同时进行发酵和分离的CO2气提、活性碳吸附乙醇发酵动力学研究（二）游离细

本文研究了游离细胞连续发酵时应用CO2气提、活性炭吸附的乙醇发酵和分离动力学，考察了稀释率和进口葡萄糖浓度对发酵速率的影响，提出了包括CO2汽提乙醇速率的发酵动力学模型，研究了连续发酵时的稳态和动态过程，结果表明，CO2气提有助于减少乙醇对酵母的抑制作用，发酵动力学模型可以较好地关联稳态时的发酵动力学数据，从中获得的模型参数可以用于预测动态过程中底物，微生物及产物的变化规律。对于所研究的过程，存在着最佳稀释率和进口糖浓度以获得最大发酵速率。     

同时进行发酵和分离的CO_2气提、活性炭吸附乙醇发酵动力学研究——(三)固定化细胞发酵

研究了应用固定化酵母同时进行发酵和分离的 CO_2气提的乙醇间歇发酵和连续发酵。从实验结果发现,无论是间歇还是连续操作,无论是改变稀释率还是改变进口底物浓度,在实验范围内,发酵速率都基本上保持常数,即,固定化酵母发酵时,发酵液中少量游离酵母的影响可以忽略,固定化酵母密度在发酵过程中不会发生很大变化。由此而导出的简化模型可以满意地关联稳态操作时的实验数据,并进而推算动态响应曲线。     

同时进行发酵和分离的CO2气提、活性炭吸附乙醇发酵动力学研究（三）固定化

研究了应用固定化酵母同时进行发酵和分离的CO2气提的乙醇间歇发酵和连续发酵。从实验结果发现，无论是间歇还是连续操作，无论是改变稀释率还是改变进口底物浓度，在实验范围内，发酵速率都基本上保持常数，即，固定化酵母发酵时，发醇液中少量游离酵母的影响可以忽略，固定化酵母密度在发酵过程中不会发生很大变化。由此而导出的简化模型可以满意地关联稳态操作时的实验数据，并进而推算动态响应曲线。     

CO_2循环、活性炭吸附酒精发酵的研究

用风机将 CO_2循环送回发酵罐、汽提葡萄糖发酵产生的乙醇,这样,能减少或消除乙醇对酵母的抑制作用。饱和了乙醇和水蒸汽的循环的 CO_2气通过活性炭吸附柱,解吸后可获得乙醇浓度为50wt%左右的粗乙醇产品。本文还研究了酵母浓度对发酵速率的影响及 CO_2循环量对发酵液中和解吸的粗酒精产品中乙醇浓度的影响。估算了这一新过程的能耗并与传统的酒精发酵和回收工艺的能耗进行了比较。     

自絮凝颗粒酵母发酵菊芋汁生产乙醇

分别采用分批和连续发酵方式,对自絮凝颗粒酵母Saccharomyces cerevisiae flo发酵菊芋汁生产乙醇的条件进行了优化. 与先酶解菊芋汁后再用自絮凝酵母发酵的分步糖化发酵相比,分批发酵过程中同时加入菊粉酶和自絮凝酵母的同步糖化发酵乙醇得率高,发酵时间短. 当菊芋汁总糖浓度分别为105和179 g/L时,同步糖化发酵的最高乙醇浓度达50和82.5 g/L,比分步糖化发酵高6.4%和13.8%. 在连续发酵过程中应用同步糖化发酵法,当稀释率为0.02 h-1时,乙醇浓度约为90 g/L时达到稳定状态,乙醇得率达到理论值的90%,生产强度达2.12 g/(L×h).     

乙醇连续发酵与膜超滤耦合过程研究

采用ＣＡ－Ｔｉ复合管式膜组件与发酵耦合操作，用啤酒酵母从葡萄糖连续发酵乙醇是一个从不稳态到稳态的过程。其稳态的最佳操作参数为：初始葡萄糖浓度１４０ｇ／Ｌ，稀释率０．３ｈ~（－１），轴出比０．６３８，相应的细胞浓度２×１０~９ｃｅｌｌ／ｍＬ，葡萄糖利用率９２％，生产率２２ｇ／（Ｌ·ｈ）。当细胞浓度增加到一定程度时，乙醇生产率和酵母比生长速率的增长减缓。反应器中细胞的浓度由稀释率和轴出比决定。     

不同类型载气对乙醇气提发酵的影响

研究了在乙醇气提发酵过程中,分别使用空气、二氧化碳、氮气和高纯氮作为气提载气对细胞生理及乙醇发酵的影响. 结果表明,空气能维持细胞生长和活力,但发酵效果最差,二氧化碳使细胞发酵能力波动不稳定且抑制副产物甘油合成;而以浓度为99.5%～99.8%的氮气为气提载气取得了较好的效果,乙醇和甘油的生产速率比不气提批式发酵分别提高2倍和1.9倍. 对以高纯氮(99.999%)为气提载气的研究发现,发酵进行到47 h开始出现菌种大量死亡现象,此时适当通氧和补充生长所需营养物质,细胞数量回升,活性恢复,最终乙醇生产速率比不气提时提高1.3倍.     

发酵过程中气提的动力学行为探讨

依据歧点和稳定性理论探讨了在全混釜发酵过程中气提移醇的动力学行为，研究了该系统的多重定态现象、以及气提对多重稳态解的影响。通过模拟计算，确立了该系统最优稳态操作区范围，分析了菌体初始浓度和产物初始浓度之间的相互限制作用，以及对最优稳态吸引区的影响。分析结果表明：气提应用于发酵过程，能缓和产物醇对微生物的毒性，扩展系统的操作范围，控制系统移向最优稳态操作。     

恒速流加发酵过程动力学理论分析

恒速流加是一种常见的发酵操作方式。通过对该发酵过程动力学的分析,得到反应器有效体积、稀释率以及过程中细胞浓度、底物浓度、产物浓度随时间的变化关系。且提出在发酵后期系统达到拟稳态。该模型的动力学分析为实验室及工业上的应用奠定了一定的理论基础。     

乙醇连续发酵-渗透汽化耦合系统发酵动力学研究

利用自制硅橡胶平板复合膜构造乙醇连续发酵-渗透汽化耦合系统,研究了系统长期运行中发酵反应动力学问题,并分析了连续发酵过程中细胞比生长率的变化。系统稳定运行了269h。由于渗透汽化的进行,发酵液中乙醇浓度控制在35—45g·L-1,酿酒酵母浓度维持在20—25g·L-1,在发酵与渗透汽化耦合阶段,乙醇产率达到3.4g·h-1L-1,是间歇发酵时的4.5倍。乙醇得率系数为0.46,乙醇的转化率达到91%。膜下游冷凝收集液的浓度可达28.2—16.5%(wt),总渗透通量达到1226—707g·m-2h-1,乙醇渗透通量为293—117g·m-2h-1,分离因子为8.5—4.9。     

CSTR中生化反应振荡行为研究

考虑在生化反应中细胞收率系数Ｙｘ／ｓ随物料浓度变化这一事实，改进了原有的发酵动力学方程，同时首次运用分岔理论研究了乙醇连续发酵过程中存在的振荡现象。结果表明：在低糖浓度条件下，振荡的周期和幅值以及振荡出现的入口浓度阈值都将随着稀释率和入口糖浓度的变化而变化     

膜技术在连续发酵制乙醇中的应用研究

本文对膜技术在连续发酵制乙醇中的应用研究情况作了综述,重点介绍了膜循环发醇器(MRE)。对不同的膜过程、膜组件的形式、微生物种类的影响等作了比较,并简单介绍了循环发酵动力学模型的特征在 MRE 制乙醇中,发酵液中细胞浓度可高达100g(干重)/l,因此在较高稀释率下,基质转化率仍较高,生产率可比间歇发酵提高20倍以上,是非常有开发前途的发酵方法     

硅橡胶膜生物反应器中乙醇发酵与渗透汽化的耦合

用硅橡胶膜生物反应器(SMBR)实验研究连续发酵-渗透汽化的耦合性能。发酵微生物采用酿酒干酵母,所用碳源为工业级葡萄糖。发酵过程由于产物抑制作用,在乙醇质量浓度达到73 g/L时趋于停滞,而耦合渗透汽化膜后,发酵罐内的乙醇质量浓度降低并维持在40 g/L,使发酵可以连续稳定地进行。在SMBR运行达到稳态后,乙醇的体积产率为4.02 g/(L.h)。发酵液中乙醇质量浓度维持在20~63 g/L,聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜的总渗透通量为1 220~800 g/(m2.h),分离因子为5~9.2。与传统发酵和分离相同进料质量分数的乙醇溶液相比,乙醇发酵和渗透汽化在硅橡胶膜生物反应器中能相互耦合并得到强化。与较小规模耦合系统(发酵体积1 L和2 L)比较,性能稳定良好。     

与膜耦合的细胞固定化串联发酵制乙醇的研究

利用植物纤维作为廉价的糖源生产燃料乙醇是解决世界能源危机的最有效途径.今研究采用海藻酸钙固定普通酿酒酵母细胞和嗜鞣管囊酵母细胞于两个串联的发酵罐内,连续发酵葡萄糖和木糖组成的糖液并与膜耦合来制取酒精.通过硅橡胶膜(PDMS)的渗透蒸发过程,将产品乙醇从发酵液中移出,减少了产物乙醇对发酵的抑制作用.实验结果表明,这套采用海藻酸钙固定酵母细胞进行连续发酵并与膜耦合的生物反应器系统,在稀释率为0.321 h-1下稳定运行,剩余葡萄糖和木糖浓度分别为0.134、4.921 g·L-1,乙醇得率为O.457 g(乙醇)·g-1(糖),是理论得率的92.64%.生产能力达到10.996 g·L-1·h-1.与其它发酵方式相比较,用海藻酸钙来固定细胞并与膜耦合的发酵过程可增大酵母细胞浓度,明显降低乙醇对酵母的抑制作用,并提高糖的转化率.     

气提法弱化超高浓度乙醇发酵过程中自絮凝酵母振荡行为

超高浓度(very high gravity,VHG)连续乙醇发酵过程中的振荡行为会导致发酵终点的乙醇浓度振荡和降低,是VHG连续乙醇发酵面临的主要问题。研究表明,游离酵母Saccharomyces cerevisiae 4126和自絮凝酵母BHL01在VHG连续乙醇发酵过程中,生物量、残糖、乙醇、甘油等发酵参数都呈现130～145 h的周期性振荡,且絮凝酵母发酵体系的平均乙醇浓度和乙醇生产强度都明显高于游离酵母体系。在絮凝酵母VHG连续乙醇发酵过程中利用发酵尾气气提分离乙醇,酵母细胞振荡行为被明显弱化,达到拟稳态状态,并且使发酵液中的残糖浓度控制在0.1 g·L^-1以下,平均乙醇浓度为110.87 g·L^-1,乙醇产率达到2.99 g·L^-1·h^-1。因此,本研究为弱化VHG连续乙醇发酵中的参数振荡行为提供了新的技术手段。     

硅橡胶膜生物反应器封闭循环连续发酵制造乙醇放大实验及该发酵系统的基本性能

设计构建了发酵罐体积为5 L,单张膜有效面积为0.08 m2的平板硅橡胶膜生物反应器封闭循环连续发酵系统,实验研究了该系统在长期运行过程中的发酵反应动力学参数和膜传质动力学参数等基本性能.当发酵罐中乙醇浓度在30～60 g·L-1时,得质量浓度为17% ～28%的冷凝渗透液.在连续运行中,细胞浓度维持在10～24.8 g·L-1,料液罐中葡萄糖浓度大约为30～50 g·L-1,乙醇的体积产率为2.33～3.99 g·L-1·h-1,膜的渗透通量和分离因子分别为800～1050 g·m-2·h-1和5.1～8.6. 在连续269 h运行中,得到乙醇1999 g,基质转化率为87.2%,碳回收率为89.5%,产生的废液量大约为传统间歇发酵过程的22.2%左右.     

自产气气提与纤维床反应器耦合发酵生产丁醇

采用发酵产物中的二氧化碳(CO2)和氢气(H2)作为循环气提气源,对丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CGMCC 5234)发酵产物进行原位气提,实现丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续纤维床固定化发酵生产。连续发酵实验进行了12批次共309 h,总溶剂ABE当量浓度为133.3 g·L-1(其中丁醇83.5 g·L-1,丙酮38.4g·L-1,乙醇11.4 g·L-1),葡萄糖消耗率为1.29 g·(L·h)-1,总溶剂ABE产率为0.431 g·(L·h)-1,转化率为0.333 g·g-1,其中丁醇产率为0.270 g·(L·h)-1,转化率为0.209 g·g-1,发酵液中丁醇浓度控制在8~12 g·L-1,显著优于游离发酵的结果。气提提取之后冷凝的ABE溶液出现分层现象,其中丁醇相丁醇浓度高达603.7 g·L-1,极大地减缓后续分离提纯的负担。结果表明,自产气循环气提与纤维床固定化耦合连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的工艺具有可行性和竞争力。     

生物基1， 3-丙二醇连续发酵过程的稳态分析与反馈控制

生物发酵甘油生产1,3-丙二醇的自动化控制是其工业化应用亟待解决的关键问题。首先,采用数学函数连续性分析深入研究了克雷伯氏杆菌连续发酵甘油生产1,3-丙二醇过程的多稳态特性。在不同的初始甘油浓度或稀释速率下,系统均会出现多稳态现象,通过双因素分析确定了多稳态出现的临界区域,该区域内部的稳态是不稳定的。之后,基于反馈控制理论和多稳态分析结果,设计优化了受残余甘油和产物浓度影响的稀释速率控制策略。在连续发酵过程中,调整时间从81.27 h缩短到34.11 h,显著提高了发酵初期阶段甘油的利用率;同时甘油转化率由0.478 mmol·mmol^-1提高至0.563 mmol·mmol^-1,生产强度由85.70 mmol·L^-1·h^-1提高到101.10 mmol·L^-1·h^-1,显著提高了生产性能。     

乳酸固定化细胞柱发酵过程研究

研究了以海藻酸为载体的固定化德氏乳酸杆菌间歇增殖过程,提出增殖模型;建立了稳态时具有轴向返混的固定化细胞柱连续发酵动力学模型;提出了固定化细胞柱初始非稳态过程的数学模型,并对这两个过程进行推算,推算结果与实验结果比较是令人满意的。     

酿酒酵母在硅橡胶膜生物反应器中连续发酵的生长动力学

实验研究了酿酒酵母在硅橡胶膜生物反应器中的细胞生长速率与操作参数之间的关系。在三水平正交实验基础上,用Gauss Newton非线性最小二乘法拟合了细胞比生长率与葡萄糖浓度、乙醇浓度和细胞浓度3变量之间的关系式,得到硅橡胶膜生物反应器乙醇连续发酵的细胞最大比生长率、饱和常数、产物抑制常数和群聚抑制常数等基本动力学参数,表明当细胞浓度达到15g/L或乙醇浓度达到70g/L时细胞生长受到完全抑制。连续发酵实验验证了硅橡胶膜生物反应器中的细胞生长动力学满足拟合模型的规律。