[發明專利]運動發酵單胞菌生產乙醇中振蕩過程的調控方法

有效

• 申請號: 201410059227.3
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103810391B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 王杭州;趙勁松;張楠;邱彤;陳丙珍;韓云里
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發明屬于生物乙醇的生產技術領域，特別涉及運動發酵單胞菌生產乙醇中振蕩過程的調控方法。

背景技術

隨著后化石經濟時代的到來，用可再生的生物質資源替代化石能源已成必然。我國是石油資源相對貧乏的國家，據測算我國石油穩定供給不超過20年，很可能在我國實現“全面小康”的2020年，迎來石油供應喪失平衡的“拐點年”。為緩解能源壓力，我國政府在不斷推進可再生能源產業的相關研究，國家發改委于2007年制定的中長期可再生能源開發計劃中制定目標，到2020年采用生物燃料替代1000萬噸石油產品，占到全部交通燃料消費量的15%左右。生物乙醇需求量巨大，但是生產成本高制約了生物乙醇的大規模生產。目前生物乙醇的生產成本構成中，能耗成本約占30%，僅次于原料成本（約占60%），因此降低能耗是降低生物乙醇生產成本的主要方向。提高發酵產物中乙醇的含量，減少分離過程的能耗，是生物乙醇生產領域迫切需要解決的技術問題之一。

目前工業連續發酵生產生物乙醇中使用的菌種主要是釀酒酵母和運動發酵單胞菌。運動發酵單胞菌的乙醇產率高達97％，釀酒酵母只有90％，產物濃度高有利于降低能耗，除此之外，相比釀酒酵母，運動發酵單胞菌還具有生長和發酵能耗低、耐酒精度高、能在較高糖濃度中生長發酵、不需要控制氧濃度等優點，這些優點可以進一步降低能耗。因此，使用運動發酵單胞菌連續發酵生產生物乙醇過程具有更大的成本優勢。

但是運動發酵單胞菌生產過程中存在復雜的振蕩現象，在實驗中觀測到生物質和產物濃度持續大幅度的振蕩行為。與穩態操作相比，振蕩行為更難以預測和控制，從而影響生產過程的平穩，因此需要研究引發振蕩現象的特定條件，開發相應的調控方法來減弱振蕩過程帶來的不良影響。為了充分發揮運動發酵單胞菌的優勢，提高產物的轉化率，必須解決穩定性的問題，因此，需要深入研究運動發酵單胞菌乙醇連續發酵過程的特性并提出振蕩過程的定量調控方法。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供運動發酵單胞菌生產乙醇中振蕩過程的調控方法，為提高發酵過程的穩定性，提高產物轉化率，降低生產成本提供依據。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

運動發酵單胞菌生產乙醇中振蕩過程的調控方法，包括以下步驟：

第一步，采用實際生產數據建立運動發酵單胞菌連續發酵生產乙醇的動態模型其中x是該發酵過程模型的狀態變量，α是該發酵過程模型的操作變量；所述的狀態變量包括產物濃度、底物濃度和生物質濃度；所述的操作變量包括稀釋速率和初始底物濃度；

第二步，通過動態模型模擬計算獲得運動發酵單胞菌乙醇連續發酵中的振蕩過程與操作變量之間的定量關系，具體為：

步驟2.1，通過改變操作變量，求取該發酵過程動態模型中對應的Hopf奇異點；

步驟2.2，通過模擬Hopf奇異點在這些操作點上的振蕩過程，獲取該過程的振蕩過程數據，所述的振蕩過程數據包括振幅和周期；

步驟2.3，通過分析振蕩過程數據與操作變量的數值，建立振蕩過程與操作變量之間的定量關系；

第三步，利用振蕩過程與操作變量之間的關系來調控實際生產過程中的振蕩現象來趨利避害；調控振蕩現象包括調控振蕩的振幅的大小和周期的長短；

第四步，比較調控后的實際生產的數據與數值模擬結果是否相符，如果數值相符，繼續采用該振蕩過程與操作變量之間的關系來調控振蕩過程；如果實際生產的數值與模擬數值結果不符，修改動態模型的參數，重復第一步至第三步，直到最終調控后的實際生產數據與模擬預測的數據相符為止。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

對于發酵過程這樣的慢過程，本發明相比傳統的實驗方法，能夠克服實驗過程由于周期較長、實驗不充分而只有有限的實驗數據；有些動態特性有可能被忽略掉的不足。使用本發明的方法可以得到完整的動態特性的數據，建立精確的調控模型，進而對連續發酵中的振蕩過程進行有效調控。

附圖說明

圖1是本發明通過改變操作變量來調控運動發酵單胞菌連續生產乙醇中振蕩過程的流程圖。

圖2是運動發酵單胞菌連續生產乙醇的流程示意圖。

圖3是進料稀釋速率為0.1h^-1時系統振蕩過程。

圖4是進料稀釋速率為0.2h^-1時系統振蕩過程。

圖5是預測振蕩過程振幅為10kg/m³時系統的振蕩過程。