现代酒精工艺学 中册

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1、4.7酒精发酵过程的模拟计算由于酒精发酵过程是一个综合了微生物学、生物化学以及化学工程学的复杂过程，因此模拟计算该过程不能仅仅单一采用传统的生物学方法或化学工程的方法，而应对生物反应器中多尺度问题作综合考虑。4.7.1多尺度理论对物质系统进行研究时，如果以某一物质现象的不同尺度作为对象，由于微观和宏观的数据统计处理的困难，很难找出不同尺度之间的相互关联，但是一旦找出可遵循的关系，就可能从现象到本质，过程研究与控制将发生质的变化。因此物质过程体系的多尺度问题就成为一个需要深入研究的课题。研究发现时空多尺度特征是过程工程中所有复

2、杂现象的共同特征。“多尺度”理论的提出和研究最早出现在化学工程学科领域，该理论认为以“单元操作”和“过程传递”为标志的传统方法已经不能满足这一需求，研究流动、传递、分相和反应多尺度（范围小至分子，大至河流、大气）行为和同一尺度下这些现象共存的规律，是当前化学工程定量化的趋势。后来这种观点和理论又延伸到其它许多领域，并以过程工程来定义通过化学或物理加工进行的物质转化的所有过程的总称，而多尺度结构是过程工程中复杂现象的共同本质。对活细胞为主体的细胞大规模培养过程，实质上是基因水平的分子尺度、代谢调节的细胞尺度和工艺控制的反应器尺

3、度上相关发生的，这不仅是在研究对象的几何尺寸上存在巨大差别，即不仅是简单的热力学统计的关系，而是具有生命属性所特有的时空串联反应关系，表现在信息流、物质流和能量流的变化，并呈网络多输入、多输出关系。这种网络结构还表现在不同尺度的网络状态的互动关系，而微生物代谢主流流径是这一网络关系的核心问题。微生物的代谢主流处于不断变化之中，其方向、流量甚至所流经的途径都可能发生变化，这就是微生物代谢主流的变动性和代谢主流对代谢网络中的途径的选择性。这种变动和选择的根据是微生物细胞中的遗传物质，选择的原因是微生物所处环境条件的变化，因此，没

4、有必要研究所有的载流途径，这就为研究生物反应器中的多尺度问题提供了重要的方法和线索。通过研究发现，细胞代谢物质流与生物反应器物料流变化的相关性是研究生物反应器中多尺度关联问题的有效方法，从关系特征中区分不同水平的问题，才能有效实现发酵过程的优化。当然在这些尺度中，工程中最感兴趣的还是化学工程尺度。在化学工程学角度看来，酒精发酵罐可以看作反应器，理论上计算反应器的模型应可以适用于酒精发酵罐。4.7.2间歇酒精发酵的模拟计算间歇酒精发酵罐可以看作间歇釜式反应器，而对于间歇反应器内某一反应物组分，其转化率达到XAf所需的反应时间t

5、可用下式求得：(4-47)为组分的消耗速度（为负数）。对于酒精发酵过程，组分可看作是葡萄糖，可看作发酵的有效时间。但由于发酵是一个复杂的生物化学过程，因此葡萄糖的消耗速度很难确定，只能通过小型的发酵试验来进行粗略估计。不过，相信随着发酵过程定量化研究的进步，最终可以通过上述方程来对酒精发酵进行比较严格的计算。4.7.3连续酒精发酵的模拟计算对于连续酒精发酵，情况要比间歇发酵复杂。因为要模拟计算连续酒精发酵过程，不仅要考虑酒精发酵过程中的生物化学反应特征，还要关注酒精发酵罐内的流动情况，即停留时间分布问题。4.7.3.1停留时

6、间分布显然，化学反应进行的完全程度与反应物料在反应器内停留时间的长短有关，时间越长，反应进行的就越完全；但是过长的反应时间往往造成过大的反应器体积或过低的生产效率，而这会增加产品的成本，因此研究反应物料在反应器内的停留时间问题具有十分重要的意义。对于间歇反应器，这个问题比较简单，因为反应物料是一次装入，所以在任何时刻下反应器内所有物料在其中的停留时间都是一样的，不存在任何停留时间分布的问题。至于连续流动系统，情况就不同了，由于流体连续不断流入系统而又连续地从系统流出，流体的停留时间问题变得比较复杂，通常所说得停留时间是指流体

7、以进入系统时算起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，亦即流体从系统的入口至出口所耗费的时间。这里自然存在一个问题：同时进入系统的流体，是否也同时离开系统？由于流体是连续的，而流体分子的运动又是无序的，所有分子都遵循同一的途径向前移动是不可能的，完全是一个随机过程。因此，考察停留时间不能针对单个分子，只能对由大量分子组成的流体粒子或微团。流体粒子的体积比起系统的体积来可以忽略不计，但其包含的分子又足够多，具有确切的统计平均性质。由于流体在系统中流速分布的不均匀，流体分子的扩散和湍流扩散，搅拌引起的强制对流，以及由于设

8、备安装不良而产生的死区（滞留区）。沟流和短路等原因，流体粒子在系统中的停留时间有长有短，有些很快离开了系统，有些则经历了很长时间才离开，从而形成了停留时间分布。通常情况下讨论的停留时间分布问题只限于仅有一个进口和一个出口的闭式系统，即流体连续地通过导管由系统的一端输入，而在另一端流出，而且