热管自吸式发酵罐用于酵母发酵的研究论文.pdf

s t u d yo fh e a tp i p es e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o rf o rt h e f e r me n t a t i o no fy e a s t d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n a n ji n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e b y c o n g j u nh u a n g 一 s u p e r v i s o r a s s o p r o f h o u s h e n gh o n g s e p t e m b e r2 0 1 0 摘要 i i i imi i i uiiiiii i i i miiii iil y 2 2 5 2 6 31 酵母是一种重要的单细胞微生物 与人类生活有着密切的联系 除用于酿 酒工业外 人们还利用面包酵母 药用酵母 食用酵母 饲用酵母 营养酵母等 酵母抽提物也具有广泛的用途 酵母还是当今生物技术产品研究开发的热点和现 代生物技术发展 基因组研究的模式系统 酵母发酵过程中产生大量的热 传统 生物反应器发酵控温一般采用夹套 蛇管 列管 罐外壁喷淋 外循环板式或螺 旋板式等传热部件 这些换热方式往往因成本或换热效率等原因影响其在酵母工 业生产中的应用 实践证明自吸式发酵罐用于酵母发酵在节能增效方面具有较大优势 本论文将热管传热元件引入到自吸式发酵罐 热管具有温度分布均匀 传热 效率高 控温灵敏 冷却水用量少等优点 研究热管换热自吸式发酵罐在酵母发 酵上的应用 有利于推动酵母工业向着高产 高效益 低能耗的方向发展 本文根据热管技术基本理论设计了用于5 0 l 自吸式发酵罐酵母发酵的热管 系统 研究发酵罐内部传热过程 对热管与夹套传热系数进行对比分析 利用水 作为模拟介质进行冷模实验 研究自吸式发酵罐的传质性能 对转子临界转速 吸气速率 整体气含率三个参数进行测量与分析 实验表明 自吸转子叶轮的临 界转速随着液位高度的增大而增大 吸气速率随着液位高度的增加逐渐减小 转 速越高 相应的吸气速率也越大 整体气含率随着液位高度的增大而减小 研究 热管自吸式发酵罐的传热性能 对比了普通夹套与不同数量的水夹套热管 不同 的叶轮转速 不同的水流量条件下的传热性能 实验结果表明 夹套传热系数为 9 7 9 9 3k j m 2 h 四根热管传热系数为4 2 7 0 9 5k j m 2 h 四根热管 的传热系数要远高于夹套 热管数量越多 换热性能越高 随着叶轮转速转速升 高 热管换热性能提高 叶轮搅拌产生的热量也逐步增大 当叶轮转速为 5 0 0 r m i n 四根热管从5 2 降至3 4 耗时最少 随着冷却水流量的增加 冷却 耗时缩短 冷模实验研究可为热管自吸式发酵罐设计 改进 放大提供依据 利用自吸式发酵罐进行酵母发酵传热实验 建立了酵母发酵热的测量方法 测得酵母发酵热为2 0 5 1 0 4 k j m 3 h 将热管换热系统用于酵母发酵控温实验 并与夹套换热进行发酵实验对比 5 批次酵母培养的生长曲线 酵母菌体总浓度 等表明热管换热效果优于夹套 有利于酵母发酵 发酵2 4 小时测定生物量 前 者为1 3 3 6 9 l 后者为1 4 1 2 9 l 采用热管换热比夹套换热使酵母生物量提高了 5 6 9 为热管在酵母发酵工业中换热的应用可行性提供了佐证 关键词 热管自吸式发酵罐酵母发酵 i i a b s t r a c t y e a s ti sa ni m p o r t a n ts i n g l ec e l lm i c r o o r g a n i s ma n di sc l o s e l yl i n k e dw i t hh u m a n l i f e e x c e p tf o ru s i n gi ti nw i n ei n d u s t r y t h ep e o p l ea l s ou s eb r e a dy e a s t m e d i c i n a l y e a s t e d i b l ey e a s t f e e dy e a s t n u t r i t i o n a ly e a s ta n dy e a s te x t r a c tw h i c h i sa l s ow i d e l y u s e d y e a s th a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da st o d a y sh o ts p o t sb i o t e c h n o l o g y p r o d u c t sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nb i o t e c h n o l o g y g e n o m i c sm o d e ls y s t e m y e a s tf e r m e n t a t i o np r o c e s sp r o d u c t sal o to fh e a t t h et r a d i t i o n a lb i o r e a c t o r sc o n t r o l f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r ew h i c hg e n e r a l l yu s e sw a t e rja c k e t s n a k ep i p e t u b e t a n k w a l ls p r a y i n g o u t s i d et h ec i r c l ep l a t eo rs p i r a lh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t s t h e s ea r e o f t e nd u et oc o s to rh e a tt r a n s f e rm e t h o d sa n do t h e rf a c t o r sa f f e c tt h ee f f i c i e n c yo f h e a tt r a n s f e ri ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fy e a s t p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a ts e l f a s p i r a t i n g f e r m e n t o rf o ry e a s tf e r m e n t a t i o nh a sag r e a ta d v a n t a g ei ne n e r g ye f f i c i e n c y t h i sp a p e rh a di n t r o d u c e dh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t st os e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o r h e a tp i p eh a sau n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n h i g he f f i c i e n c yh e a tt r a n s f e r c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r es e n s i t i v e l y l e s su s i n gc o o l i n gw a t e r w i t ht h ea d v a n t a g e so fh e a t p i p e sh e a te x c h a n g e ri nt h ea p p l i c a t i o no fy e a s tf e r m e n t a t i o n y e a s ti sc o n d u c i v et o p r o m o t i n gt h ei n d u s t r yt o w a r d sh i g h y i e l d h i g he f f i c i e n c y l o we n e r g yc o n s u m p t i o n o ft h ed i r e c t i o n a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo fh e a tp i p et e c h n o l o g y i th a db e e nd e s i g n e dh e a t p i p es y s t e mi n5 0 ls e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o rf o ry e a s tf e r m e n t a t i o ni nt h i sp a p e r i t s t u d i e dh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fi n t e r n a lf e r m e n t o r a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t h t r a n s f e rc o e f f i c i e n t sb e t w e e nw a t e rj a c k e ta n dh e a tp i p e s u s i n gw a t e ra sam e d i u m f o rc o l dm o d e ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st os t u d yt h es e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o ro fm a s s t r a n s f e rp e r f o r m a n c ew h i c ht h er o t o rc r i t i c a ls p e e d b r e a t h i n gr a t e t h eo v e r a l lg a s h o l d u pi nt h et h r e ep a r a m e t e r sw e r em e a s u r e da n da n a l y z e d e x p e r i m e n t a ls t u d i e s h a v eb e e ns h o w nt h a tt h ec r i t i c a li m p e l l e rs p e e dw i t ht h ei n c r e a s eo fl i q u i dh e i g h t b r e a t h i n gr a t ei n c r e a s e sa st h el i q u i dh e i g h td e c r e a s e s t h eh i g h e rt h es p e e d t h e g r e a t e rt h ec o r r e s p o n d i n gi n s p i r a t o r yr a t e t h eo v e r a l lg a sh o l d u pr a t ea st h el i q u i d h e i g h ti n c r e a s e s i ts t u d i e dt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p es e l f a s p i r a t i n g f e r m e n t o r c o m p a r e dt oo r d i n a r yw a t e rj a c k e t w i t hd i f f e r e n ta m o u n t so fw a t e rj a c k e t h e a tp i p e s ad i f f e r e n ti m p e l l e rs p e e d d i f f e r e n tw a t e rf l o wc o n d i t i o n si nh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a tja c k e th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f i i i 9 7 9 9 3k j m 2 h f o u rh e a t p i p e s h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f4 2 7 0 9 5 k j m 2 h f o u rh e a tp i p e sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sm u c hh i g h e rt h a nt h ew a t e r ja c k e t t h em o r eh e a tp i p e st h eb e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e a l o n gw i t ht h e i m p e l l e rs p e e di n c r e a s e s h e a tp i p ei m p r o v e sh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n dt h e i m p e l l e rp r o d u c e sh e a ti sa l s oi n c r e a s i n g f o u rh e a tp i p e sf a l lf r o m5 2 t o3 4 f o ra tl e a s tt i m e c o n s u m i n gu n d e rt h ei m p e l l e ri ns p e e d5 0 0 r m i n w i t ht h ei n c r e a s e d o fc o o l i n gw a t e r f l o w i n g t i m e c o n s u m i n gi ss h o r t e r s t u d y i n gb yc o l dm o d o lt e s th a d b e e nf o rh e a tp i p e ss e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o rd e s i g n i n g i m p r o v e m e n t p r o v i d i n gt h e b a s i sf o ra m p l i f i c a t i o n i tu s e d s e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o r f o r y e a s t f e r m e n t a t i o no fh e a tt r a n s f e r e x p e r i m e n t sa n de s t a b l i s h e dam e t h o do fm e a s u r i n gy e a s tf e r m e n t a t i o nh e a t i th a d b e e nm e a s u r e dh e a tf o rt h ey e a s tf e r m e n t a t i o nw h i c hw a s2 0 5 10 4 k j m 3 h t h e h e a tp i p e sh e a te x c h a n g es y s t e mh a db e e nu s e df o rt h ey e a s tf e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e c o n t r o le x p e r i m e n t sw h i c hh a db e e nc o m p a r e dw i t hu s i n gt h ew a t e rja c k e th e a t t r a n s f e re x p e r i m e n t s 5b a t c h e so f e x p e r i m e n t sw e r es h o w e dt h a ty e a s tc u l t u r eg r o w t h c u r v ea n dt h et o t a lc o n c e n t r a t i o no f y e a s th e a tp i p e sh e a te x c h a n g e rb e t t e rt h a nw a t e r ja c k e t m o r ec o n d u c i v et oy e a s tf e r m e n t a t i o n t h eb i o m a s sh a db e e nm e a s u r e d2 4 h o u r sl a t t e rt h ef o r m e rw a s1 3 3 6 9 l w h i c hw a s1 4 1 2 9 l u s i n gh e a tp i p eh e a t e x c h a n g e rt h a nt h ew a t e rj a c k e tt om a k ey e a s tb i o m a s si n c r e a s e d5 6 9 t h o s e e x p e r i m e n t sw i t hh e a tp i p e sh e a te x c h a n g e ra p p l i c a t i o ni ny e a s tf e r m e n t a t i o ni n d u s t r y w e r ef e a s i b l ea n dw h i c h p r o v i d e dt h es t r o n g e s te v i d e n c e k e y w o r d s h e a tp i p e s e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o r y e a s tf e r m e n t a t i o n i v 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 第一章文献综述 l 1 1 酵母发酵概述 1 1 1 1 酵母发酵工业概况 一1 1 1 2 酵母发酵过程 2 1 1 3 酵母产品应用 4 1 2 自吸式发酵罐 5 1 2 1 自吸式发酵罐特点 5 1 2 2 自吸式发酵罐应用 一6 1 3 传统换热装置存在的问题 7 1 4 热管技术与应用 8 1 4 1 热管结构及工作原理 8 1 4 2 热管主要特点 9 1 4 3 热管应用及研究进展 1 0 1 4 4 热管生物反应器的研究 1 3 1 5 课题的提出及研究内容 1 5 1 5 1 研究目的及意义 1 5 1 5 2 研究内容 1 5 第二章热管选型与传热理论 1 6 2 1 自吸式发酵罐热管的选型 1 6 2 1 1 工作液体的选择 1 6 2 1 2 管壳材料的选择 18 2 1 3 热管管径的计算 18 2 1 4 热管计算与选型结果 1 9 2 2 热管发酵罐的传热过程 2 0 2 3 酵母发酵过程产生热量估算 2 2 2 3 1 由糖代谢计算 2 2 2 3 2 由氧消耗测定 2 3 2 4 传热计算 2 3 2 4 1 传热的基本方程 2 3 2 4 2 夹套传热系数 2 4 2 4 3 热管传热系数 2 7 2 5 本章小结 2 8 第三章自吸式发酵罐传质性能研究 2 9 3 1 自吸式发酵罐工作原理 2 9 3 2 实验流程与设备 3 0 3 2 1 实验流程 3 0 3 2 2 实验设备与仪器 3 2 3 3 自吸式反应器特性参数的测量 3 2 3 3 1 临界转速的测量 3 2 3 3 2 吸气速率的测量 3 2 3 3 3 整体气含率的测量 3 3 3 4 实验内容及结果讨论 3 4 3 4 1 临界转速的实验研究 3 4 3 4 2 吸气速率的实验研究 3 6 3 4 3 整体气含率的实验研究 3 7 3 5 本章小结 3 8 第四章自吸式发酵罐传热冷模实验 4 0 4 1 仪器设备 4 0 4 2 实验装置 4 0 4 3 操作条件与实验方法 4 1 4 3 1 操作条件 4 1 4 3 2 实验方法 4 2 4 4 实验结果与讨论 4 3 4 4 1 夹套和热管换热性能比较 4 3 4 4 2 三根热管和四根热管换热的性能比较 4 7 4 4 3 不同叶轮转速下热管换热的性能比较 4 9 4 4 4 不同通水量下热管换热的性能比较 5 0 4 5 本章小结 5 1 第五章热管自吸式发酵罐酵母发酵实验 5 2 5 1 材料与方法 5 2 5 1 1 实验材料 5 2 5 1 2 实验方法 5 3 5 2 结果与分析 5 6 5 2 1 酵母发酵热的测定 5 6 5 2 2 酵母生长曲线对比 5 7 5 2 3 温度与酵母生长的关系 5 9 5 2 4 生物量的对比 6 0 5 3 本章小结 6 0 第六章结论与展望 6 2 6 1 结论 6 2 6 2 展望 6 2 6 3 论文创新点 6 3 参考文献 6 4 成果 一6 8 致谢 一6 9 i i 硕士学位论文 1 1 酵母发酵概述 1 1 1 酵母发酵工业概况 第一章文献综述 酵母是一种可食用的 营养丰富的单细胞微生物 它与人类日常生活和工业 应用有着广泛密切的联系 酵母也是人类利用最早 应用范围最广 当前人类直 接食用量最多的一种微生物 早在公元前3 0 0 0 年 人类开始利用酵母来制作发酵产品 从最初利用啤酒 酵母泥作为商品在市场上销售至今 酵母生产作为一个产业的发展已有2 0 0 余年 的历史 酵母在食品工业 医药工业和畜牧业中都已取得了长期而广泛的应用 目前 世界上酵母工业已形成了独立的产业体系 1 9 9 6 1 9 9 7 年度世界酵母 总产量已达3 0 0 万t 其中面包酵母8 0 万t 包括鲜酵母和活性干酵母 食用 酵母 药用酵母及饲料酵母2 0 0 万t 其余少量为微量元素酵母以及其他特种酵 母 酵母生产呈高度集中和专业化 世界五大酵母公司占世界酵母市销售额的 5 6 7 1 1 9 9 6 年这五大公司及市场销售份额 法国s t l a s a f f r e 2 0 3 0 澳 大利亚b u r n sp h i l i p s 1 0 1 2 荷兰g i s t b r o c a d e s 1 0 1 2 美国u n i v e r s a lf o o d s c o r p o r a t i o n 1 0 1 2 加拿大l a l l e m a n dt e c 4 5 随着酵母工业的发展 酵 母成分利用的工业也发展起来 欧美国家对酵母抽提物的开发利用约有七十多年 历史 目前酵母抽提物的生产和销售已形成了相当大的规模 国际市场上以酵母 抽提物为基料制成的调味料主要有美国y e a s te x t r a c t 系列产品 法国酵母自溶物 产品 澳大利亚o h l y 酵母精 日本酵母调味料系列产品等 我国酵母工业化生产始于1 9 2 2 年 由上海大华利卫食料厂首家生产压榨面 包酵母 至今已有8 0 多年的历史 2 0 世纪8 0 年代以来 中国酵母工业取得了 跨越式发展 拥有了畅销全球的自主创新品牌 酵母产品的研究 生产和应用达 到了国际先进水平 我国现有高活性干酵母生产企业1 0 余家 鲜酵母生产企业 4 家 1 9 9 0 2 0 0 1 年 我国酵母年均增长率为2 1 5 2 0 0 2 年我国酵母总产量约 1 0 万吨左右 中国发酵工业协会酵母分会统计 其所属企业生产的各类酵母产 量为 高活性干酵母 2 2 0 0 0 t 药用干酵母 7 0 0 0 t 酵母抽提物 7 0 0 0 t 微量 第一章文献综述 元素酵母 3 0 t 其它功能性酵母 1 0 0 0 t 1 9 9 0 2 0 0 0 年期间 虽然生产企业数 量减少了一半 但总产值增长了5 倍以上 企业利润大幅度增加 中国已成为全 球重要的酵母生产国和供应国 目前我国生产酵母的国有企业主要有湖北安琪酵 母公司 广东丹宝利酵母公司 中澳合资的梅山 马利酵母公司和哈尔滨 马利酵 母公司等 我国酵母工业在迅速成长壮大的同时 生产企业正在由小变大 由多 变少 商品品牌日趋集中 生产技术和装备水平稳步提高 利润大幅增加 企业 正在向着专业化 大型化 集团化方向发展 酵母工业在我国有着广阔的发展前 景 今后不仅在国内食品工业和饲料工业等领域的应用将会进一步扩大 而且具 有一定的出口潜力与国际竞争力 1 1 2 酵母发酵过程 酵母为兼性微生物 在有氧呼吸或无氧发酵条件下都能生长 有氧存在时 会诱导能量代谢由发酵向呼吸转化 酵母的这种代谢转换 被称之为 巴斯德效 应 这种效应提高了能量的利用率 使之能合成较多的酵母细胞 发酵工业上 利用酵母进行生产的产品可以分为两类 一类是厌氧发酵 其产品是酵母的代谢 产物 如酒精 各种酒类及甘油发酵等 另一类是耗氧发酵 其产品是酵母细胞 或细胞组成成分 如面包酵母 商用酿酒酵母 药用酵母 食用酵母和饲用酵母 等 这两类生产的本质是相同的 都是利用酵母菌的代谢作用进行能量转换 以 异化作用所释放的能量给蛋白质和其它物质的生物合成 达到细胞增殖和生成代 谢产物的目的 酵母菌生产繁殖过程中所需要能量主要来自糖类的分解代谢 在有氧或无氧 条件下酵母菌转变葡萄糖等己糖形成代谢产物并释放生物合成能量 酵母菌的呼 吸作用间彼此相互作用 成为酵母糖代谢的自我调节措施 主要巴斯德效应 克 雷布特效应 卡斯特效应 反巴斯德效应 呼吸商r q 是发酵过程中氧的消耗与 二氧化碳生成比速的商 是微生物生理特性的重要数据 对了解代谢途径和产物 积累很有意义 在酵母发酵过程中 不同的呼吸商代表不同的代谢状况甚至不同 的代谢途径 r q i 0 积累乙醇 o 9 r q i 0 呼吸生长 o 7 r q 0 8 内源呼吸 r q 0 6 乙醇被利用 1 1 2 1 无氧代谢 1 e m p 途径 2 硕士学位论文 酵母的发酵作用是指在无氧条件下酵母发酵己糖 主要是葡萄糖 果糖 甘 糖 半乳糖 生成酒精 二氧化碳 同时获得能量的过程 整个过程是经由酶催 化的十多步反应而完成的 其中由葡萄糖形成丙酮酸的过程称e m p 途径 是生 物细胞分解糖的不需氧阶段 葡萄糖经e m p 途径降解成丙酮酸的总反应式为 c 6 h 1 2 0 6 2 n a d 2 h 3 p 0 4 2 a d p 一2 c h 3 c o c o o h 2 n a d h 2 a t p 反应中生成的辅酶n a d h 不能积存 必须重新氧化为n a d 后 才能继续反 应 n a d h 重新氧化的方式随不同的发酵条件而异 酵母菌在无氧条件下 如 以醛为受氢体 即为酒精发酵 如以磷酸二羟丙酮为受氢体 即为甘油发酵 在 有氧条件下 n a d h 经呼吸链氧化 同时由电子传递磷酸化生成a t p 此时0 2 分子为受氧体 2 酵母菌的酒精发酵 在无氧条件下 酵母菌中的丙酮酸脱羧酶氧化丙酮酸脱羧形成乙醛和c 0 2 c h 3 c o c o o h c h 3 c h 0 c 0 2 乙醛在乙醇脱氢酶的作用下 被n a d h 还原为乙醇 c h 3 c h o n a d h c h 3 c h 2 0 h n a d 酵母菌酒精发酵的机理总反应可表示如下 c 6 h 1 2 0 6 2 a d p 2 h 3 p 0 4 2 c 2 h 5 0 h 2 c 0 2 2 a t p 经测定 发酵每摩尔葡萄糖释放出2 3 4 5 k j 自由能 而被生物利用的仅为积 集到a d p 中的2 m o l a t p 每摩尔a t p 水解成a d p 时 能放出3 3 5 k j 的自由能 由此可知 酵母菌发酵作用的能量利用率为2 8 6 其余7 0 多的能量以热的形 式释放到发酵液中 1 1 2 2 有氧代谢 1 t c a 循环 对绝大多数酵母来说 有氧代谢是细胞生命活动所需能量的主要来源 其个 过程是葡萄糖经e m p 途径形成丙酮酸后 在有氧条件下再形成乙酰辅酶a 随 后进行入t c a 循环彻底氧化成c 0 2 和水 丙酮酸 n a d c o a s h 一乙酰c o a c 0 2 n a d h 乙酰c o a 2 0 2 1 2 a d p 1 2 h 3 p 0 4 2 c 0 2 h 2 0 1 2 a t p c o a s h 葡萄糖经e m p 途径和t c a 循环彻底氧化生成c 0 2 和h 2 0 的全部过程为 葡萄糖 2 n a d 2 h 3 p 0 4 2 a d p 一2 丙酮酸 2 n a d h 2 a t p 第一章文献综述 2 n a d h 0 2 6 a d p 6 h 3 p 0 4 2 n a d 2 h 2 0 6 a t p 2 丙酮酸 2 n a d 2 c o a s h 2 乙酰c o a 2 c 0 2 2 n a d h 2 n a d h 0 2 6 a d p 6h 3 p 0 4 2 n a d 2 h 2 0 6 a t p 2 乙酰c o a 4 0 2 2 4 a d p 2 4 h 3 p 0 4 4 c 0 2 2 h 2 0 2 4 a t p 2 c o a s h 总反应式 c 6 h 1 2 0 6 6 0 2 3 8 h 3 p 0 4 6 c 0 2 6 h 2 0 3 8 a t p 根据试验或计算得出l m o l 葡萄糖进行有氧分解时 共释放出2 8 7 2 1 k j 自由 能 生物能利用的为1 2 7 3 0 k j 有氧代谢能量利用率为4 4 3 远比酒精发酵高 2 戊糖循环 h m p 途径 h m p 途径是酵母分解代谢葡萄糖的另一个重要途径 也是酵母发酵葡萄糖 的修补途径 总反应式如下 c 6 h 1 2 0 6 6 0 2 3 5 h 3 p 0 4 6 c 0 2 6 h 2 0 3 5 a t p 其能量利用率为4 0 8 接近t c a 循环 1 9 5 8 年有人用同位素研究葡萄糖 通过不同途径的比例 得出啤酒酵母 s c e r e v i s i a e 在有氧条件下生长时 1 2 的葡萄糖是通过h m p 途径 其余为e m p 途径 1 1 2 3 酵母细胞的生物合成 由糖类制成酵母的生物化学反应很复杂 反应依靠一系列酶的催化作用 己糖合成酵母蛋白的反应可简写为 3 c 6 h 1 2 0 6 3 n h 3 5 2 5 0 2 c 1 2 h 2 0 n 3 0 4 1 2 h 2 0 6 c 0 2f 上述反应仅简单表示酵母蛋白生物合成的主要过程 酵母蛋白也不是真正的 分子式 仅表示酵母蛋白主要元素的大致比例 此外有7 的蛋白质被消耗掉 作为代谢物排泄到发酵液中 酵母非蛋白物质如维生素 脂肪 聚糖等碳水化合物 其反应亦相当复杂 可简单表示为 2 n c 6 h 1 2 0 6 i 1 2 2 n 0 2 c 6 h 1 0 0 5 n 7 n h 2 0 6 n c 0 2f 1 1 3 酵母产品应用 酵母在国民经济中有着广泛的应用 可用作酿酒 制作面包以及制造饮料等 等 引 由酵母生产的燃料乙醇被看作最有希望的可再生 相对环保型替代能源之 一 3 1 酵母是一种单细胞蛋白 含蛋白质5 0 左右 氨基酸含量齐全 富含b 族 4 硕士学位论文 维生素 还有丰富的酶系和多种经济价值很高的生理活性物质 如一些结构复杂 的生化药物和生化试剂产品 辅酶a 辅酶i 辅酶q 细胞色素c 凝血质 谷胱甘肽 卵磷脂 麦角固醇和核糖核酸等 因此它是一种很有应用价值的微生 物 利用酵母生产的酵母抽提物 不仅富含8 种人体必需氨基酸 多肽 核苷酸 b 族维生素 有机酸 碳水化合物和人体必需的1 4 种矿物质等营养成分 4 j 而 且呈味性 着色性极好 可以用于替代味精 酱油等调味制品 所以酵母抽提物 是一种新型的天然调味剂和调色剂 酵母抽提物除在食品工业应用外 也可作为 原料大量用于发酵工业和医药工业等 作为微生物生长原料和发酵培养基 酵母 已成为世界上研究最多的微生物之一 是当今生物技术产品研究开发的热点和现 代生物技术发展 基因组研究的模式系统 1 2 自吸式发酵罐 1 2 1 自吸式发酵罐特点 自吸式发酵罐是一种具有自吸气功能的适用于好气发酵的发酵罐 它装有一 种特殊设计的机械搅拌装置 当这种搅拌器转动时 紧密贴在桨底的导气管可借 桨叶排出液体时所产生的局部真空把大气中空气经过滤后吸入罐内 自吸式发酵罐与通用发酵罐的主要区别 1 前者有一个特殊的搅拌器 有 的搅拌器由转子和定子组成 有的由循环泵与喷射器构成 后者的搅拌器是由多 层各式搅拌桨叶构成 2 前者通气供氧方式以自主吸气为主 大规模酵母发酵 时 也采用外加鼓风机和自吸气共同供气的方式 后者往往依靠空气压缩机系统 供风 3 自吸式发酵罐的搅拌转速较通用式高 所以它消耗的功率不一定比通 用式小 实际工业生产上 由于节约了空气压缩机所消耗的大量动力 对于大风 量的发酵 总的动力消耗前者比后者大大减少 自吸式发酵罐的优点 1 发酵过程中溶氧利用率高 自吸式发酵罐空气 利用率可达5 0 生产每1 k g 酵母固形物所需要的空气大约为鼓泡式发酵罐的 2 5 3 0 2 严格意义上的自吸式发酵罐不需要罗茨风机 因此耗电量也较 小 3 减少工厂建设所需面积 可以减少空压机房建设用地 4 由于自吸式 发酵罐溶氧高 相对生产酵母的发酵浓度也高 这样在设计相同生产能力的酵母 工厂时 发酵设备投资可以减少3 0 左右 第一章文献综述 自吸式发酵罐的缺点 1 由于自吸式发酵罐底部有较多的机械装置 尤其 是底部的机械密封 需要特殊的材料 因此维修复杂 特别是在生产过程中出现 故障 较难排除 2 由于自吸式发酵罐相对于鼓泡式发酵罐较难清洗 进罐空 气处于负压 在生产过程中 易出现染菌 因此必须配备低阻力损失的高效空气 过滤系统 这类罐搅拌转速甚高 有可能使菌丝被搅拌器切断 影响菌体的正常 生长 所以在抗生素发酵上较少应用 代表世界上自吸式发酵罐最先进技术的公司有两家 一家是奥地利奥高布苏 公司 v o g e l s u s c h 一家是德国菲林氏公司 f r i n g s 下表1 l 是这两家公司两种 自吸式发酵罐相关参数的比较 5 1 表1 1 不同自吸式发酵罐相关参数比较 t a b 1 1c o m p a r i s o ns e v e r a ls e l f a s p i r a t i n gf e r m e n t o r sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s 从上表可以看出自吸式发酵罐与鼓泡式发酵罐相比 前者具有节能降耗 酵 母产量高等特点 自吸式发酵罐在酵母发酵等工业中具有较大的商业价值 1 2 2 自吸式发酵罐应用 自吸式发酵罐在2 0 世纪5 0 年代开始研究 最初应用于醋酸生产 后来广泛 应用于酵母发酵 葡萄糖酸钙 蛋白酶生产等 2 0 世纪6 0 年代开始用于酵母发 酵 目前在酵母生产上多用于饲料酵母及药用酵母生产 自2 0 世纪8 0 年代开始 用于活性酵母的生产 我国自2 0 世纪7 0 年代开始研制自吸式发酵罐 在医药工 业和酵母工业等方面取得了显著的效果 自吸式发酵罐可用于生产药用酵母 饲 料酵母 活性干酵母 液体曲 谷氨酸 柠檬酸 维生素 酶制剂 食用醋 赖 氨酸等 硕士学位论文 1 3 传统换热装置存在的问题 目前生物反应器传热装置一般均采用夹套 蛇管 列管 罐外壁喷淋等传热 方式 这些方式存在着一些不足之处 1 调控温度不灵敏 在传统搅拌式生物反应器中 由于气泡冲击液固边界层的作用 反应器介质 中热端的给热系数虽然较高 但介质中冷端给热系数很低 致使总传热系数与传 热速率均低 而难以实现按工艺要求进行动态地灵敏调节温度 2 换热面积较大 生物反应器反应温度较低 一般在3 0 4 0 c 之间 而细胞代谢过程一般要产 生大量的热量 通常需要驱除的反应器反应热为6 l o k w m 3 高峰期达4 0k w m 3 6 1 反应热的驱除是生物反应器设计者需要解决的问题 由于发酵液与常用的冷 却水的传热温差较小 而传统的这些依靠传热介质的显热改变而进行的给热传热 方式传热系数均较小 为保证足够的传热量 这些反应器就必须具有很大的换热 面积 而大型换热器的制造费用高昂 一般要占反应器制造成本的一半以上 3 冷却水用量大 由于反应热大 传热温差小 传热系数低 依靠水的焓差转移的热量不大 因而传统搅拌式生物反应器为控制温度需要大量冷却水 我国水资源缺乏 而冷 却水的循环使用也将引起材料的腐蚀及生产成本的增加 大量的废水也将引起严 重的社会和环境问题 4 反应器内温度分布不均匀 反应器特别是大型反应器内温度均匀分布的问题难以解决 由于在发酵过程 中 活性细胞和酶对温度敏感 反应器内温度传感器所测的周围温度可能适合细 胞和酶的生长和反应 但反应器内其他局部区域存在的温度偏高或偏低将可导致 菌体活性降低 严重的乃至死亡p j 酵母发酵会产生大量的热 这些热量必须要经过循环水冷却降温 才能使发 酵温度控制在酵母正常生长范围之内 发酵罐本身降温装置有不同形式 如夹套 降温 板式换热器降温和金属盘管降温等 但不管如何 都需要通入循环冷却水 降温 通常情况下 循环水经过发酵罐的降温装置将发酵罐的热量带到循环水中 循环水则通过循环水塔的风机强制将循环水的热量带走 使循环水温度降低 然 第一章文献综述 后返回到发酵罐的循环降温装置 反复被使用 因此 循环冷却水装置的核心设 备就是循环水塔 大多酵母厂都选循环冷却水作为酵母发酵降温冷媒 但也有酵 母厂选择冷冻机会产生液氨作为冷却降温的冷媒 其效果虽然不错 但安全要作 为一个重要因素加以考虑 用液氨作为冷媒降温装置一般在气候炎热的南方工厂 采用 氨直冷 技术在酵母贮罐控温和扩培罐控温等已广泛应用 但氨是危险 化学品 如果使用不当会对人体及产品造成危害 8 一般外置板式换热器的发酵 罐降温多用循环泵 在一般的工况条件下 板式换热器 9 换热系数也可以在 3 0 0 0 4 0 0 0w m 2 左右 板式换热器的缺点是工作压力和工作温度不能很高 限制了其在较为复杂工况中的使用 同时由于板片通道较小 也不适宜用于杂质 较多 颗粒较大的介质 且易泄漏 成本高 使用循环泵将醪液泵出罐外换热需 要消耗很大的电力 在强调高效 环保 节能的今天 这种换热的缺陷尤为明显 上述传热方面的问题限制了传统搅拌式生物反应器在一些领域内的应用 也 使得使用这些反应器的很多传统生物技术产业达不到最优操作而难以发展 所以 探索在反应器中采用新型传热元件 改善传热过程 强化传热以提供温控性能优 良 适宜生物反应的反应器 将对促进生物技术发展产生重大作用 1 4 热管技术与应用 1 4 1 热管结构及工作原理 1 4 1 1 热管结构 热管是一种同时运用沸腾与冷凝相变传热的高效换热元件 传热过程中 由 于冷凝液滴状流动 气泡的湍动以及很高的相变潜热 故产生的热阻很小 热流 强度很大 其导热系数可达到铜的几百倍甚至上千倍 热管主要由密封管 吸液芯及蒸汽通道三部分组成 将管内不凝气体除去 抽成负压 管内壁附着有毛细作用的多孔材料制成的吸液芯 充入工质后 密封 该金属管贝 w j n 成热管 随着生产发展的要求 热管的结构也在不断地改善 它的改进主要体现在热 管毛细芯的结构改进 如k a t z o f f 1 0 发明了有干道的热管 大大地提高了热管的 传输能力 七十年代 y u m e r b i e n e r t 1 1 1 2 1 提出了用可变热导热管来实现恒温控 制 g r a y 1 3 研究了一种新型热管 旋转热管 可用来冷却旋转物体 这些发明都 硕士学位论文 是热管技术的重大进展 其次热管也可以根据使用条件制成同心管形 平板形等 各种几何形状以及使用氢 氖 丙酮 水 汞 钾 钠 银等不同工作介质制成 在4 2 3 0 0 k 范围内工作的热管 由于热管结构的不断改进及新型热管的开发使 得热管使用范围的扩展 1 4 1 2 热管的工作原理 热管的工作原理 见图1 1 热管沿轴向分为蒸发端 绝热端 冷凝端 蒸 发端从管外热源吸收热量并传给管内毛细材料中的液相工质 并使其蒸发 冷凝 端将气相工质冷凝并把热量传给管外的冷源 同时液体再沿多孔材料靠毛细力的 作用流向蒸发端 如此循环不己 热量由热管的一端传至另一端 当热源和冷源 隔开时 绝热端的管内工质和外界不作热量传递 图1 1 热管工作原理不意图 f i g 1 is k e t c hm a po fw o r k i n gp r i n c i p l eo fh e a tp i p e 1 4 2 热管主要特点 1 优良的响应性 热管内部压力很小 当蒸发端受热后蒸汽就以近似于 该温度下的音速前进 2 良好的导热性能 由于热管主要靠工质相变吸收和释放汽化潜热进行 传热 热管的当量导热系数是紫铜的数倍至上百倍 液态金属热管当量导热系数 可达紫铜的上千倍 以单位重量材质计 热管比金属可多传递几个数量级的热量 大多数工质汽化潜热很大 仅较小的蒸发量就可传输较大的热量 而且热管可在 很小的温度降下传输热 冷源之间较高的热量 因此热管有热超导体之称 张亚 平 1 4 等对热管性能的实验研究表明 只有当速度场 温度场和重力场协同时 热 管才具有最佳传热能力 3 良好的等温性 热管的表面温度分布