连续发酵生产乙醇的过程模拟与优化研究

对发酵过程进行模拟优化是降低乙醇生产成本、促进乙醇工业化生产的有效途径。考虑到乙醇发酵过程中存在的各种竞争性抑制作用,结合连续生产的全混釜模型方程,利用AspenPlus软件编写并建立了用户模型,实现了玉米清液连续发酵制乙醇过程的全流程模拟,模拟结果与工厂生产所测数据一致。同时对发酵过程进行了分析,优化了生产条件。计算结果表明,发酵罐中糖液的进料情况对结果影响较大,预发酵以及酵母回流是为了维持系统内合适的菌体浓度,需要根据实际情况调整;为了避免系统染菌,发酵过程宜采取带压操作,压力0.12~0.14MPa为佳;工厂实际生产工艺中,前3个发酵罐的热负荷较大,需要重点采取散热措施。对发酵系统进行热量优化有利于生产发酵罐的温度控制,提高产品质量。     

合成气生物发酵法制乙醇的研究进展

采用合成气生物发酵法制乙醇具有反应条件温和、产物选择性高、原料来源广泛、低碳可持续发展等优势,是一种具有前景的可再生能源新型生产工艺。文章综述了合成气发酵法制乙醇的微生物种类及对应的适宜操作条件,分析了合成气发酵法制乙醇的Wood-Ljungdahl代谢途径;总结了合成气的广泛来源;分析讨论了过程工艺参数如合成气组成及压力、pH、温度、培养基组分、气液传质对合成气发酵的影响;指出合成气发酵法制乙醇面临的底物传质性能差、乙醇收率低等关键问题,比较了典型反应器在传质方面的差异,归纳了传质强化方法;总结了合成气发酵法制乙醇的工业化进展, 并提出了未来的发展方向。     

合成气生物发酵法制乙醇的研究进展

采用合成气生物发酵法制乙醇具有反应条件温和、产物选择性高、原料来源广泛、低碳可持续发展等优势,是一种具有前景的可再生能源新型生产工艺。文章综述了合成气发酵法制乙醇的微生物种类及对应的适宜操作条件,分析了合成气发酵法制乙醇的Wood-Ljungdahl代谢途径;总结了合成气的广泛来源;分析讨论了过程工艺参数如合成气组成及压力、pH、温度、培养基组分、气液传质对合成气发酵的影响;指出合成气发酵法制乙醇面临的底物传质性能差、乙醇收率低等关键问题,比较了典型反应器在传质方面的差异,归纳了传质强化方法;总结了合成气发酵法制乙醇的工业化进展, 并提出了未来的发展方向。     

超临界流体萃取天然产物的过程模拟研究进展

对萃取过程的建模和模拟是超临界流体工业应用的研究重点和难点。本文在阐述溶质在超临界CO2中的相平衡和传质过程的基础上,详细介绍了现有各种模型的科学依据和不足．并指出了这方面研究的发展方向。     

国外纤维素燃料乙醇研究动态

综述了近几年来燃料乙醇在原料预处理、纤维素水解及发酵环节中的研究进展,指明了这3个环节的研究方向.并介绍了3种国外比较接近实用化的纤维素制燃料乙醇的技术工艺.     

纤维素乙醇生产重组酿酒酵母菌株的构建与优化研究进展

寻找化石能源的替代品以及开发和利用生物能源已引起国内外研究者的广泛关注。提高酿酒酵母利用来源广泛、贮存丰富的农林废弃物等木质纤维素原料生产燃料乙醇的效率是生物能源的重要研究内容,但是,重组酿酒酵母木糖发酵性能低是限制纤维素乙醇经济性的关键问题。本文总结了酿酒酵母中木糖代谢途径的构建和优化以及木糖转运对木糖利用的影响,分析了重组酵母利用纤维素水解液进行乙醇发酵的研究现状,并对进一步提高重组酿酒酵母纤维素乙醇生产效率的研究趋势进行了展望。目前国内外已经构建了可有效利用木糖产乙醇的重组酵母,但对其木糖代谢机制的研究还尚未深入,限制了重组菌株的定向改造。此外,目前缺少在纤维素生物质水解液发酵实际应用过程中对重组菌株的评价。因此,加强重组酵母菌株对木糖利用相关代谢调控机理的分析,注重多种抑制物对菌株发酵性能的影响,结合真实底物纤维素乙醇发酵过程进行重组菌株的构建和优化,从而进一步提高纤维素乙醇生产的经济性,是未来菌株构建的重要研究方向。     

乙醇补料发酵技术研究进展

作为一种可再生的清洁能源,燃料乙醇的开发利用备受关注,对其发酵工艺的研究也日益深入。近年来,补料发酵工艺逐渐应用于燃料乙醇的生产研究中,并以其降低基质抑制和减轻纤维素稀酸水解液中有毒成分的影响等优点而显示了良好的发展潜力,但由于发酵过程的复杂性和对补料控制策略的研究尚不深入等存在的问题,使该技术在燃料乙醇规模化生产中的应用受到制约。本文介绍了国内外乙醇补料发酵研究的主要进展,着重概述补料发酵技术在乙醇两大重要发酵工艺——纤维素乙醇工艺和超高浓度乙醇发酵工艺中的应用以及补料调控策略等,并提出该领域进一步研究应留意的方向,如应加强乙醇补料发酵动力学和控制理论、新型传感器与在线监测技术等方面的研究。     

糠醛渣纤维乙醇同步糖化发酵过程研究

以过碱化处理的糠醛渣为原料,采用正交试验法进行同步糖化发酵(SSF)转化乙醇工艺条件及过程研究.通过考察反应温度、pH、纤维素酶用量和表面活性剂浓度来优化同步糖化发酵转化工艺条件.在正交优化条件基础上,进行了5 L发酵罐试验,并同步分析表征了发酵过程中还原糖浓度、乙醇浓度、酵母细胞数、纤维素含量及其结构变化.同步糖化发酵转化糠醛渣生成乙醇的优化条件为:反应温度38℃,pH 4.2,纤维素酶用量20 FPU/(g纤维素),吐温-20质量分数0.15%,酵母接种量10%.发酵罐中同步糖化发酵糠醛渣生成乙醇的转化率达到72.33%,过程分析表明反应时间为27 h时,糠醛渣糖化发酵产乙醇的转化率达到最高,比其他纤维原料的反应转化时间大大缩短.同步糖化发酵过程中,糠醛渣纤维素含量逐步降低,纤维索表观结晶度呈下降趋势,纤维素微晶尺寸减小.     

提高酵母乙酸胁迫耐性的方法概述

利用木质纤维素制备燃料乙醇新能源有利于人类社会的可持续发展,具有深远的社会效益和经济效益。预处理是利用木质纤维素类生物质的首要环节,在此过程中会产生一些抑制剂,其中乙酸是最主要的抑制剂之一,对酵母的生长和发酵产乙醇产生抑制作用。目前,可通过紫外诱变、驯化、代谢工程等菌种选育方法以及发酵过程中的控制等方式提高酵母在发酵过程中对乙酸的胁迫耐受性。     

木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展

介绍了木质纤维素的资源组成、结构、利用现状以及从木质纤维素类生物质生产乙醇的一般生产工艺,并重点综述了预处理、水解、发酵和蒸馏4个关键流程工艺及相关技术,分析了这些工艺中采用的不同方法的优缺点以及国内外的技术现状及动向。本文还提出和讨论了今后研究方向需要加强的方面,并指出:高产纤维素酶菌株的筛选及驯化、改进原料预处理技术、降低中间产物对纤维素酶活性的抑制作用、现代育种技术构建耐高温工程菌等减少成本和提高纤维素生物质到乙醇的转化率技术,将是今后的研究重点发展方向和业界正面临的挑战。     

Evaluation of different kinetics for bioethanol production with emphasis to analytical solution of substrate equation

Fermentation is typically modelled by kinetic equations giving the time evolutions for biomass, substrate, and product concentrations. In the present study, production of bioethanol from glucose, substrate and Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) as a biomass was investigated through a batch fermentation process. Time variation of the S. cerevisiae growth, glucose utilization and ethanol productivity was described using different kinetic models and analytically solution. The kinetic constants were determined through the fitting of experimental data with the kinetic model equations. The results demonstrated that the Monod, Logistic, and Luedeking-Piret served as the best describing models for S. cerevisiae growth, glucose, and ethanol concentrations, respectively. Moreover, determination of substrate concentration in according to time via analytical solution of equation was hallmark result of this research.     

基于PSO的丁二酸发酵动力学模型参数优化

丁二酸是一种重要的化工原料,对丁二酸发酵过程进行模型化研究可以为工艺放大提供必要的基础数据。根据丁二酸发酵过程的实验数据,在已有的丁二酸发酵动力学模型的基础上,采用粒子群优化算法进行模型参数优化研究,求得最优参数并利用其进行过程仿真。结果表明优化后的模型能够更好地模拟丁二酸分批发酵过程。和采用遗传算法进行的研究结果相比,粒子群算法提高了模型计算值与实验测量值的拟合程度,且算法简单,易于实现。     

Optimization of rice wine fermentation process based on the simultaneous saccharification and fermentation kinetic model☆

Chinese rice wine making is a typical simultaneous saccharification and fermentation(SSF) process.During the fermentation process,temperature is one of the key parameters which decide the quality of Chinese rice wine.To optimize the SSF process for Chinese rice wine brewing,the effects of temperature on the kinetic parameters of yeast growth and ethanol production at various temperatures were determined in batch cultures using a mathematical model.The kinetic parameters as a function of temperature were evaluated using the software Origin8.0.Combing these functions with the mathematical model,an appropriate form of the model equations for the SSF considering the effects of temperature were developed.The kinetic parameters were found to fit the experimental data satisfactorily with the developed temperature-dependent model.The temperature profile for maximizing the ethanol production for rice wine fermentation was determined by genetic algorithm.The optimum temperature profile began at a low temperature of 26 °C up to 30 h.The operating temperature increased rapidly to 31.9 °C,and then decreased slowly to 18 °C at 65 h.Thereafter,the temperature was maintained at18 °C until the end of fermentation.A maximum ethanol production of 89.3 g·L~(-1)was attained.Conceivably,our model would facilitate the improvement of Chinese rice wine production at the industrial scale.     

Software for Simulation of Second‐Generation Ethanol Production by a Simultaneous Saccharification and Fermentation Process

Environmental impacts associated with the consumption of fossil fuels and the need to generate power through renewable resources demands the usage of alternative materials. The objective is the production of clean energy from materials like lignocellulosic biomass to produce second‐generation (2G) ethanol. A software in the Matlab program is elaborated to simulate the simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process of lignocellulosic biomass for the 2G ethanol production in batch reactors. Studying the effects of the process variables, it was found that the higher interference is caused by cellulose concentration. Higher concentrations of the product in batch processes are obtained with the maximum cellulose concentrations, cells, and enzyme.     

木质纤维原料生物转化燃料乙醇的研究进展

木质纤维生物量能够用来生产一种可替代有限的石油产品的能源——乙醇。木质纤维的转化主要分两个步骤木质纤维生物量中纤维素水解生成还原糖;糖发酵成乙醇。基于目前的技术,木质纤维原料生产乙醇的主要问题是得率低、水解成本高。促进木质纤维水解的方法包括木质纤维原料预处理脱除木素和半纤维素;纤维素酶的优化;同步糖化发酵法(SSF)。     

Time-varying system identification using modulating functions and spline models with application to bio-processes

Time dependent parameters are frequently encountered in many real processes which need to be monitored for process modeling, control and supervision purposes. Modulating functions methods are especially suitable for this task because they use the original continuous-time differential equations and avoid differentiation of noisy signals. Among the many versions of the method available, Pearson–Lee method offers a computationally efficient alternative. In this paper, Pearson–Lee method is generalized for non-stationary continuous-time systems and the on-line version is developed. The time dependent parameters are modeled as polynomial splines inside a moving data window and recursion formulae using shifting properties of sinusoids are formulated. The simple matrix update relations considerably reduce the number of computations required when compared with repeatedly using FFT. The method is illustrated for estimating the kinetic rates and yield factors as time-varying parameters in a fermentation process. The Monod law along with temperature dependency models were used to simulate the data. The simulation study shows that it is not necessary to assume a growth model in order to estimate the kinetic rate parameters.     

基于特征选择的常减压装置模型及在计划优化中的应用

常减压装置将原油切割为不同中间产品,其作为炼油工艺的龙头装置,对炼油过程生产计划排产与效益提升至关重要。通过建立一种高精度且具有良好求解效率的常减压模型,用以求解模型关键指标实沸点（TBP）曲线,即综合考虑切割产品的实沸点（TBP）与原油TBP、流量、温度等变量影响,构建非线性方程组模型来表征输入输出间的关系;利用特征选择方法遴选相关变量（包括进料性质、相邻TBP及其二次项等）,并采用鲸鱼优化算法优化方程组系数。仿真结果表明,该多输出相互关系模型与已有文献工作相比,在兼顾求解效率基础上,常减压装置各蒸馏切割产品TBP曲线预测上有更高的精度,将此模型应用到炼厂计划优化中,与传统的悬摆切割模型对比,优化结果优于传统悬摆切割模型。