[發明專利]葡萄糖酸鈉發酵工業裝置模型的建模方法

在審

• 申請號: 201611070692.2
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106778055A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 顏學峰;王鑫超;莊英萍;郭美錦;錢江潮
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G06F19/12
• 分類號: G06F19/12
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司31213
• 代理人: 龔敏

技術領域

本發明屬于生物化學反應工程領域，涉及黑曲霉發酵工藝生產葡萄糖酸鈉的工業裝置模型的建模方法。

背景技術

葡萄糖酸鈉又名五羥基己酸鈉，分子式為C₆H₁₁O₇Na。由于無毒、熱穩定性好等特點，在建筑工業、食品、醫藥等方面有著廣泛的應用。其傳統的生產方式主要有黑曲霉生物發酵法、多相催化氧化法、電解氧化法等。目前工業上生產葡萄糖酸常用的方法是利用黑曲霉發酵獲得，發酵過程中，葡萄糖酸鈉由葡萄糖經葡萄糖糖化酶催化生成葡萄糖酸再經氫氧化鈉中和生成。其合成途徑如圖1所示。在合成途徑中生成一分子FADH2，FADH2在呼吸鏈中以氧為受體被氧化。

葡萄糖酸鈉發酵工業裝置模型以數學的形式定量、綜合地描述了各反應因素對反應過程的影響。如果模型的預測結果能良好地反映實際情況，將對優化生產操作起到重要的作用。但發酵反應是在菌體參與下的反應，菌體的生長和代謝難以準確掌握，代謝產物又會對主反應造成影響，各反應因素(主要有菌體的濃度、反應溫度、反應物濃度、發酵時間等)對反應過程影響復雜。由于其復雜性和人類目前認知水平的限制，真正的葡萄糖酸鈉發酵反應過程機理模型無法建立；工業反應過程積累大量的生產數據，這些數據蘊涵著工業裝置反應過程的特征信息，但從實際生產過程采集的樣本數據總是有限的，樣本數據中包含大量重復程度不同的冗余信息，工業噪聲的廣泛存在等原因，使單純基于樣本數據的數學模型難以完全準確地體現各操作條件的影響，甚至出現違反已知工藝機理和經驗知識的情況，其適用范圍有限，難以滿足大范圍操作優化和控制的需求。因此，預測性能良好的葡萄糖酸鈉發酵工業裝置模型的建立是目前葡萄糖酸鈉生產領域的一個難點。

目前，現有技術中只有葡萄糖酸鈉生產裝置和方法的披露，而結合生產裝置的相關建模方法的技術文獻還未見報道。同時，雖然對于葡萄糖酸鈉發酵過程的建模方法很多，但都是在小試的、半連續的氣液反應器條件下進行的實驗，建立相關的動力學模型。由于生產過程的放大、實驗室條件下小試的、半連續的氣液反應器與工業生產過程大型(或巨型)連續氧化反應器存在巨大的差異，通過實驗室數據建立的動力學模型難以描述工業裝置的特性。

發明內容

本發明目的是提供一種葡萄糖酸鈉發酵工業裝置模型的建模方法。采用廣義的化學計量反應方程組來描述發酵反應的主要過程，結合酶反應動力學中的冪級數結構，建立工業裝置模型框架。通過多元回歸技術建立各反應因素，即菌體濃度(X，g/L)、底物濃度(S，g/L)、產物濃度(P，g/L)、溶氧百分比(C，％)，與速率常數和得率系數的關聯模型。直接基于工業裝置生產數據，挖掘關聯模型的回歸系數，最終建立能良好描述工業裝置特性的葡萄糖酸鈉發酵工業裝置模型。基于葡萄糖酸鈉發酵工業裝置，可以計算不同初始的反應因素下，各反應因素的變化曲線；考查工業裝置中，各反應因素對反應過程的影響；為生產操作條件的優化、過程控制、故障診斷、生產負荷調整等等，提供基礎和依據。本發明的優點：(1)整合廣義的化學計量反應矩陣和酶反應動力學結構，采用多元回歸技術，建立各主要反應因素與速率常數和得率系數的關聯模型。該關聯模型不但可以描述各反應因素對發酵過程的復雜影響規律，而且模型結構簡單。(2)直接基于工業裝置生產數據，挖掘工業裝置的特征信息，建立葡萄糖酸鈉發酵工業裝置模型，避免了通過耗時、花費巨大的實驗裝置測試獲得數據。同時，避免了由于實驗裝置與工業裝置的巨大差異，通過實驗裝置測試數據建立的葡萄糖酸鈉發酵模型無法描述工業裝置的特性。

1.葡萄糖酸鈉發酵過程的廣義化學計量反應方程組

黑曲霉發酵工藝生產葡萄糖酸的過程主要包含三個反應體系，菌體的生長，菌體維持生存的代謝活動，產物的生成，反應體系中有許多中間產物和副產物，對所有的組分都加以考慮，無論從分析角度還是模型計算角度都是不可能的，而且從工業應用角度來看也是沒有必要的。本發明采用廣義的化學計量反應方程組，每個反應體系用一個相對簡單的化學計量反應方程描述。考慮到反應過程中各物質濃度變化情況和工業上感興趣的組分，根據已有的發酵機理信息，建立如下發酵過程的化學計量反應方程組：

其中，

r₁、r₂、r₃分別為菌體生長、菌體代謝和產物生成的反應速率。

X代表菌體濃度，S代表底物濃度，即葡萄糖濃度，P代表產物濃度，即葡萄糖酸鈉濃度，單位都為g/L，C代表溶氧相對于飽和氧濃度的百分比，單位％。

2.冪級數結構的反應速率模型