Biologische Gärung bezieht sich den auf Prozess der Anwendung von Organismen (normalerweise Mikroorganismen oder Zellen) um Rohstoffe in menschliche Produkte durch spezifische metabolische Bahnen unter geeigneten Umständen umzuwandeln. Diese nützlichen Stoffwechselprodukte, Proteinausdruckprodukte und andere Produkte sind auf der Pharmaindustrie, der Lebensmittelindustrie, der Energiewirtschaft, der chemischen Industrie, der Landwirtschaft und anderen Gebieten weitverbreitet, und sind von People's Daily lebt untrennbar. In der biologischen Gärungstechnik wie man effektiv die Laborforschungszustände verstärkt und sie direkt an der Produktion ist immer gewesen ein Problem anwendet, das die Anwendung der biologischen Gärung beunruhigt. Wegen der vielen Beeinflussungsfaktoren von biologischen Reaktionen, ist die Reaktion innerhalb des Fermenters eine geschlossene Reaktion. Wie effektiv ist Steuerparameter, damit der Verstärkungsprozeß nicht hat, eine Auswirkung auf den biologischen Gärungsprozeß immer ein Fokus der Forschung in der biologischen Gärungsindustrie gewesen. Während des Verstärkungsprozesses der biologischen Gärungsreaktion, der Flussstaat innerhalb der Behälteränderungen erheblich mit dem Anstieg des Volumens. Änderungen im Strömungsfeld können zu Änderungen in einer Reihe von Parametern wie Temperatur und aufgelöstem Sauerstoff, mit dem Ergebnis der Änderungen im gesamten Reaktionssystem auch führen. Der Artikel kurz organisiert und stellt die Beeinflussungsfaktoren und die entsprechendes Steuerparameter der biologischen Gärungsprozessverstärkung vor und stellt Hinweis für Parameterauswahl im tatsächlichen biologischen Gärungsverstärkungsprozeß bereit.
Faktoren, welche die Verstärkung des biologischen Gärungsprozesses beeinflussen
1,1 Stoffübergang und Mischen
Stoffübergangprozeß ist der Prozess der materiellen Übertragung, und Stoffübergangtätigkeiten im biologischen Gärungsprozeß treten gleichzeitig mit biologischen Reaktionen auf. Die hauptsächlichstoffübergangprozesse werden in Gas-Flüssigkeitsabsorption und flüssigen Stoffübergang unterteilt. Die Übertragung von Substanzen im Flüssigphasen liegt an der Wirbeldiffusion hauptsächlich, die durch die rührenden Paddel des biologischen Fermenters angetrieben ist. In der allgemein verwendeten biologischen Gärungskultur ist Stoffübergangprozeß sehr wichtig. Guter Stoffübergang kann den notwendigen Sauerstoff, die Nährstoffe und die Stoffwechselprodukte für Mikroben- und Zellkultur und Entwicklung sicherstellen. Der volumetrische aufgelöste Sauerstoffkoeffizient ist der wichtigste Faktor, der Stoffübergang beeinflußt, aber wegen des komplexen Strömungsfelds innerhalb des biologischen Fermenters, gibt es viele Beeinflussungsfaktoren und macht ihn schwierig, den volumetrischen aufgelösten Sauerstoffkoeffizienten zu analysieren.
Ein anderer Schlüsselparameter, der direkt die Verstärkung des biologischen Fermenterprozesses beeinflußt, ist der Beimischvorgang. Das allgemeine biologische Gärungsreaktionsmischen umfasst das Flüssigkeitflüssigkeitsmischen, die mischende Festflüssigkeit, das Gas-Flüssigkeitsmischen und das feste Gas-Flüssigkeitsdreiphasenmischen. Wegen der Zunahme des Volumens des Fermenters und der Zunahme der Gärungsprodukte und der Rohstoffe, ist das Mischen innerhalb des Behälters ungleich. Zum Beispiel ist das Mischen von Substanzen an der Spitze des Fermenters verglichen mit der Unterseite verhältnismäßig schwieriges. Das Mischen von verschiedenen Substanzen im Fermenter wissenschaftlich erhöhen kann die Leistungsfähigkeit der biologischen Gärung verbessern.
1,2 Ausschnitt
Die traditionelle Ansicht ist, dass die Erhöhung der rührenden Rate des biologischen Fermenters Stoffübergang und das Mischen während des Gärungsprozesses erhöhen kann. Jedoch mit ausführlicher Forschung, ist es gefunden worden, dass viele biologischen Gärungsausfälle durch übermäßige Scherkraft auf dem Zielmaterial der biologischen Gärung verursacht werden und zu Mikroben- und Zellschaden führen. Zum Beispiel in einem Mikrobengärungssystem, kann übermäßige Scherkraft Schaden zum Wachstum des bakteriellen Körpers verursachen; Niedrige Scherkraft ist nicht förderlich, zu sprudeln Bruch und beeinflußt die Leistungsfähigkeit der Luftausbreitung. Wie man wissenschaftlich das Mischen von verschiedenen Substanzen in der Fermenter- und Steuerscherbeanspruchung innerhalb eines annehmbaren Bereiches für Mikroorganismen und Zellen ist ein wichtiger Faktor im Gärungsverstärkungsprozeß erhöht.
1,3 Wärmeübertragung
Temperatur ist auch ein wichtiger Faktor im biologischen Gärungsprozeß. Die Temperaturüberwachung von biologischen Fermentern wird hauptsächlich durch die Jackenschicht erzielt. Jedoch als das Volumen innerhalb der großen biologischen Fermenterzunahmen, die Fläche pro Einheit von Heizungsabnahmen. Deshalb beeinflußt die Leistungsfähigkeit der Wärmeübertragung direkt die Produktions-Leistungsfähigkeit von biologischen Gärungszielsubstanzen.
1,4 andere Faktoren
Es gibt andere Faktoren im Verstärkungsprozeß von biologischen Fermentern, die den Gärungsprozeß, wie die Parameter der Luftanreicherung beeinflussen können, Fütterungsgeschwindigkeit, und von Beispieleinlasseinstellung, der den Gärungsprozeß ganz beeinflussen kann. Die Schuld, zum von Beschränkungen, Produktionsart biologische Fermenter zu verarbeiten kann die Konzentration von verschiedenen Substraten, von Produkten und von Stoffwechselprodukten in der Realzeit wie dem biologischen Gärungsprozeß im Labor nicht ermitteln. Deshalb ist es entscheidend, die Geschwindigkeit und die Quantität der Fütterung und der Aufnahme wissenschaftlich zu entwerfen. Gleichzeitig ist es notwendig, die offensichtliche Gasgeschwindigkeit umfassend zu betrachten, damit materielle Anreicherung und Luftanreicherung das Phänomen „der flüssigen Überschwemmung“ vermeidet.
2 Schlüsselsteuerparameter von biologischen Gärungsprozessmethoden
2,1 Mischen
Der allgemein verwendete mischende Modus von gerührten biologischen Fermentern ist die Rotation des rührenden Paddels, zum des Mischens der gesamten Gärungsflüssigkeit zu fahren. Die Steuerung des Fermenters Parameter rührend wird hauptsächlich durch Geschwindigkeitsregelung erzielt. Geschwindigkeitsregelung sollte die Geschwindigkeit, zu erhöhen und mischende Leistungsfähigkeit zu verbessern nicht nur erwägen, aber steuert auch die Geschwindigkeit innerhalb eines angemessenen Bereiches. Übermäßige Geschwindigkeit kann zu erhöhte Hitzegeneration, erhöhte Scherkraft auf Zellen und Gärungsausfall führen. Darüber hinaus hat Forschung gefunden, dass das Flussmuster des Gärungsvolumensystems, die Auswahl des Rührens von Paddeln und der Durchmesser die Leistungsfähigkeit der biologischen Gärung ganz beeinflussen können. Bei umfangreicher biologischer Gärung zusätzlich zur Drehzahl, ist die Auswahl des Rührens der Paddelart und der räumlichen Position auch sehr wichtig. Es ist notwendig, die passende rührende Paddelart zu wählen, die auf den flüssigen Eigenschaften des Kulturmaterials basiert. Z.Z. ist eine Kombination der axialer Strömung und der Radialflusspaddel allgemein verwendet, die flüssigen Mikrofluß und Makroströmungsfelder kombiniert, um den Grad an Material zu verbessern mischend im gesamten biologischen Gärungssystem. Das mischende Paddel nimmt im Allgemeinen eine untere Abflussart an und eine obere Art der axialen Strömung, die effektiv garantieren kann, dass die Nährstoffe der Spitze werden schnell verteilt auf die Unterseite des Behälters unter der Aktion des Schlamms der axialen Strömung hinzufügten, und die Luft, die zur Unterseite des Behälters eingeführt wird, kann auch zügig zerstreut werden und die Gesamtzirkulation und den Fluss des gesamten Behälters sicherstellen und eine passende Umwelt für die gesamte Mikrobengärung bereitstellen.
2,2 Temperatur
Der biologische Fermenter ist im Allgemeinen bei ℃ 26~37 abhängig von der Art von den Bakterien, die kultiviert werden, während die Bearbeitung möglicherweise von speziellen Bakterien bei ℃ 65 ist. Während des Verstärkungsprozesses des Gärungsprozesses, macht das Temperaturfeld innerhalb des gesamten Fermenters signifikante Veränderungen durch. Im kleinräumigen und in den Erprobungsphasen, die zum kleinen des Behälters passend sind, ist das Temperaturfeld verhältnismäßig einheitlich. In der Produktionsart Fermenter, werden die Temperaturfühler des Fermenters normalerweise in den untereren Teil des Behälters, mit einer Länge von 100mm verteilt, und das tränkende Teil in der Gärungsflüssigkeit ist 50-60mm. Die Heizung und die Kühlverfahren von biologischen Fermentern werden normalerweise durch eine Jackenwasserschicht durchgeführt, also beeinflußt die Wärmeübertragungs-Leistungsfähigkeit des Fermenters direkt die Temperaturverteilung innerhalb des gesamten Behälters. Die Temperatur der Jackenwasserschicht und der Temperaturanzeigenwert des Fermentertemperaturfühlers können die Temperatur der Flüssigkeit im Fermenter nicht wirklich reflektieren. Temperaturfühler wissenschaftlich vereinbaren und Gärtemperatur wissenschaftlich einstellen basiert auf dem Wärmeübertragungskoeffizienten des Gärungssystems können die Reaktionstemperatur effektiv sicherstellen.
2,3 andere chemische Parameter
Die Steuerung von chemischen Parametern in der biologischen Gärung, wie pH und aufgelöstem Sauerstoff, kann eine Auswirkung auf die Gärungsergebnisse haben. Aufgelösten Sauerstoffparametern, in den aeroben biologischen Prozessen, Sauerstoff als Beispiel zu nehmen ist ein wichtiger Nährstoff für Bakterien. Jedoch zu seiner unteren Löslichkeit, Sauerstoff wird ein Schlüsselsubstrat für biochemische Prozesse passend. Deshalb eine ausreichende Versorgung Sauerstoff von der Gasphase zum Flüssigphasen ist beizubehalten entscheidend. In der Theorie können zunehmende Belüftung und die Erhöhung der Kulturmediumspalte die Zeit von Blasen im Kulturmedium effektiv ausdehnen und Gas-Flüssigkeitsaustausch-Leistungsfähigkeit verbessern. Jedoch werden diese Parameter auch durch die Kosten des Fermenters begrenzt, und der Grad und die Größe der Blasenstreuung können die Leistungsfähigkeit der Sauerstoffausbreitung auch beeinflussen. Deshalb ist es notwendig, verschiedene Faktoren umfassend zu betrachten und die passendste Prozessentwurfs-Verstärkungsmethode zur Verfügung zu stellen.
3. Gradeinteilung herauf Methode für biologischen Gärungsprozeß
3,1 empirische Verstärkungsmethode
Die Skalierung herauf Prozess von traditionellen biologischen Gärungsprozessen basiert größtenteils auf traditionellen empirischen Methoden. Im biologischen Gärungsprozeß können eine Reihe Parameter wie die Geschwindigkeit, Anordnung, Luftbelüftungsrate, ZufuhrStrömungsgeschwindigkeit und andere chemische Parameter der rührenden Paddel den Gärungsertrag beeinflussen. Benutzer wählen die ähnlichen Gärungsprozesse, die auf den vorhergehenden oder anderen Gärungsprozesseinstellungen basieren, und die ausgewählten entsprechenden Gärungsprozessverstärkungsparameter; Wechselweise basiert auf traditioneller Erfahrung, kann die Strömungslehre im Fermenter vorausgesagt werden, und die verschiedenen Parameter innerhalb des Behälters können beim Beibehalten ihrer relativen Positionen geometrisch vergrößert werden, um das Gärungsvolumen zu erweitern. Empirische Verstärkungsmethoden konzentrieren hauptsächlich sich auf Schlüsselparameter innerhalb des Gärungssystems, wie volumetrischer Stoffübergangkoeffizient, Einheitsvolumen-Leistungsaufnahme, Mischdauer, etc. Diese Methode ist normalerweise für einfache Verstärkung nur passend und kann die Strömungslehre und die kinematischen Eigenschaften in den Fermentern nicht effektiv voraussagen.
3,2 Verstärkungs-Methode basiert auf Computerströmungslehre
Computerströmungslehre (CFD) bezieht sich die Simulation und die auf Berechnung von flüssigen Bewegungsgesetzen in einem computer-gestützten auf mikroskopischen Gleichungen wie Stoffübergang, Impulsübertragung und Energieübertragung in Strömungsmechanik. Verglichen mit erfahrungsmäßigen biologischen Gärungsprozessentwürfen, unter Verwendung CFD-Simulationstechnik hat die Eigenschaften von Unabhängigkeit der niedrigen Kosten und der Größe, und ist auf dem Gebiet der flüssigen Technik weitverbreitet. Cfd-Simulation simuliert hauptsächlich das Strömungsfeld und rührt Energie und Gasraubüberfall innerhalb des biologischen Fermenters. Gleichzeitig wird ein aufgelöstes Stoffübergangmodell des Sauerstoffes im Gas-Flüssigkeitszweiphasenflussmodell des biologischen Fermenters verbunden, der den aufgelösten Stoffübergangprozeß des Sauerstoffes und biochemischen Reaktionsprozeß während des gleichen Gärungsprozesses simulieren kann.
Mit der Entwicklung der Komputertechnologie der Simulation, wird CFD in zunehmendem Maße in der Simulation von biologischen Gärungsverstärkungsprozessen angewendet. Jedoch wegen der Komplexität des Gas-Flüssigkeitszweiphasenflusses, der weiteren Forschung auf Parametern wie Gasraubüberfall und der Blasen im Vorhersageverfahren wird noch gebraucht.
Schlussfolgerung 4
Der Prozess der biologischen Gärung ist ein komplexer und multifactorial Prozess. Obgleich traditionelle gerührte Behälterbioreaktoren in der Struktur verhältnismäßig einfach sind, ist der eigentliche Prozess der Flüssigkeit innerhalb des Fermenters im tatsächlichen Reaktionsprozeß sehr komplex. Besonders im Verstärkungsprozeß der biologischen Gärung, müssen mehrfache Faktoren für methodologische Verstärkung umfassend betrachtet werden. Der traditionelle erfahrungsmäßige Verstärkungsprozeß kann einfache Verstärkung nur durchführen und kann die wirklichen Daten von verschiedenen Systemen im Fermenter nicht wirklich simulieren. Zusätzlich zur Garantie, dass die Wachstumsumwelt von Gärungsprodukten mit dem Labor in Einklang ist, sollte auch beachtet werden Energieeinsparung. Basiert auf Computerströmungslehre, können wissenschaftlichere Analyse- und Simulationsmethoden den biologischen Gärungsverstärkungsprozeß genauer voraussagen und simulieren und effektive Basis und Hinweis für die Auswahl von biologischen Gärungsverstärkungsprozessen zur Verfügung stellen.
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