维生素C二步发酵过程的建模与验证

论文摘要

我国维生素C生产主要采用二步发酵法。近年来,随着维生素C市场竞争越来越激烈,如何实现维生素C生产过程的优化控制、提高维生素C生产效率已成为研究热点。目前两步法中第一步的研究已取得了较大突破,如何提高第二步发酵过程（即山梨糖转化为2-KGA过程）的转化率已成为热点问题。数学模型是优化控制的基础,本文主要对2-KGA发酵过程模型化做了以下几个方面的研究:2-KGA发酵过程宏观动力学模型2-KGA发酵过程为巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium,俗称大菌）和氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans,俗称小菌）混合发酵,如何描述大小两种菌之间的关系是动力学建模的关键问题。大菌的胞外液能促进小菌生长和产酸,而小菌的代谢产物2-KGA促使大菌自溶,在大小菌生长模型中,引入产物抑制项和大菌浓度项来描述大小菌间的相互作用。实验验证结果表明,该模型能准确描述大小菌生长和产物2-KGA形成。气升式反应器模型2-KGA发酵生产通常使用气升式反应器,本文介绍了建立气升式反应器模型的常用方法,并对反应器内溶氧情况做了仿真。仿真结果表明,在气升式反应器中,其溶氧存在轴向分布,底部的溶氧水平最高,而反应器顶部的最低。模型综合将2-KGA发酵过程动力学模型与气升式反应器模型结合起来,气升式反应器用串联CSTR模型来近似,在2-KGA发酵过程动力学模型中考虑山梨糖和溶氧两者为限制性基质,仿真结果表明,反应器顶部和底部2-KGA形成速率和L-山梨糖消耗速率间存在较大差异,证明了溶氧水平对发酵过程的影响,通过改进反应器结构,有望提高2-KGA生产率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 Vitamin C的作用
• 1.2 Vitamin C的生产工艺
• 1.2.1 莱氏（Reichstein）生产法
• 1.2.2 二步发酵法
• 1.3 发酵过程模型化
• 1.3.1 建模目的
• 1.3.2 建模方法
• 1.3.3 建模原则
• 1.3.4 发酵过程模型化的发展
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 2-KGA发酵过程动力学模型
• 2.1 实验材料与方法
• 2.1.1 菌种
• 2.1.2 培养基与培养条件
• 2.1.3 分析方法
• 2.2 生物反应动力学一般模型
• 2.2.1 菌体生长
• 2.2.2 产物形成
• 2.2.3 基质消耗
• 2.3 2-KGA发酵过程动力学模型
• 2.3.1 菌体生长模型
• 2.3.2 底物消耗模型
• 2.3.3 产物形成模型
• 2.4 动力学模型参数辨识与仿真
• 2.4.1 参数辨识方法
• 2.4.2 仿真结果
• 第三章 气升罐内2-KGA发酵过程模型化
• 3.1 轴向扩散模型（ADM）
• 3.1.1 方法一
• 3.1.2 方法二
• 3.2 串联CSTR模型（TSM）
• 3.2.1 底部连接区模型（i=1）
• 3.2.2 升流区模型（i=2…M-1）
• 3.2.3 气液分离区（i=M）
• 3.2.4 降流区（i=M+1 …N）
• 3.3 ADM与STM的比较
• 3.4 动力学模型与气升罐模型综合
• 3.5 仿真结果
• 第四章 总结与展望
• 4.1 本文主要工作总结
• 4.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文