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木薯乙醇生料浓醪同步糖化发酵过程优化及其动力学研究

包莹玲

  乙醇不仅是重要的可再生能源,在食品、化工、医药等领域应用也极其广泛。如何进一步对其生产技术进行改进,降低其生产成本,一直是世界能源行业关注的热点和焦点。本课题主要针对木薯乙醇生产过程中浓醪同步糖化发酵过程,进行发酵条件最优化、生料水解多目标优化及基于双酶非同步协同生料浓醪同步糖化发酵模型构建,具体研究方面如下。 从木薯及酿酒酵母工业菌株的浓醪发酵适应性的表征入手。考察实验用木薯及木薯淀粉的化学组成,浓醪下的流体特征、剪切稀化特性、膨胀势。并通过加入预糊化工艺,发现木薯淀粉粉液能在低温下进行水解。对工业酿酒酵母进行表型分析,考察了酿酒酵母的常醪/浓醪发酵特性,高糖、高乙醇耐性,发现浓醪环境给菌体生长和新陈代谢均带来显著压迫。在未优化的情况下,仅提高粉液浓度,酵母发酵参数表征指标均低于常醪发酵。 应用Plackett-Burman设计(Plackett-Burman Design, PBD)对影响浓醪发酵的包括木薯水解条件、发酵环境及培养基添加物在内的19个因素,进行浓醪同步糖化发酵工艺过程建模和显著性因素通量筛选。通过中心因子(Central Composite Design, CCD)响应面法(Response-Surface Methodology, RSM)对经PBD筛选出的显著因素:木薯浓度、木薯颗粒大小、初始pH、发酵温度进行优化。最优化条件下,发酵结束时乙醇浓度达15.03%(wt.%),较优化前提高1.87倍。 在生料浓醪同步糖化发酵的优化中,首先应用CCD-RSM对影响淀粉生料水解的四个显著因素:α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、液化温度及液化时间分别对菌体浓度、乙醇浓度和淀粉利用率三个目标建模,并对模型进行了最优化估算。发酵结束时,菌体浓度最大值为4.608×108cells/ml,乙醇浓度最大值为18.21%(wt.%),淀粉利用率最大值为94.94%。 在此基础上,应用线性加权法对菌体浓度、乙醇浓度和淀粉利用率三个目标进行多目标优化。通过综合考察分析多目标博弈下,考察水解因素α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、液化温度及液化时间之间,对三个目标进行调控中的相互关系及对各目标优化影响。通过动态作图,提供给决策者一个可视化博弈最优化Pareto解集。 最后在木薯乙醇生料浓醪同步糖化发酵过程中,引入了双酶非同步协同水解概念建模。根据α-淀粉酶及葡萄糖淀粉酶在生料水解木薯浓醪的添加方案及其在实验过程中表现出的菌体生长、乙醇生成和底物消耗规律,建立基于双酶非同步协同木薯乙醇浓醪发酵动力学模型。通过曲线拟合逼近实验数据、经典公式参数计算、Matlab拟合计算等方式对模型参数进行求解。最后应用菌体浓度最优化策略、乙醇浓度最优化策略和淀粉利用率最优化策略进行建模验证。验证结果证明:在酿酒酵母木薯乙醇生料浓醪同步糖化发酵过程中,基于双酶非同步协同水解的发酵过程建模方法具有很高的预测精度、泛化能力。……   
[关键词]:乙醇;浓醪发酵;同步糖化发酵;优化;动力学
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2011年