酒精发酵过程控制的研究

论文摘要

微生物发酵是一个具有高度非线性、时变性和迟滞性的过程,其内在机理非常复杂,传统的测量方法难以实现对发酵过程中一些关键参数的在线测量,这使得对发酵过程进行优化控制变得非常困难。本文应用工业发酵中常用的在线检测设备,对高密度和高强度酒精发酵的过程控制进行了研究,在此基础上将软测量技术应用于发酵过程,进行葡萄糖浓度的实时预测,从而建立一种葡萄糖反馈的在线智能流加方式。主要研究方法和结果如下:1对酵母在摇瓶培养基上的培养条件进行了优化,得到培养的最佳条件为:以YEPD为种子培养基,种子液最佳培养时间为12 h;培养基最适初始pH为4.5;最佳接种量为8 %;初糖浓度为40 g/L。2在搅拌罐式生物反应器中,通过考察流加对酒精发酵的影响发现,在发酵前期采用葡萄糖反馈流加有利于菌体的繁殖,发酵后期采用间歇流加有利于酒精的生成。从而确定混合流加为较优的流加方式。3在搅拌罐式生物反应器中,利用不同溶氧控制策略进行高密度和高强度酒精发酵的研究,得到较为优化的溶氧控制策略(搅拌转速100 r/min,通风量0.22vvm,通风12 h),发酵48 h,菌体密度达到5.5～6亿个/ mL,酒精度为16.5 %,发酵强度达到2.71 g/L·h。4在软测量理论的基础上,提出针对发酵过程中关键生物量测量的数据驱动法,重点以主元回归作为该软测量的实现方法。利用主元回归对酒精发酵过程中的葡萄糖浓度进行预测,网络测试结果验证了软测量的可行性和有效性。在此基础上,本文设计了一套生物发酵控制系统,实现了酒精发酵过程中葡萄糖浓度的在线测量与流加控制。该研究为过程控制中关键生物量的在线测量和补料流加提供了一个新的思路、新的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 酒精发酵
• 1.1.1 酒精的简介
• 1.1.2 发展燃料酒精的意义
• 1.1.3 高强度酒精发酵
• 1.2 微生物的高密度培养
• 1.2.1 高密度培养简介
• 1.2.2 高密度培养的补料方式
• 1.3 微生物发酵过程控制研究概况
• 1.3.1 发酵工业的发展
• 1.3.2 发酵过程的参数
• 1.3.3 发酵过程的建模
• 1.3.4 软测量技术概述
• 1.4 立题意义
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 摇瓶中酵母培养条件的初步优化
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 菌种与培养基
• 2.2.3 实验方法
• 2.2.4 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 种子液最佳培养时间的确定
• 2.3.2 培养基初始pH 对菌体生长的影响
• 2.3.3 接种量对酵母生长的影响
• 2.3.4 酒精浓度对酵母生长的影响
• 2.3.5 初糖浓度对酵母生长的影响
• 2.3.6 间歇流加发酵对菌体生长的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 流加方式对菌体生长和酒精发酵的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 菌种与培养基
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 厌氧条件下不同流加方式对菌体生长和酒精发酵的影响
• 3.3.2 通风条件下不同流加方式对菌体生长及酒精发酵的影响
• 3.3.3 流加控制方式的初步确定
• 3.4 本章小结
• 第四章 利用溶氧控制策略进行高密度和高强度酒精发酵的研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 菌种与培养基
• 4.3 结果与分析
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 基质浓度软测量和葡萄糖反馈在线流加方式的实现
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 菌种与培养基
• 5.2.3 实验方法
• 5.2.4 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 软测量模型的描述
• 5.3.2 建立软测量模型的方法确定
• 5.3.3 微生物发酵过程中软测量技术的实现
• 5.3.4 基于软测量的在线智能流加控制的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文