i c i e n c y w e r eh e i g h t e n e da n dt h ef e r m e n t a t i o nc y c l ew a ss h o r t e n e do b v i o u s l y a t t h es a m et i m et h eh e a t t r a n s f e rw a sa l s o s t r e n g t h e n e d a n dt h eh e t e r o b a c t e r i u mc o n t a m i n a t i o n d u i n g t o h i g h t e m p e r a t u r e w a sa v o i d e d t h e r e f o r et h ea c i d i t yo ft h ef e r m e n t a t i o nl i q u o ri n c r e a s e dl e s s k e y w o r d s ：d o u b l el o o pa n a e r o b i cb i o r e a c t o r ；h y d r o d y n a m i c s ；h e a tt r a n s f e r ；f e r m e n t a t i o ni nc l a i m i n g s o l u t i o n ：a l c o h o l i i 主要符号说明 主要符号说明 内环流液速，m s ； 当量直径，m ： 广义雷诺准数，无量纲； 水的动力粘度，p a s ； 拟合相关系数； 总热流量，w ； 传热对数平均推动力，； 冷却水质量流量，k g s ； 夹套的总传热面积，m 2 ； 水的比热，j k g ； 传热系数，w m 2 , ； 传热系数实验值，w m l ； 传热系数计算值，w m 2 ； 冷却水进口温度，； 冷却水出口温度，； 恒温水温度，； 冷却水体积流量，m 3 s ； 反应器外环流流量，一s ； 水的密度，蚝m 3 ； 相对误差，无单位； 斐林试剂标定值，m l ； 斐林试剂测定值，m l ； 水解试样体积，m l ； 水解所得糖液稀释定容体积，m l 标准葡萄糖溶液浓度，g m l 稀释倍数； 第一温段持续时间，h ； i i i 玑出舷9 弘m 印殷断砾n阢n雎哳a m 尔 郑州大学硕士研究生学位论文 第二温段持续时间，h ； 乙醇产量，g ： 发酵效率y i 7 ，； 正交试验误差的偏差平方和 正交试验误差的自由度； 正交试验误差的方差 i u 屯，孔，m五 前售 1 i 生物反应器的分类与发展 1 前言 进入2 l 世纪，生物技术的发展日新月异，正越来越多地影u 向着人类生活的各个方面， 不仅体现出巨大的经济价值，也提供了不可替代的社会服务。崭新的生物技术产业正在迅 速成长。生物技术的科学原理( 包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、生物化学等) 的发现是生物技术产业发展的不尽源泉，指导着其应用领域( 包括医药工业、发酵工业、 食品和饲料工业、化学工业、环境保护和能源工业等) 的未来。在原理和应用之间有一个 极其重要的中介，这就是生物反应器。通常，在各种生物过程中，生物反应器总是占据中 心地位，是连接原料和产物的桥梁。在反应器中，通过产物的合成，廉价的原料升了值。 因此，生物反应器的设计和操作，就是生物工程中一个极其重要的问题，它对产品的成本 和质量有着很大影响忡i 。 生物反应器的主要功能是为生物细胞的培育、生长及代谢控制等提供空间，并使自身 结构与操作满足具体生物工程技术所要求的工艺条件；它与其他工业设备的突出差别是对 纯种培养的要求之高，几乎达到了十分苛刻的程度，工艺上的任何一点疏忽都会给企业造 成不可挽回的巨大损失。因此，生物反应器的严密性、运行的高度可靠性是生物工业的显 著特点】。 生物细胞种类很多，特点各异，生物反应器也五花八门。按生物生长代谢需要分类， 可将生物反应器分为好氧的和厌氧的两大类。抗生累、酶制剂、酵母、氨基酸、维生素等 产品是在好氧反应器中进行生产的；丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等应用厌氧反应器【4 j 。 按照所使用的生物催化剂的不同，生物反应器可分为酶催化反应器和细胞生物反应 器。酶催化反应器比较简单，酶如同化学催化剂一样，在反应前后本身没有变化。细胞生 物反应器中所进行的生化反应则十分复杂，在反应的同时，细胞本身也得到了增殖，同时 为了使细胞能有效地维持催化活性，在反应过程中还必须避免受n # i - 界各种杂菌的污染 吼 根据反应器的操作方式，生物反应器可分为阐歇式生物反应器、连续式生物反应器和 半i a j 歇式生物反应器等。采用间歇或分批式操作方式的生物反应器称为问歇式生物反应 器。间歇式生物反应器的基本特征是反应物料一次性加入和取出，反应器内物系的组成仅 随f t q - f i 而变化。恢反应器内进行的反应过程是一非稳态过程。间歇式生物反应器在生物反 郑j ，l l 大学硕士研究生学位论文 应器中占有重要位置，适合于多品种、小批量、反应速度较慢的反应过程。采用连续操作 的生物反应器称作连续式生物反应器。连续式生物反应器中的反应大多属于稳态过程，反 应器内任何部位的物系组成均不随时间而变化。连续式生物反应器可以一定的流量不断加 入新的培养基，同时以相同的流量不断取出反应液，这样就可以不断地补充细胞需要的营 养物质，而代谢产物则不断被稀释而排出，使生化反应连续稳定地进行下去。连续式生物 反应器克服了在间歇式生物反应器中，由于营养基质耗尽或有害代谢产物积累所造成的反 应只能在有限的时间内进行的缺点。连续式生物反应器具有产品质量稳定、生产效率高等 优点。但对其操作及质量控制提出了更高的要求。采用将原料与部分产物连续输入或输出， 其余则分批加入或输出的半连续操作的反应器称为半间歇式生物反应器。半间歇式生物反 应器同时具有间歇式生物反应器和连续式生物反应器的一些特点 5 l 。 根据反应器所需的能量的输入方式，生物反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的 机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物 反应器等 5 】o机械搅拌生物反应器在生物工程工厂中得到广泛应用，据不完全统计，它 占了发酵罐总数的7 0 8 0 ，故又称之为通用式发酵罐。目前，我国珠海益力味精 厂拥有6 3 01 1 1 3 特大型机械通风搅拌罐，是世界上最大的通用罐之一，用于谷氨酸发酵， 显示出高生产效率、高经济效益的优点。这类反应器大多用于通风发酵，靠通入的压缩空 气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，同时强化热量传递【6 】。气升式生物反应器是 利用喷射功能和流体在反应器内的密度差造成循环流动，来实现反应料液的搅拌、混合和 溶氧。即不用机械搅拌，完全依靠气体的带升使料液产生循环并发生湍动，从而达到气液 混合的目的。气升式生物反应器按其所采取的液体循环方式的不同，可划分为内循环气升 式反应器和外循环气升式反应器。前者使循环过程中的升管与降管均设置在同一罐体内 部；而后者则令升管与降管分立布置【3 】。气升式生物反应器( a l r ) 也是应用最广泛的 生物反应设备，目前世界上最大型的同期发酵罐就是气升环流式的，体积高达3 0 0 0 多立 方米【6 】o 根据反应器的结构特征，生物反应器可以分成釜式、管式、塔式、膜式等类型。他们 之间的差别主要反映在外型和内部结构上的不同。根据生物催化剂在反应器中的分布方 式，可以分为生物团块反应器和生物膜反应器。生物团块反应器按催化剂的运动状态划分 又可分为填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器。根据反应物系在生物反应 器内的流动和混合状态进行分类，生物反应器又可分为全混流型生物反应器和活塞流型生 物反应器1 5 j 。 尽管生物反应器这个术语较新，但它的利用却有悠久的历史。古代欧洲用牛胃盛牛奶， f l i jh 牛胃中的微生物把牛奶转化为奶酪，而这牛胃便是原始状态的生物反应器。我凼的酒类生 产开始于周商时期，制酒用的密闭容器也是一种早期的生物反应器。生物反应器的重大革 新发生在上世纪四十年代，人们将已有化学反应器知识移植于发酵工业，开发了深层机械 搅拌生物反应器，用来发酵生产青霉素，实现了纯种大规模培养( 5 0 1 5 0m 3 ) 【2 ，。在 这以后三十多年的研究仍沿f ； j 传统化学工程中三传一反的理论，生物反应器没有发生根本 性的变化。7 0 年代发展起来的基因工程、细胞工程技术，使发酵工程不单纯是天然微生 物，而扩展到基因工程菌、动物和植物细胞的培养，同时对生物反应器提出了新的要求。 7 0 年代初普里高斯从非平衡热力学理论出发，从逻辑上严格证明了在远离热力学平衡的 丌放系统中，过程的复杂性特征可自然产生稳定的自组织行为，从无序演化出时空上的有 序结构，即耗散结构理论。8 0 年代初由一群数学和物理学家共同创立的混沌动态学，进 一步证明了在不同层次上出现的无序( 混沌) 与有序之间的转换是自然界非线性复杂过程 的普遍规律1 4 4 j 。非线性科学的发展使人们不得不认识到生物反应与常规化学反应存在本 质的差别，认为化学工程由三传一反理论已不适应生物反应器。中科院过程工程研究所的 研究人员着力研究了生命原理与活体细胞中酶促反应网络系统的非线性动力学属性，细胞 膜的结构功能特性对物质与信息传递的影响。逐步明确认识到，应以细胞膜的法向周期作 用力为动力源，来提高生物反应速率与细胞膜的传质速率，首次提出了“利用外界周期刺 激强化生物反应和细胞膜传质速率”的生物反应器设计新原理，形成了生物反应工程“四 传”( 动量、质量、热量、信息) “一反”( 生物反应动力学) 的结构框架【7 j 。 生物反应器正向大型化、高度自动化和多样化方向发展。西德单细胞蛋白生产反应器 最大体积达2 3 0 0r f l 3 ( 高6 0m 直径7m ) ，输入功率7m w 。英国废水处理反应器最大体 积达2 7 0 0 0m 3 。固内生物反应器最大体积多在l o o 一2 0 0m 3 之间。反应器体积的放大降低 了操作成本，但大型反应器的设计还存在定的技术问题【7 j 。 反应器的自动检测和控制系统使反应器在最佳条件下操作成为可能，近年来获得广泛 重视。随着生物工程的日渐成熟和迅速发展，自动检测和控制系统将会在生物过程中发挥 越来越重要的作用i z j 。 一些特殊用途的和具有特殊性能的生物反应器也得到了较快的应用和发展。例如，动 物和植物细胞培养用反应器，固体发酵反应器，发酵和分离耦合的反应器等都得到了不同 程度的发展 4 5 , 4 6 。在降低设备投资方面，近年对连续过程更加重视。连续反应器的主要问 题是产物浓度低。随着生物催化剂比活力的提高，这个问题将得到弥补口1 。 郑州大学硕上研究生学位论文 1 2 环流生物反应器与厌氧反应器 1 2 。1 环流生物反应器 环流反应器是近年来随着生物反应器的研究发展起来的一种新型反应器，反应器中加 设了导流装置，使反应器内原来无序的自然循环流动得到了强化，从而产生了稳定的总体 环流：这种反应器无论在结构还是在能耗方面都优于普通的机械搅拌式反应器，并且还具 有便于控制反应物浓度，提高最终转化率和目标产物收率的优点，因而被广泛应用于化工、 发酵及废水处理等过程 8 , 4 7 。 环流生物反应器有多种类型，按环流动力来源可分为气升环流式、泵循环式和泵循环 气升式等类型；按环流方式又可分 为内环流式、外环流式和双环流式 生物反应器，如图1 所示。 其中，气升环流式生物反应器 作为一种新型的生物反应器具有 多个优点：( 1 ) 反应溶液分布均匀； ( 2 ) 较高的溶氧速率和溶氧效率； ( 3 ) 剪切力小，对生物细胞损伤 小；( 4 ) 传热良好；( 5 ) 结构简单， 易于加工制造；( 6 ) 操作和维修方 便。气升环流式生物反应器已成功 地应用于动植物细胞的培养，广泛 内环流( 气升式) j 。l 广卞 g f 外环流( 气升式)双环流( 泵循环气升式) 图1 - 1 环流反应器示意图 地应用于单细胞蛋白生产和废水处理，在其它领域也显示了巨大的潜力m ，4 8 1 。 泵循环式生物反应器主要特点是依靠泵提供动力强制形成液体外环流和内环流。这种 反应器可以通过调节外环流流量来调控液体循环状况从而改变反应器的混合传质特性。泵 循环气升式生物反应器兼有泵循环式反应器和气升式反应器的一些特点8 1 。 1 2 2 厌氧生物反应器 我们又可以把厌氧反应器分为两大类，第一类是为丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等厌 氧发酵制品服务的厌氧发酵罐，这类发酵罐有着悠久的历史，但发展比较缓慢。另一类是 以厌氧处理技术为基础厌氧生物反应器，至今也已有t 0 0 多年的历史；7 0 年代以来，废 前苦 水厌氧处理技术因其具有运转费用低、有可资利用的能源( 沼气) 产生及在处理高浓度废 水方面的一系列优越性而得到较快的发展，并出现了一批以升流式厌氧污泥床反应器 ( u a s b ) 、厌氧滤池( a f ) 等为代表的第二代厌氧反应器处理技术；目前在u a s b 反应 器的基础上发展而来的第三代厌氧反应器i c 厌氧反应器处理技术已得到广泛应用“，4 9 1 。 1 3 酒精发酵概述 1 3 1 酒精发酵的基本理论概述 酒精发酵的作用，是酵母菌把可发酵的糖，经过细胞内一系列酶的作用，生成酒精与 c 0 2 ，然后通过细胞膜将这些产物排出体外。酵母菌就是通过这种形式进行酒精发酵，一 个酵母细胞的直径只有5 8u m ，表面积为5 1 0 - 5 m m 2 。正常发酵醪中酵母细胞数含量 约为1 4 0 0 亿升，它的细胞表面积为7m 2 ，在发酵过程中有如此巨大的细胞表面积参与 物质代谢，可见其发酵作用是十分强烈的。 在发酵过程中产生的酒精可以通过酵母细胞渗出到体外。因为酒精发酵是在水溶液中 进行，酒精可以以任何比例与水混合，所以出酵母体内排出的酒精便溶于周围的醪液中。 发酵中产生的c 0 2 由于其溶解度较小，所以发酵醪很快就会被其饱和。当c 0 2 饱和之后， 便被吸附在酵母细胞表面，甚至其超过细胞吸附能力，这时c 0 2 变为气态，形成小的气 泡上升。又由于c 0 2 气泡的相互碰撞，形成较大气泡而逸出液面。c 0 2 气泡的上升，也 带动了醪液中的酵母细胞上下游动，从而使酵母细胞能更充分地与醪液中糖分接触，使得 发酵作用更充分和彻底。 以淀粉质原料为例，它的化学变化可用下列化学反应方程表示： c 6 h l 。o51 +n h 2 0j ! 些塑寸n c 6 h 1 2 0 6 1 6 2 份淀粉1 8 份水 18 0 份糖 c 6 h 1 2 06 马2 c o2 个+ 2 c 2 h5 0 h l8 0 份糖 8 8 份c 0 29 2 份酒精 不同碳源的酒精理论得率如表1 - 1 所示。 郑州大学硕七耐究生学位论文 表1 - 1 不同碳源的酒精理论得率 t a b 1 1t h et h e o r e t i c a la l c o h o lc o n v e r s i o nr a t ew i t hd j 侬r e n tc a r b o n s 1 3 2 酒精发酵工艺的进展 酒精的发酵工艺流程【1 3 l ： 原料一预处理一液化一糖化一发酵一酒精 在生物技术和酶制剂技术快速发展的带动下，酒精发酵工艺得到迅速的发展和提高。 目前，新型发酵工艺条件下的发酵效率( 计算方法见式5 9 ) 大都在9 0 以上，国外酒精 发酵的淀粉出酒率平均高达5 5 【5 。 酒精发酵新工艺的改进，体现在工艺流程的各个阶段。根据本课题的需要，现以淀粉 质原料酒精发酵为例，对酒精发酵工艺近些年来的新进展做介绍。 1 3 2 1 细胞破碎 植物淀粉细胞由细胞壁包裹，既不溶于水，也不易和淀粉水解酶接触。预处理阶段