弹性蛋白酶分批发酵动力学模型的建立

对70L发酵罐内Bacillus sp.EL31410分批发酵动力学模型进行了研究。在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基x础上,建立了弹性蛋白酶分批发酵动力学模型。根据实验数据确定了模型参数,得到菌体生长动力学模型为dx/dt=0.180(1-x/9.77)x,弹性蛋白酶生产动力学模型为dp/dt=-dx/dt=4.278x以及葡萄糖消耗动力学模型-ds/dt=0.03(dx/dt)-7.53x。将模型预测值与实验值进行比较,结果表明模型具有良好的适用性。     

Logistic模型模拟乙醇发酵产物动力学

乙醇发酵产物动力学的研究有助于更好的认识发酵过程,为其工业放大及生产操作条件的优化提供理论基础。基于Logistic方程的菌体生长动力学模型可较好的描述细胞生长期及细胞自身抑制作用,但由于该模型方程中的比例参数与积分常数没有明显的生物学意义,使其应用受到了限制。该文从生物学与化学工程学结合角度对Logistic模型方程重新参数化,将发酵产物乙醇生成动力学与酵母生长动力学方程类比,给出了乙醇浓度的显式函数模型,模型中不再出现酵母菌浓度变量,大大简化了模型,并且赋予参数其物理意义;在研究了以葡萄糖和玉米淀粉为原料乙醇质量浓度、总糖质量浓度在不同底物质量浓度和料液比条件下随发酵时间的变化规律的基础上运用该模型拟合了以葡萄糖和玉米淀粉为原料进行乙醇发酵的试验数据,结果表明:模型值与试验数据具有较好一致性,拟合度均大于0.97,可见该重新参数化的Logistic模型可以描述发酵生产乙醇过程中产物乙醇的动力学行为,具有预测工业上实际发酵过程中乙醇浓度的潜力。     

温度对固定化酵母酒精分批发酵的影响及动力学模型

该文以甜高粱茎秆汁液为原料,探讨了温度（25～37 ℃）对甜高粱汁固定化酵母酒精分批发酵的影响,并对不同温度下固定化酵母乙醇发酵的动力学模型进行了研究。结果表明：温度的升高可以提高细胞生长速率,但过高的温度却阻碍了细胞的生长,从而影响了酒精的产量。应用Hinshelwood模型,分别对酒精发酵过程中细胞生长动力学和酒精合成动力学进行了模拟,得到25～34℃范围内不同温度下各种动力学参数。在此基础上,进一步研究了温度同细胞生长动力学参数之间的内在联系,得到酒精分批发酵过程中酵母细胞质量浓度的变化同温度以及底物质量浓度之间的一般关系式,验证试验结果表明,该模型具有很好的适用性。     

磁性壳聚糖微球吸附苹果汁有机酸的动力学及热力学特性

为充分利用中国丰富的苹果资源,开发多品类的苹果深加工产品,以磁性壳聚糖微球为吸附剂,通过磁分离技术,吸附获得苹果汁中的天然有机酸,并对其吸附过程进行研究。利用Lagergren准一级动力学方程、准二级动力学方程、Elovich方程及内扩散方程对吸附反应动力学过程进行拟合;利用Langmuir等温吸附模型、Freundlich等温吸附模型及Temkin等温吸附模型对吸附等温数据进行拟合,并对其吸附反应热力学特性进行分析。通过比较线性拟合方程的决定系数,发现磁性壳聚糖微球吸附苹果汁中有机酸的动力学过程更加符合Lagergren准二级动力学模型,吸附温度越高,吸附速率常数和初始吸附速率越大,但平衡吸附量越低。等温吸附过程更加符合Langmuir等温吸附模型,表明该吸附过程更趋向于单分子层的化学吸附。298 K时,有机酸的饱和吸附量可达到188.679 2 mg/g,表明磁性壳聚糖微球是苹果汁中有机酸的1种高效吸附剂。热力学参数ΔG°0,ΔH°0,ΔS°0,表明磁性壳聚糖微球对苹果汁有机酸的吸附过程为熵增加的可自发进行的放热过程。动力学及热力学结果为磁性壳聚糖微球吸附苹果汁有机酸的研究提供了理论基础与技术支持。     

菲在不同性质黑炭上的吸附动力学和等温线研究

在300、500和700℃3种条件下加热木屑制备得到3种黑炭,并对其结构和组成进行了表征。通过吸附动力学实验和平衡吸附实验,研究了菲在这些黑炭样品上的吸附动力学和平衡吸附,分别应用拟一阶、拟二阶和叶洛维奇3种动力学模型及Freundlich吸附等温方程对实验数据进行了拟合。结果表明,菲在黑炭样品上的吸附可以分为极快吸附、快吸附和慢吸附3个阶段,拟一阶动力学和叶洛维奇动力学方程仅能对菲在黑炭上吸附动力学的某个阶段拟合较好,而拟二阶动力学模型可较好地拟合菲的整体吸附动力学过程。说明菲在黑炭上的吸附由多个过程控制,水膜扩散、吸附剂颗粒表面扩散和吸附剂内部微孔扩散等多个过程导致了其吸附动力学的复杂性。在快吸附阶段,菲在各个黑炭上吸附动力学的差异,主要受黑炭疏水性影响。Freundlich模型对吸附等温数据的拟合结果进一步证实,多环芳烃菲在黑炭样品上的吸附受多种机制影响。     

以羽毛、人发为枯草芽胞杆菌KD-N2液体发酵碳、氮源生产角蛋白酶模型的建立

以枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis)KD-N2为发酵菌种,分别以羽毛、人发为碳、氮源,研究了5 L发酵罐内角蛋白酶的发酵动力学。根据Logistic方程和Luedeking-Piret方程建立了菌体生长和产物生成动力学模型。根据实验数据确定了模型参数,以羽毛为唯一碳、氮源发酵过程中菌体生长动力学模型为dX/dt =0.1013(1－X/0.3742)X,角蛋白酶生成动力学模型为dP/dt =276.69dX/dt －3.6X,以人发为碳、氮源底物发酵过程中菌体生长动力学模型为dX/dt =0.0728(1－X/0.197)X,角蛋白酶生成动力学模型为dP/dt =422.34dX/dt + 5.187X。     

磁性壳聚糖微球吸附苹果渣多酚的动力学及热力学分析

为了更好的利用胺基化磁性壳聚糖微球吸附分离苹果渣多酚的工艺,对其反应动力学和热力学进行了研究。主要采用Langmuir准一级动力学模型、Langmuir准二级动力学模型、Elovich方程及内扩散方程对吸附反应动力学过程进行拟合,并利用Langmuir等温吸附模型、Freundlich等温吸附模型及Temkin等温吸附模型对吸附反应热力学特性进行解析。结果表明:吸附动力学过程符合准二级动力学模型的描述,吸附温度越高,吸附速率常数和初始吸附速率越大,且平衡吸附量越高。吸附热力学过程符合Freundlich等温吸附模型,热力学参数ΔG<0,ΔH>0,ΔS>0,表明胺基化磁性壳聚糖微球对苹果渣多酚的吸附过程可以自发进行,并且是伴随着焓变>0的吸热过程。动力学及热力学研究为利用胺基化磁性壳聚糖微球进行苹果渣多酚的提取分离提供了技术依据。     

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。     

D-101大孔树脂对连翘中黄酮类成分的吸附特性研究北大核心CSCD

通过静态吸附试验,研究了D-101大孔吸附树脂对连翘黄酮的吸附性能。采用一级动力学方程和二级动力学方程探讨吸附动力学特性;根据Van’t Hoff方程研究吸附热力学参数。结果表明,吸附过程符合二级动力学模型。树脂对连翘黄酮的吸附符合Langmuir等温方程,是物理吸附过程,体系放热6.831kJ·mol-1。     

坡面水土迁移动力学理论及发展

水土迁移会产生水土资源的重新分配，也会对周围环境产生重大的影响。结合国内外坡面径流动力学与土壤侵蚀动力学的研究进展，论述了坡面水土迁移过程的动力学特征和运动方程等理论，展望了水土迁移过程的动力学发展前景。     

基于智能检测的发酵过程测控系统集成及应用

发酵测控系统是发酵过程参数智能检测与优化调控的基础,直接影响着发酵过程的控制性能。该文针对L-乳酸发酵过程的智能检测,提出了一种基于智能检测的发酵过程测控系统集成方法,给出了系统的体系结构及实现方法,集成了基于虚拟仪器技术的PXI总线发酵过程智能测控系统,给出了系统的软、硬件设计。该系统通过建立软测量模型,有效地实现了发酵过程不易测量参量的在线估计与控制,为发酵过程提供了一种新的测控系统。试验研究表明,将该系统应用到L-乳酸发酵过程中,通过在线估计葡萄糖液消耗量,实现了L-乳酸发酵过程补料优化控制,乳酸产量提高23%,提高了发酵产物得率。     

厌氧发酵反应器一维稳态传热模型的建立与验证

在北方高寒地区,采取适当的加热及保温措施,确保沼气厌氧发酵所需的稳定温度,是关系到沼气工程冬季能否正常运行的关键所在。厌氧发酵反应器传热耗热量是沼气发酵料液加热系统设计的最基本的数据,它直接影响着加热系统方案的选择、供热管道管径和加热器等主要设备的确定。该文在稳态传热理论的基础上,通过对集厌氧发酵和沼气收集为一体式的全地上反应器传热过程的理论分析,建立了一维稳态传热模型,并通过试验对传热模型进行了修正和验证。结果表明,通过模型计算得到的模拟值与实际值在统计上没有明显差异,传热模型可用于反应器耗热量的计算。这为今后大型沼气工程中厌氧发酵反应器热负荷的计算和反应器能耗的预测提供了依据。     

玉米浆发酵产生物丁醇的氨基酸代谢动力学模拟

为了深入挖掘利用丙酮丁醇梭菌产生物丁醇过程中氨基酸代谢的动态过程，探究利用廉价氮源玉米浆中的氨基酸用于丙酮丁醇梭菌产生物丁醇的生产策略，寻找生产丁醇的高效率廉价氮源来降低发酵生产成本。该研究首先利用高通量测序技术对玉米浆中微生物多样性进行分析；同时基于丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）生产丙酮-丁醇-乙醇（Acetone-Butanol-Ethanol，ABE）碳代谢动态模型的基础上，构建氨基酸代谢模型，以此模拟15种氨基酸在利用木糖为碳源发酵生产ABE中的氨基酸代谢过程，并对氨基酸的代谢与丙酮丁醇梭菌的生物量以及ABE的合成相关性关系进行冗余分析；通过模型预测实际生产中利用玉米浆发酵时氨基酸的消耗过程。结果表明，梭状芽胞杆菌属（Clostridium）占细菌总数的68.76%，是玉米浆中的优势菌群；最佳参数校正后构建了氨基酸代谢模型，模拟值与试验值有较好拟合度；11种氨基酸（苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、酪氨酸、甘氨酸、丝氨酸、精氨酸、天冬酰胺）在培养过程中迅速消耗用于细胞生长和溶剂生成，3种氨基酸（脯氨酸、组织胺、天冬氨酸）保持稳定状态，同时发酵过程中谷氨酰胺积累；冗余分析表明其中5种氨基酸对发酵产物及生物量影响具有相关性（P<0.05），相关性排序从大到小依次为丝氨酸、甘氨酸、亮氨酸、缬氨酸、天冬酰胺；模拟预测玉米浆中缬氨酸、甘氨酸、丝氨酸在发酵过程中基本被消耗，推测其为发酵后期的营养限制性因子。该结论可证实玉米浆可作为丙酮丁醇梭菌发酵丁醇的优势氮源，为丙酮丁醇梭菌的氨基酸代谢调控及下一步利用并优化玉米浆作为氮源生产生物丁醇提供一定的理论参考和数据支撑。     

玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢工艺优化

该文主要以粒度小于0.088 mm秸秆粉的酶解上清液为底物与热预处理后的活性污泥进行厌氧发酵产氢试验,以累积产氢量为考察指标,基于响应面Box-Behnken模型研究不同影响因素对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢的影响,对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢工艺进行优化。结果表明:温度、初始p H值和还原糖浓度三因素中,温度和还原糖浓度对玉米秸秆酶解上清液厌氧发酵产氢的影响最大。采用Box-Behnken模型获得的最佳产氢条件为:温度38.32℃,初始p H值4.93,还原糖浓度20.70 mg/m L,最大产氢量685.59 m L,此时最大产氢率为57.13 m L/g(玉米秸秆)。通过试验验证,实际最大产氢量为659.24 m L,产氢率为54.94 m L/g(玉米秸秆),与模型预测值相比,相对误差为3.84%,说明该模型具有较好的拟合性。该优化工艺可为后期连续流状态下的生物制氢系统提供参考。     

基于LabVIEW的生物发酵过程远程在线监控系统设计

微生物发酵工程是现代生物技术及其产业化的基础,随着微生物技术的迅速发展,发酵工业的生产规模不断扩大,迫切要求对发酵过程进行先进的控制和优化.目前,LabVIEW在发酵过程在线监测与自动化控制领域已经有了一些成功的应用,并越来越受到欢迎,但是大多数研究以上下位机的控制方式为主,对发酵过程进行异地网络化监控少有报道,该文详细介绍整个系统在线监控与远程监测过程的实现.利用LabVIEW虚拟仪器开发平台,结合可编程逻辑控制器(PLC)网络和各类传感器,基于Modbus总线通信协议,实现了生物发酵过程各参数的实时采集和控制,并利用DataSocket技术实现了远程监控.详细介绍了监控系统的结构和硬件构成,以及各功能模块实现的关键技术.实验表明:该系统运行可靠稳定、能较好地实现发酵过程远程数据传输和实时监控.     

自动化机械发酵食醋过程中品质变化规律

为全面了解转鼓式反应器固态发酵食醋过程中主要成分和风味物质的动态变化规律,该文对反应器发酵食醋过程进行跟踪取样,利用高效液相色谱、固相微萃取技术、气相色谱-质谱联用技术,对酒精、总酸、还原糖、氨基态氮、有机酸、挥发性风味物质含量变化进行实时监测,结合主成分分析方法,探究食醋不同发酵阶段的风味物质差异。结果表明,酒精含量在发酵0～4 d内迅速增加,随后逐渐下降至零;总酸含量呈现先快速上升后缓慢上升的趋势;还原糖含量呈先快速下降后逐渐上升,最后逐渐下降的趋势;氨基态氮呈现先快速上升后缓慢上升的趋势;乙酸和乳酸是主要的有机酸,整个发酵过程中,乙酸含量持续增加,乳酸含量呈先上升后下降趋势,其他有机酸含量较少,发酵期间变化波动相对较小;共检测出64种挥发性风味物质,包括酯类25种,醇类12种,酸类6种,酚类5种,醛类5种,酮类6种,杂环类5种;发酵前、中、后期的重要挥发性物质分别是醇类化合物、酯类和醛类化合物、酸类化合物。该结果为推进转鼓式固态发酵食醋反应器的实际生产应用提供了理论基础和数据参考。     

基于数据融合策略的红茶发酵程度判别

发酵是红茶加工过程中关键的一道工序,对红茶的品质形成有着重要影响。该研究以大叶种英德红茶中的英红九号为研究对象,试验收集了204份不同发酵时间的红茶样品并使用便携式近红外光谱仪和工业相机获取红茶发酵中的信息,基于近红外光谱数据、图像数据和数据融合策略分别建立了红茶发酵程度判别模型。通过分析茶多酚和儿茶素类含量的变化,将红茶的发酵划分为3个阶段,即发酵不足、发酵适度和发酵过度。采用Savitzky-Golay光滑对原始光谱进行预处理,利用竞争自适应重加权采样（Competitive Adaptive Reweighted Sampling, CARS）、连续投影算法（Successive Projections Algorithm, SPA）和主成分分析（Principal Components Analysis, PCA）对近红外光谱变量进行降维处理;相应地,图像进行去阴影后提取了9个颜色特征变量,采用皮尔森（Pearson）相关分析和主成分分析进行特征变量提取。最后采用线性判别分析（Linear Discriminant Analysis, LDA）和支持向量机（Support Vector Machine, SVM）分别建立了基于近红外、图像和两者数据融合的分类模型。结果表明,在建模数据相同的条件下,非线性的支持向量机模型性能优于线性判别分析模型。单一传感器数据建模效果不佳,近红外光谱和图像判别模型的预测集最大准确率仅为83.82%和73.53%。低层次数据融合建模效果较单一传感器数据建模无明显提升,而中层次的数据融合建模效果比单一数据建模均有显著提高,其中SPA提取光谱变量结合Pearson提取图像变量建立的判别模型效果较佳,校正集和预测集准确率分别达到了97.06%和95.59%。研究表明,近红外光谱和视觉结合的中层次融合策略可以作为一种快速判别红茶发酵程度的方法,研究结果为红茶发酵程度构建等级模型与判别奠定了一定的理论基础,为红茶发酵的自动化检测提供了重要依据。     

海洋微生物酶反应器智能控制系统的研制

生物发酵过程具有严重非线性、高度时变性、高阶多变量和大型不确定的特点,为了实现生物发酵过程的自动化控制,提高生物技术产品的生产水平,使得发酵过程的参数检测、操作监视、自动控制等智能化,分析了影响发酵过程的主要因素以及各变量之间的耦合关系,综合应用传统的PID控制方法、模糊神经网络技术,构建了一种多变量模糊神经控制系统的前馈解耦算法并将其应用在发酵过程的思想,同时采用了冷凝、回收、利用发酵尾气技术,解决了尾气排放、罐体泄漏染菌的问题。模糊神经控制器和解耦部分独立设计,在模糊控制器中引入神经网络,解耦网络采用一层隐层,利用简化的学习算法,根据系统输出误差,在线调整网络权值,从而实现动态解耦而无需辨识被控对象的模型。该方法结构简单且计算量小,经实际应用结果表明这种控制算法具有很好的控制效果。     

产纤维素酶真菌混合发酵研究进展

总结了常见的分解纤维素真菌种类,并介绍了纤维素酶生产的方法。传统的利用单一菌种发酵纤维素材料的方法存在降解率低,发酵时间长等缺陷。而利用微生态原理,使用多个菌种进行混合发酵的方法被证明可以有效降解纤维素。重点介绍了固态混合发酵和液体混合发酵的工艺,并对产纤维素酶真菌混合发酵的前景作了预测。