面包酵母流加发酵生产过程的投入产出优化.pdf

生物工程学报9(3):231~-236,1993
Chinese Journal of Biotechnology
面包酵母流加发酵生产过程的投入产出化
袁景淇
(华东工大学自动化研究所上海200237)
Bellgardt, K. -H
(Institut fwer Technische Chemic der Universitaet Hannover, D000 Hannower, IRG)
以某酵母厂实际生产过程为背景,对面包酵母流加发酵生产进行了总体效益优化仿真。
优化仿真是以作者早期建立的面包酵母代谢循环模型系统为基础的。效益函数是单位时间
内过程产出产品的价值与总投入价值之差。仿真结果表明,在给定的价格体系下,欲使总体
效益函数取得极大值,各操作变量,如补料速度、补料浓度、通气量和发酵周期等,均存在
最优操作区域。
关词面包酵母流加发酵;质量指标;效益函数y最优化
面包酵母产品( Saccharomyces cere
stee)按用途可分为三类,鲜酵母、
模型系统及仿真对象簡介
活性干酵母和药用干酵母。在这三类酵母
产品的生产过程中,均应使产率、得率维对于面包酵母发酵这一特定的生产过
持在较高水平。对前二类产品的生产,还程,模型系统包括三个部份。其一是代谢
需考虑产品质量这一重要指标。这里的产模型,它提供了关键状态变量,即菌体浓
品质量系指鲜酵母的耐贮存力和活性干酵度、糖浓度、乙醇浓度及比生长速率(u)的
母的发酵力。在大部分酵母厂,产率、得估计」其二是反应器模型,它由物料衡算
率及产品质量这三项生产指标是由工模型和气液传质模型组成,后者的核心是
艺操作人员通过改変通气量、补料量、流体积氧传质系数kxa的估计;其三是细胞
加发酵周期等操作变量来控制的。不难发循环模型,它描述了酵母细胞群体中处于
现,每一操作变量会同时影响到上述三项不同循环阶段的细胞子群的动态变化行
生产指标。另一方面,即使工艺规范中的为,从而给出了与面包酵母质量指标密切
要求得到满足,一般也不能保证过程的最
相关的变量一一带芽细胞分率FBC(Fra
佳工作状态。这是因为,过程最佳操作的 ction of budding cells)的估计。因为
根本标志是创利为最高,它虽体现为产人们已经探明,鲜酵母的耐贮存力和活性
率、得率和质量指标的某一组合,但随着于酵母的发酵力与FBC的关系近乎成反
生产条件,特别是产品-原料价格系统的比121。上述模型的整体形式及有关参
変化,这一组合常常会随之而变。因此,数已由作者早先给出,详见文献3-5)。
确保过程最佳操作较好的方法是以过程的
本文的仿真对象是体积为65m3的工
总体经济效益为控制目标,直接对有关的业鼓泡塔式发酵罐,高6m,最大工作容
操作变量进行尋优。此跟本文将要论述的
本文于192年4月27日收到。
总体效益优化。
获国家歡委优秀年轻敦师基会资助。
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生物工程学报
9卷
积60m3。罐底装有通气环,环的下方均
(二)无机盐消耗
匀开孔,孔径为0.002m。罐温及pH为自
(VーVro)0。10.1P,yP,
动控制,控削范圃分别是32-34℃和
是无机盐的相对价格=0,2unit/
4.2-4。5。补料基质为糖蛮溶液和浓度为
g
10%的无机盐溶液。仿真时的初始状态与
三)初始种量的循环消耗(包括水
某一工业罐批的实际初始状态相同,即
耗、传输及分离)
X。=15kg(dwt)/m3,S。=2.8kg/m2
0.0384unit/kg于酵母
E。=0kg/m3,Vyo=18.8m2
(四)发液处理费用
0000114unit/L
效益函数的建立
(五)通气消耗
Ve?TtP,,P。是压缩空气的
效益函数定义为单位时间内的总产出
相对价格=0.0007unit/Nmp
与总投入价值之差。式(1)是单罐效益函
(六)发酵液输送及分离能魅
数的表达式。实际上,该函数既隐含了
0.000571unit/L
般的产率、得率指标。又包容了表征鲜酵
(七)于操能耗
母和活性干酵母的质量指标。
(Vx-Vョ。x。)?0,001P。,
总效益=〔总产出总投入〕/操作时间
Pa是干燥过程的相对费用=
=〔酵母出厂价(P接种量)
0.0429unit/kg干酵母
(1-9?FBC)ー总消耗)/(T。(S)。(ハ)水的消耗及水处理费用
+T:)
0.0001142Vy5unit,其中系数
上式中P为酵母总产量(以干重计)。
5意为实际耗水量是发酵液体积
T,是相继两罐批之间的间隙,按经验取
的5倍
为2h。7;是发酵周期,从8~12h不等。
(九)设备损耗
φ是因带芽细胞的存在导致的发酵力下降
4.29(T,+T:)unit
系数,本文中它取值为1,0。总消耗包括基
(十)℃资及理费用0.029(T,+
质消耗、能量消耗、设备损耗、工资及管
Tt)unit
理费用等。以每公斤干酵母的出厂价为
以上各项中的符号及量纲详见符
10unit(价格单位)计,可以详细算出总
号说明。
消耗中的各个分项。以下是根据背景厂
1987年的生产数据作出的核算结果
总体效益优化仿真
(一)基质消耗
〔Vr。+(VaーVy。)?0.9?SR
对于背景厂的实际发酵装置,能够进
0,001P;:,P,是糖源原料的相行寻优的操作变量计有:初始酵母浓度
对价格=0.17unit/kg。说明:X。,初始装料量V。补科糖浓度Sュ
在总的进料料液中,90%是糖源补料流最Ft,通气量V。和发酵周期Tt
物质,其浓度为SR,剩余的在本文中,初始条件为定值。质流加逑
10%是浓为10%的无机盐溶率的上限为6m/h。最大装料量为60(1ー
液
ec)m3,ec的空隙率,计算方法免文献[5
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