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。     

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.     

发酵-渗透汽化连续耦合生产ABE的动力学研究

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达 192 h。运行过程中,细胞浓度维持在 0.84~4.00 g/L,发酵液中ABE的总浓度为5.14~17.54 g/L,葡萄糖浓度大约为16.08~35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L?h)。实验结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

发酵-渗透汽化连续耦合合成ABE的动力学

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达192 h。运行过程中,细胞质量浓度维持在0.84～4.00 g/L,发酵液中ABE的总质量浓度为5.14～17.54 g/L,葡萄糖质量浓度大约为16.08～35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L.h)。结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

硅橡胶膜生物反应器降解甲苯的细胞生长动力学

用新型硅橡胶膜生物反应器和假单孢菌(Pesudomonas putida mt-2)作为降解微生物,研究了溶解于废水中的甲苯的生物降解。实验测定了废水中甲苯的浓度,培养液中的细胞浓度和溶解氧浓度等。根据废水中甲苯浓度变化计算出的甲苯降解率在废水对培养液流量比为200/100mL h-1时达到93%,根据细胞浓度变化和甲苯浓度变化计算出的细胞比产率在流量比为30/100mL h-1时达到0.00221OD660 (mg L-1) -1。对细胞生长情况进行的分析表明,Monod方程难于描述这种反应器中的细胞生长动力学表现。在关于膜传质动力学问题研究的基础上,通过质量平衡方法构造了一个关于细胞生长的反应动力学模型,用模型进行的细胞生长理论计算与实验结果有较高的吻合程度。     

膜生物反应器 CCCF 过程中酵母细胞生长特性研究

渗透汽化膜生物反应器CCCF过程乙醇发酵中酵母细胞的生长表现出五个不同的阶段,即：快速生长期、乙醇抑制期、二次生长期、平衡期和衰亡期。采用摇瓶实验对发酵副产物（主要为有机酸和甘油）的抑制行为进行检测,结果表明随着副产物浓度的增加,抑制作用越来越强,细胞生长表现出较长的迟滞期和较低的细胞浓度。当副产物浓度达到膜生物反应器中发酵后期的浓度时,细胞的比生长速率和得率仅分别为0．061和0．024。     

废液全循环工艺中副产物积累对自絮凝酵母生长和乙醇发酵的影响

在单级搅拌式生物反应器中,以双酶法制备的玉米糖化液为底物,进行了废糟液全循环条件下自絮凝颗粒酵母乙醇连续发酵实验. 每隔3 d将收集到的发酵液集中精馏处理,得到的废糟液直接用于玉米粉调浆. 实验装置连续运行25 d. 结果表明,乙酸、乳酸、丙酸、糠醛和2-苯乙醇随废糟液循环不断积累,其中丙酸积累最明显,浓度可达2.7 g/L,是唯一超过临界抑制浓度的副产物. 通过摇瓶添加实验测得上述5种副产物对酵母细胞生长和乙醇发酵的最小抑制浓度分别为3, 20, 1.5, 2和1.5 g/L,丙酸与2-苯乙醇及糠醛与2-苯乙醇之间的协同效应最强.     

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.     

PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum,CICC8012),通过发酵反应与产物渗透汽化原位分离的耦合,实现了丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续发酵生产。进行了2轮操作持续时间分别为274 h和300 h的发酵实验,分别为间断耦合和连续耦合的操作方式。以连续耦合发酵为例,细胞平均干重为1.68 g L 1,丁醇产量为61.43 g L 1,葡萄糖消耗率为1.12 g L 1 h 1,丁醇的体积产率为0.205 g L 1 h 1,比产率为0.122 h 1,转化率为0.183 g g 1。第二轮连续封闭循环发酵的平均葡萄糖消耗率和丁醇产率,都几乎是第一轮的2倍。两轮发酵的细胞生长、产物浓度、葡萄糖消耗和丁醇生成曲线都出现至少2个峰值,表明丙酮丁醇梭菌能适应这种长期发酵模式并且出现再生长。结果表明,PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的操作模式具有可行性和优越性。     

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。     

Improvement of cephalosporin C production by Acremonium chrysogenum M35 in submerged culture with glass beads or silicone rubber

Physical stimulation using a baffle or an impeller has been previously reported to improve cephalosporin C (CPC) production and cell growth. In this study, the effect of glass beads on CPC production in Acremonium chrysogenum M35 was investigated in baffled flasks along with the morphological properties of the culture. Addition of glass beads into the culture broth was found to significantly influence CPC production and cell growth of A. chrysogenum M35 in baffled shake flasks. CPC concentration increased about 30% when compared with baffled flasks without glass beads. Morphological changes such as the total perimeter and number of units, total number of differentiated hyphae or arthrospores, corresponded to varied CPC concentrations. Specifically, total perimeter and number of units increased by more than 10%. However, changes in pH had no relationship to CPC production or the number of glass beads. Pieces of silicone rubber were mixed into a 5 L bioreactor culture to assess any improvement of CPC production. Once added into the main culture, the production of CPC increased about 30% while values of dissolved oxygen (DO), which can be used to estimate oxygen transfer rate (OTR), were lower than main medium without silicone rubber. And dry cell weight was also increased about 10% when silicone rubber was added into a 5 L bioreactor. Key words: Acremonium chrysogenum M35, Cephalosporin C, Glass Bead, Silicone Rubber, Oxygen Transfer Rate     

SAM产生菌酿酒酵母HYS98发酵动力学及比生长速率控制策略

通过恒化培养对S-腺苷甲硫氨酸(SAM)产生菌酿酒酵母HYS98发酵动力学进行了研究. 结果表明,该菌株的生长与限制性基质蔗糖浓度之间符合Monod关系式,最大比生长速率μmax为0.28 h-1,饱和常数KS为1.27 g/L;当0.005 h-1≤μ≤0.11 h-1,产物生成模型为qSAM=-1.39μ2+0.19μ,底物消耗动力学模型为qS=μ/0.62+0.012. 基于建立的动力学模型,提出了分阶段控制菌体比生长速率的流加培养策略,据此策略在5 L反应器中发酵24 h,SAM浓度达3.56 g/L,而SAM产率达0.15 g/(L·h),比文献报道的最高水平高67%.     

膜生物反应器处理小区污水条件的优化

由于膜污染是限制膜生物反应器(MBR)应用与推广的主要因素。为此,本研究以MBR处理某小区污水为例,选择粉末活性炭投加量、活性污泥浓度及曝气量进行L12(43)正交试验,确定最佳的操作条件分别为2 g/L、7 g/L、6 m3/h;并在此基础上进行平行对比试验,其膜阻的最大差值达21.05 kPa,导致膜污染形成和发展的主要物质蛋白质/多糖值与膜压差上升速率存在线性关系。     

新型气升式反应器中浸没/非浸没周期对水母雪莲细胞培养的影响

应用新型周期浸没气升式反应器，进行了水母雪莲细胞的浸没悬浮和非浸没静置交替循环培养，研究了培养过程中的关键条件?浸没/非浸没周期对水母雪莲细胞生长、黄酮合成及细胞聚集体调控的影响，发现5 min/4 h为最佳的循环周期. 在此循环周期下，当通气量为40 L/h、接种量(干重DW)为2~3 g/L时，经20 d的培养，细胞聚集体分布最佳, 细胞干重达9.6 g/L，黄酮类化合物的含量及黄酮类化合物的产量分别可达35.2 mg/g (DW)及338 mg/L.     

硅橡胶/陶瓷复合膜反应器中CO2合成甲醇(Ⅲ)过程实验研究

对在由硅橡胶 /陶瓷复合膜所构成的膜反应器中进行的CO₂ 加氢合成甲醇的复杂反应体系CO₂ +3H₂=CH₃ OH +H₂ O与CO₂ +H₂=CO +H₂ O开展实验研究 .考察了硅橡胶 /陶瓷复合膜在合成含氧化合物反应过程中的作用 ,并讨论了CO₂ 与H₂ 合成甲醇反应的膜反应过程参数对反应行为的影响 ,对部分理论分析结果进行验证 .在实验条件下 ,CO₂ 合成甲醇复杂反应体系中的主反应转化率较传统的固定床反应器提高了 2 2 %     

Improving docosahexaenoic acid production by Schizochytrium sp. using a newly designed high‐oxygen‐supply bioreactor

A sufficiently high oxygen supply is crucial for high‐cell‐density cultivation of aerobic microorganisms, including Schizochytrium sp. We, therefore, designed a novel bioreactor enabling high‐level oxygen supply, and its relevant process parameters and fermentation‐stage characteristics were investigated. The real‐time changes of pH and nonoil biomass were monitored as proxies for the consumption of nitrogen and lipid accumulation status, which was first applied to divided fermentation process with three stages. The experimental results showed that the biomass in this porous‐membrane‐impeller bioreactor was higher than in conventional bioreactor, while docosahexaenoic acid (DHA) percentage in total lipids was lower than in conventional bioreactor. A multistage control strategy is subsequently implemented for the porous‐membrane‐impeller bioreactor, and the maximum biomass, DHA concentration, DHA percentage in biomass and DHA productivity reached 151.0 g/L, 44.3 g/L, 29.33%, 369.08 mg/(L·h), respectively. This study thus provides a highly efficient and economic bioreactor for the production of DHA by Schizochytrium sp. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 4278–4286, 2017