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双环流厌氧反应器研究及其在清液酒精发酵中的应用

刘龙飞  
【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20℃的水为工作介质研究了外环流流量在200~1000 l/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38℃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0~1000 l/h范围内,冷却水流量在250~750 l/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,尤其是作为一种可再生能源,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,洗面分离出来的面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,TH-AADY接种量0.9‰,0~8 h温度控制为32~34℃,8~20 h温度控制在38~40℃,发酵周期56 h,此条件下发酵乙醇生产能力可高达0.1035克/毫升发酵液,发酵效率达90.3%;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92.9%,乙醇生产能 郑州大学硕士研究生学位论文 力为0.0946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 .375:1)的生物反应器中,采用较大的装料系数(0 .857),小麦粉清液浓糖发酵(初始 总糖浓度为22.4%)的发酵效率仍能达到89.08%;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,发酵醒具有较好的流动性,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EMP途径生成产品酒精和付产物COZ。 酒精和CO: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CO:达到饱和,后续生成的CO: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,一方面可以防止醒液沉淀,另一方面则可促使COZ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8一20h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600 1/h。实验结果表明,在发酵过程中用泵强制双 环流发酵液,明显提高了醛液酒度和发酵效率,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,降低了发酵醛的增酸幅度。


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