论文部分内容阅读
随着食醋用途的扩展,市场对食用醋的需求量越来越大,这促进了食醋发酵工业的发展。食醋工业中的液态发酵法占据重要位置,本文即采用此法进行实验,获得了三条发酵动力学曲线。本文对此发酵过程进行了纵深研究,应用了自吸式发酵设备和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法。将醋酸菌在自吸式发酵罐中的发酵过程与CFD结合,对醋酸菌发酵代谢过程进行可视化模拟,获得了菌体、发酵底物及产物在特定设备中随时间变化的云图。 采用分批液态发酵方法对许氏醋酸杆菌进行培养,测定了菌体生长的OD值、酒精浓度、醋酸浓度等随时间变化的规律。将这三条实验曲线进行拟合,得到了菌体生长动力学曲线、底物酒精的消耗动力学曲线和产物醋酸的生成动力学曲线。由于这三条曲线描述了醋酸菌在特定条件下的发酵规律,不具有普适性,故将三条曲线进行数学处理,转化成了具有普适性的菌体质量增长曲线,酒精质量消耗曲线和醋酸质量增长曲线。 采用CFD方法中的标准k-ε模型对发酵设备中的液相流动进行描述,并耦合相间传质的数学模型对三条质量动力学曲线进行模拟,获得了曲线随时间变化的云图及自吸式反应器内流体流动情况、空气在液相中的分布情况等。云图展示了自吸式反应器的内部发酵细节,例如菌体的分布、溶解氧的分布、产物的分布等等。模拟之目的在于对发酵工艺及设备改进提供一种有价值的参考。 结果显示,菌体质量变化曲线模拟值与实验值的平均误差为9.9%,酒精质量变化曲线模拟值与实验值的平均误差为11.2%,醋酸质量变化曲线模拟值与实验值的平均误差为6.8%。从误差可以看出,用模拟的方法对发酵细节进行探索是可行的。随着模拟技术的发展,模拟与实验将会协同创新,逐步结成相得益彰的关系。 综上,本文从实验的整体角度和CFD模拟的局部角度对液态醋酸发酵进行了探索,为类似的气液两相流动及相间传质行为提供了一种研究方法。