第八章 发酵过程中质量和能量衡算
酒精发酵中的物料衡算
5 物料衡算5．1 全厂物料衡算的内容淀粉原料酒精厂的物料衡算包括两部分，第一部分是生产过程全厂总物料衡算，主要计算内容有：8.1.1 原料消耗的计算，主要原料为木薯，其它原料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸铵等。
8.1.2 中间厂品，蒸煮醪、酒母醪、发酵醪等。
8.1.3 成品、副产品以及废气、废水、废渣既酒精、杂醇油。
二氧化碳和废糟等。
5．2 原料消耗的计算5.2.1 淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：糖化：（1）162 18 180 发酵： （2）180 46 44 5.2.3 生产1000kg 无水酒精的理论淀粉消耗量由（1）和（2）式可求得理论上生产1000kg 无水酒精所消耗的淀粉量为：5.2.4 生产1000kg 国际燃料酒精的理论淀粉消耗量国标食用酒精乙醇含量在95％（体积分数）以上，相当于92.41％（质量分数），故生产1000kg 燃料酒精成品理论上需淀粉量为：1760.9×92.41％=1627.2 (kg) 5.2.5 生产1000kg 燃料酒精实际淀粉耗量612625106)O H nC O nH O H C n →+（252612622CO OH H C O H C +→)(9.1760921621000kg =⨯实际上，整个年产过程经历原料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论产率。
假定发醇阶段系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失率为8.55%,故生产1000kg 用酒精需淀粉量为：5.2.6 酒精生产给各过程各阶段淀粉损失如表所示5.2.7 这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为91.45%，这达到了我国现阶段木薯原料生产酒精的先进出酒率水平。
5.2.8 生产1000kg 燃料酒精木薯原料消耗量据基础数据给出，木薯原料含淀粉70%，故1吨酒精耗薯干量为：5.2.9 α-淀粉酶消耗量应用酶活力为2000u/g 的α-淀粉酶使淀粉液化,促进糊化,可减少蒸汽消耗。
化工原理物料衡算和热量衡算
化工原理物料衡算和热量衡算引言化工工程涉及许多物料的处理和转化过程，同时也需要考虑热量的平衡。
物料衡算和热量衡算是化工原理的重要内容，对于工程实践和过程优化具有重要的意义。
本文将介绍化工原理中的物料衡算和热量衡算的基本原理和计算方法。
物料衡算物料衡算是指对于化工工程中物料流动和转化过程的计算和分析。
在化工工程中，物料的流动和转化是实现各种反应和分离操作的基础，因此正确的物料衡算是保证工程设计和操作的关键。
在物料衡算中，我们通常需要考虑以下几个方面： 1. 物料的质量衡算：即对物料的质量输入和输出进行计算和分析。
对于物料的质量衡算，我们需要注意物料流动的平衡原则，即质量的输入必须等于输出。
2. 物料的能量衡算：即对物料的能量输入和输出进行计算和分析。
能量的输入和输出会影响物料的温度和相变过程，因此在能量衡算中需要考虑物料的热力学性质。
3. 物料的流动速度衡算：即对物料流动速度进行计算和分析。
物料的流动速度决定了反应和分离操作的效率，因此在物料衡算中需要合理地确定流量和速度的关系。
4. 物料的浓度衡算：即对物料中组分浓度的计算和分析。
物料的浓度会影响其反应和分离的速率和效果，因此在物料衡算中需要考虑不同组分浓度的变化规律。
物料衡算通常使用质量守恒和能量守恒等基本原理进行计算。
同时，还可以利用化学反应平衡的原理和质量流动的平衡原则进行衡算过程中的参数确定。
热量衡算热量衡算是化工工程中热力学过程的计算和分析。
在化工工程中，热量的平衡是保证反应和分离操作能够正常进行的基础。
热量衡算需要考虑以下几个方面： 1. 热量的输入和输出：即对于热量的输入和输出进行计算和分析。
在化工工程中，我们通常需要对热量的输入和输出进行平衡，以保证工程操作的稳定性。
2. 热量的传递和转化：即对于热量的传递和转化过程进行计算和分析。
热量的传递可以通过传导、对流和辐射等方式进行，因此在热量衡算中需要考虑传热方式的影响。
3. 热平衡的计算：即对于反应和分离过程中热量平衡的计算和分析。
葡萄酒工厂生产热量衡算
葡萄酒工厂生产热量衡算
葡萄酒工厂的热量衡算通常涉及以下几个方面：
1. 葡萄的处理：葡萄酒制作的第一步是将葡萄压榨成葡萄汁，这一过程需要消耗一定的热量。
通常来说，葡萄压榨机使用的动力和设备本身的运行都会产生热量。
需要计算这些能量的消耗。
2. 发酵过程：葡萄汁在发酵过程中会转化为酒精和二氧化碳，这个过程会产生热量。
发酵过程中需要控制温度，以保证发酵的顺利进行。
因此，需要计算发酵过程中产生的热量，并确定需要的冷却和加热设备。
3. 筛选和澄清过程：葡萄酒在发酵后需要经过一系列的筛选和澄清过程，以去除固体杂质和悬浮物。
这些过程通常需要使用特殊的设备和能源，并会产生相应的热量。
4. 瓶装和贮存：葡萄酒在瓶装和贮存的过程中，可能需要进行热处理，以确保产品的质量和稳定性。
需要计算这些热处理过程中产生的热量，并确定需要的加热和冷却设备。
总之，葡萄酒工厂生产热量的衡算需要考虑从葡萄的处理到最终产品的瓶装和贮存过程中产生的热量。
这些热量的计算和管理，有助于提高工厂的能源利用效率和减少对环境的影响。
微生物生化反应的质量和能量衡算
微生物生化反应的质量和能量衡算§ 微生物生化反应的质量和能量衡算一、基本内容微生物反应过程的特点1. 微生物微生物反应是生物化学反应，通常是在常温、常压下进行。
2. 反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂，因而在微生物生长的同时往往还伴随着生成代谢产物反应。
3. 微生物反应还受到众多外界环境因素的影响。
如果只对微生物反应过程做概念性描述，可表示为：营养物质（碳源、氮源、氧及无机盐）＝新微生物细胞+ 代谢产物 + 二氧化碳此式不是计量关系式。
在生物工业中，有些行业，如酵母生产，只要求菌体的产生，不希望产生其他产物；乙醇工业中，由于是厌氧反应，因此，氧和水项等于零。
另一些行业，如氨基酸、酶制剂、抗生素和有机酸等生产，上式各项都不能少。
质量和能量衡算在工程上的意义通过质量和能量衡算，可以了解反应物和生成物之间定量关系，反应过程需要消耗和释放多少能量。
通过反应过程衡算式有已知量可以求出未知量。
所以它是研究反应过程的一个有效手段，对解决工程问题特别有用。
对各元素进行原子衡算。
如果碳源由C、H、O组成，氮源为NH3，细胞的分子式定义为CH x O y N z，忽略其他元素，可用下式表示微生物反应：CH m O n + aO2 + bNH3 = cCH x O y N z + dCH u O v N w + eH2O + fCO2CH m O n ------ 碳源的元素组成；CH x O y N z------ 细胞的元素组成；CH u O v N w ------- 产物的元素组成；下标 mnuvwxyz----- 与一个碳原子相对应的氢、氧、氮的原子数。
评价微生物生物代谢机能的重要指标----- 呼吸商（respiratory quotient, RQ) RQ = CO2生成速率/O2消耗速率例：乙醇为基质，耗氧培养酵母，反应方程为：C2H5OH + aO2 + bNH3 = c(CH1.75N0.15O0.5) + dCO2 + eH2O呼吸商RQ=0.6。
第八章 发酵中式比拟放大
第三节 发酵中试和发酵罐比拟放大内容
1、发酵中试放大的内容 研究在一定规模设备中操作参数和条件的变化规
律；验证实验室工艺路线的可行性；进行工艺条 件限度实验和过程优化控制；确定小试到放大所 需测定参数及过程控制方法；解决实验室阶段未 能解决或尚未发现的问题。 具体内容有以下几个部分：
（1）生产工艺路线的复审 （2）设备材质与型式选择 （3）搅拌器型式和搅拌速度的考察 （4）反应条件的进一步研究 （5）工艺流程和操作方法的确定 （6）原辅材料和中间体的质量控制
大罐单位体积需要通风量要比小罐单位体积通风量 小的多。
（3）搅拌功率放大 搅拌功率是影响溶氧量的关键因素，搅拌功率放
大是放大主要内容，性质固定液体，功率取决于 转速n和叶轮直径Di,一般Di固定，放大就主要是转 速问题。 ①按雷诺系数Re相等放大 ②单位体积液体消耗功率P0/V相等放大
③按体积溶氧系数相等放大 ④搅拌器末端线速度相等放大 ⑤按单位体积搅拌循环量F/V相等放大
第四节 发酵中试比拟放大的方法
1、比拟放大的基本方法 将在小型设备中进行的科研成果放在大生产设备
中再现的过程，便是比拟放大。 基本方法：找出表征系统的各种参数，并将之组
成一个具有物理含义的无量纲量，由此再建立函 数关系式；用实验方法在试验设备中求得函数式 中包含的常熟和指数；将此确定的函数关系式用 于与试验设备几何相似的大型设备设计。 比拟放大不是简单按比例放大，而是建立在几何 相似、培养条件相同和微生物在反应器中充分分 散的假设基础上的。 一般生物工业生产中，放大倍数在10-200。
一致。
3、物料衡算
意义：是化工计算中最基本和重要内容，也是能 量衡算基础；揭示物料利用情况；了解产品得率 最佳值和设备生产能力潜力；掌握各生产设备匹 配情况。
生化工程第八章 微生物生化反应过程的质量和能量衡算
算
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同样，代谢产物的得率用Yp/s表示：
工 程 第
Yp
s
dP
ds
八 章
用YP表示代谢产物的理论得率：
反 应 过 程
Yp 用于 生同 成化 代为 谢代 产碳 谢 物源 产 的消 物 ＝ 摩耗 的 d尔 dPsp数
质
能
衡
算
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将以上得率表达式结合碳源衡算式整理变形 后，得 ：
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根据氧的衡算方程式：
工
程 第
A S B x O 2 C P
八
章 当代谢产物被忽略时，可得：
工 程
式中
第 八
A：碳源S完全氧化时的需氧量；如葡萄糖为
章 6mol/mol
反 应
B：菌体x完全氧化时的需氧量；一般可取
过 0.042 mol/g菌体(实验值)
程
质 能 衡
C：代谢产物P完全氧化时的需氧量；如乙醇 为3、醋酸为2、乳酸为3；
算
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式中的 ΔO2是微生物生长代谢过程中的耗 氧量，它由两个部分组成：
反
应 过 程
如，青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养,其菌 体化学组成为 CH164O0.52N0.16 、葡萄糖至菌体
质 的转化率为0.48g干菌体 /葡萄糖，则可对下式
能 衡
进行配平。步骤如下：
算
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①写出反应化学简式。
工 程
C 6 H 1 O 6 2 N 3 O 2 H C 1 . 6 O 0 . 5 4 N H 0 . 1 2 C 6 2 H 2 O O
发酵工程第8章发酵过程控制
一、发酵过程中的pH变化及其原因 二、pH对发酵的影响 三、最适pH的选择 四、PH的调控策略
一、发酵过程中的pH变化及其原因
1.1发酵过程中pH值的变化一般规律
1.在微生物细胞的生长阶段:
初期:接种后到孢子萌发,因碳氮源代谢水平比较低, pH一般 可维持不变,或者由于添加了CaCO3而略有上升。
D.应用消泡剂时的增效方法：
① 加载体增效，即用惰性载体（如矿物油、植物油等）使消泡剂溶解 分散，达到增效的目的；
② 消泡剂并用增效，取各种消泡剂的优点进行互补，达到增效；
GP和GPE 1:1混合使用于土霉素发酵，结果比单独使用GP的效力 提高2倍。 ③ 乳化消泡剂增效，用乳化剂（或分散剂）将消泡剂制成乳剂，以提 高分散能力，增强消泡效力，一般只适用于亲水性差的消泡剂。
B.作为生物工业理想的消泡剂，应具备下列条件
① 应该在气－液界面上具有足够大的铺展系数，才能迅速发挥消 泡作用，这就要求消泡剂有一定的亲水性；
② 应该在低浓度时具有消泡活性； ③ 应该具有持久的消泡或抑泡性能，以防止形成新的泡沫； ④ 应该对微生物、人类和动物无毒性； ⑤ 应该对产物的提取不产生影响； ⑥ 不会在使用、运输中引起任何危害； ⑦ 来源方便，成本低； ⑧ 应该对氧传递不产生影响； ⑨ 能耐高温灭菌。
① μ和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)， 这种发酵过程易于控制；
② Qp (或μ)的最适pH值范围窄，而μ(或Qp)的范围较宽(b)；
③ μ和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)， 第二、第三种情况的发酵pH值应严格控制；
④ μ和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适 pH值，才能优化发酵过程。
能量衡算
菌体的不同有所不同，一般取值= 22.15kJ/g细胞。 kJ/g细胞 菌体的不同有所不同，一般取值=-22.15kJ/g细胞。 为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差， ΔHc 为所消耗基质的焓变与代谢产物的焓变之差 ， 其由下式给出
氮源的△ HN和△ HN﹡之间的关系问题
氮源以氨计氧化反应式为： NH3+5/4O2 NO+3/2H2O 用有效电子转移为基准焓变： － △ HN﹡=5/4(△ Ho﹡)=5/4×444=555kJ/mol －△ HN =382kJ/mol
谢 谢 大 家
微生物反应过程的能量衡算
组员： 霍瑞、陈娜、蒋强、 朱浩嘉、许智慧、程启朋
主要内容：
微生物反应过程的能量衡算的理论基础 微生物反应过程的能量衡算的意义 微生物对能量的利用： （1）碳源存在的能量衡算 1 （2）碳源氮源同时存在的能量衡算
两个重要的衡算
能量衡算
∑QI= ∑QO + QL
∑QI ___进入系统的能量 ∑QO___离开系统能量
当采用葡萄糖为唯一碳源的基本培养基进行 微生物的好氧培养时，葡萄糖既作为能源， 微生物的好氧培养时，葡萄糖既作为能源， 又作为构成细胞的材料。 又作为构成细胞的材料。反应过程可表示为
− ∆S + ∆O2 → ∆X +
∑ ∆P + ∆CO
2
− ∆H c = (− ∆H S )(− ∆S ) −
∑
* (−∆H P )(∆P ) − (−∆H a )(∆X ) = (− ∆H 0 )(∆O2 )
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第八章发酵过程中质量和能量衡算
பைடு நூலகம்
主要内容：
1、微生物生长代谢过程中的碳平衡；
2、微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡； 3、微生物生长代谢过程中的能量平衡； 4、微生物生长代谢过程中能量衡算； 5、通风发酵生成热的计算方法； 6、连续培养时微生物生长数学模型；
7、分批培养时微生物生长数学模型； 8、微生物发酵动力学。
A S B X O2 C P
4. ATP消耗对菌体得率Y
ATP与ATP平衡
能量通过高能磷酸键贮存、转运。 在供氧充分时，三羧酸循环中间代谢产物被脱氢酶 脱下两个质子氢，分别经由质子递体和电子递体传递到 氧，以氧作为最终电子受体，生成水，同时释放能量， 该能量被高能键贮存；在嫌气条件下，只能进行基质水 平的磷酸化，此时，有机物氧化不彻底，所以产生的能 量也较低。 能量生长偶联型与能量生长非偶联型： 当构成菌体的材料充裕时，菌体的生长受制于ATP 的供应，这种生长就是能量偶联型生长；反之，在ATP 供应充分，而合成细胞的材料受限制时，这时的生长就 是能量生长非偶联型，即与ATP供应无关，此时，大量 的ATP在ATP酶的作用下被降解，以热能的形式释放出大 量的热量形成发酵热异常升高。 涉及到能量供应的菌体得率YATP 用表示：
第二节
微生物反应过程的能量衡算
一、有机物氧化焓变和有效电子转移
在生物氧化中，氧是最终电子受体。三羧酸循环中 间产物在脱氢酶作用下，脱下两个质子氢，经过质子、 电子递体最终传递给氧原子，结合成水，同时释放出大 量的能量，即： 2H O H 2 O Q
二、自由能消耗对菌体的得率
基于自由能变化的菌体得率用表示，则：
重点：微生物生长代谢过程中能量衡算。
难点：微生物生长代谢过程数学模型的建立。
第一节
微生物生长代谢过程中的质量 平衡
一、微生物生长代谢过程的碳平衡
1.最低培养基与完全培养基 2.微生物生长代谢过程中基质和产物之间的碳元素平衡
ds d t dCO2 dx dP 4 2 3 dt dt 1 dt
P
4.细胞物质生产中碳源的化学平衡
自然界的一切变化过程都存在着变化前后的质量 和能量平衡，发酵过程也不例外。通过研究微生物反 应的化学平衡，可帮助我们预测发酵过程中各种基质 的需要量，从而更经济、有效地使用它们，减少无效 消耗。
为减少问题的复杂性，我们在研究发酵过程的化 学计量式时，可作如下的处理： ①对复杂分子组成的原料用简化的化学式表示。 ②忽略反应中的一些次要的元素和成分。 菌体的生长一般是在供氧条件下，将营养基质转 化成菌体成分、CO2和H2O的过程。因此，如果菌体的 化学组成和基质到菌体的最大转化率已经知道时，就 可以列出微生物生长的化学计量式。 如青霉菌以葡萄糖为基质，通气培养，其菌体化 学组成为CH1.64O0.52N0.16、葡萄糖至菌体的转化率为 0.48g干菌体/g葡萄糖，则可对下式进行配平。步骤 如下：
3.微生物生长过程中的碳源平衡
在微生物反应中，碳源的用途主要消耗于：
①满足菌体生长消耗用S G 表示， ②维持微生物生存的消耗用S m 表示
③合成代谢产物的消耗，用S 表示 S S G S m S P ，对于每一途径的消耗 则有：
一、分批培养 （一）微生物的生长曲线
1.迟滞期 2.对数期 3.稳定期 4.衰亡期
（二）微生物生长速度的动力学方程 ①细胞生长动力学 在一个间歇培养的周期中，菌中数量的增加主要是在对数 生长期实现的，因此讨论微生物生长动力学时，是以生长曲线的 对数生长期为目标建立其生长模型。
②微生物生长速率与底物浓度的关系——莫诺模型
YKJ 菌体增量x 菌体所保持的自由能 分解代谢所释放的自由 能
因为自由能变化近似等于其焓变，则上式可写为：
菌体增量x 菌体x 的氧化焓变 合成产物消耗的碳源与 产物之间的熵变差
三、微生物反应过程的能量衡算
第三节 微生物生长代谢过程数学模型的建立 第四节 微生物发酵动力学
第八章发酵过程中质量和能量衡算
重点：微生物生长代谢过程中的碳平衡；微生物生
长代谢过程中的ATP循环与氧平衡；微生物生长代谢过 程中的能量平衡；微生物生长代谢过程中能量衡算；通 风发酵生成热的计算方法；连续培养时微生物生长数学 模型；分批培养时微生物生长数学模型；微生物发酵动 力学；分批培养；连续培养； 难点：微生物生长代谢过程中能量衡算；微生物生 长代谢过程数学模型的建立；分批培养时微生物生长数 学模型；
根据
ln 2 td
，当越大时，越短，则越大；即在同样的时间内， 世代数越多，增殖的数量越大。 一般情况下，微生物的并非常数。因菌体所处的环境条件 如温度、pH、培养基组成及浓度等不同而异。
实际上，莫诺方程是在如下的假设基础上建立起来的：
①写出反应化学简式。 ②根据转化率配系数。 ③通过质量平衡，配平其他成分的系数，最后得到的计量方 程式。
5.对微生物生长过程进行碳平衡的意义
二、微生物生长代谢过程中的ATP循环与氧平衡
1.ATP循环
1mol葡萄糖彻底氧化生成38molATP
2.生物氧化 3.微生物代谢过程中的氧平衡
假定发酵是在充分供氧的条件下进行，即所消耗的基质 除一部分被同化到菌体和产物外，其余全部被氧化生成CO2和 H2O，则由能量守恒定律可得氧元素的平衡式：
YATP
碳源对菌体的得率 消耗1m ol 碳源由分解代谢产生的 ATPm ol 数
对能量偶联型生长，大约在10左右；非能量偶联型 生长，大大低于10；
5. 通风培养时氧的消耗与ATP生成数量之间关系 有氧气存在时，YATP的测定比较困难，原因是：
①有些供能基质被用于合成代谢； ②培养基内被认为不是供能基质的却有一些被用来产生 能量； ③至今对于具体的每种微生物，其氧化作用与磷酸化作 用偶联的程度与控制机制尚不清楚； ④各种微生物用于维持其生命活动所需的能量也不相同；