基于pH控制的丙酮丁醇间歇发酵过程动力学模型
丙酮丁醇梭菌发酵的动力学
主要内容
1
概述 发酵条件究进展
4
一、概述
丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）
属于梭菌属，革兰氏染色阳性，能产生丙酮和丁醇等 溶剂的厌氧芽孢杆菌。菌落呈圆形，灰白色，半透明，表 面有光泽。 该菌的发酵分为两个阶段：产酸阶段和产溶剂阶段。 产生的溶剂有丙酮、丁醇、乙醇，比例为3:6:1，此发酵又 叫做ABE发酵。 在产酸阶段菌体生长迅速，乙酸和丁酸不断积累，pH 下降，当pH下降到一定值时，代谢转向产溶剂阶段，乙酸 和丁酸被消耗。在产溶剂后期，由于营养物质的缺乏以及 代谢物的毒性，菌体逐渐衰亡，产生芽孢。
其中，KIP和n为丁醇的抑制常数
上述方程中有μmax、KS、KIP、n四个模型参数，南京 工业大学焦敏等人运用遗传算法进行参数优化。 遗传算法是借助于生物进化的规律,通过繁殖、遗传 和竞争,实现优胜劣汰,从而一步一步地逼近问题的最优解， 而且对目标函数不要求连续、可微。对于生化反应动力学 参数估算，实质上是对微分方程组模型参数的估算问题。 焦敏等人采用了改进的遗传算法对模型参数进行了优 化估算。他们事先设定了一些pH,在这些不同的pH下分别 使用MATLAB编写M程序从而优化上述四个参数。
二、发酵条件的选择
1.碳源的选择
江南大学有关研究者的研究结果表明以玉米粉和淀粉 作为碳源要明显强于葡萄糖。
2.温度的选择
37 ℃为最佳发酵温度。
3.初始pH的选择
江南大学研究者的研究表明初始pH为5.2时溶剂产量最 高。而四川大学的研究者用葡萄糖和酵母膏作碳源时，得 出的结论是初始pH为6.8时总溶剂量达到最大。
4.接种量的选择
7％为最佳接种量。
三、发酵动力学简介
以生物柴油为萃取剂的丙酮丁醇发酵研究的开题报告
以生物柴油为萃取剂的丙酮丁醇发酵研究的开题报告一、选题背景及意义：现代社会高度依赖化石能源，然而这些能源的快速消耗会导致环境污染、气候变化和生态破坏等问题。
相比之下，生物能源具有可再生性、环保性和低碳排放等优势，被广泛研究和应用。
生物柴油是一种重要的生物能源，其来源广泛、成本低廉、能量密度高，被认为是替代化石燃料的潜在选择。
因此，发掘新的生物柴油生产途径和提高生产效率具有重要的科学和社会价值。
丙酮丁醇发酵是生产生物柴油的常用工艺之一，丙酮丁醇可以作为萃取剂提取生物柴油，并在后续的脱水和酯化反应中转化为生物柴油，具有较高的转化率和纯度。
然而，目前使用的萃取剂主要是石油化学制品，存在成本高、对环境造成污染等问题。
因此，研究以生物柴油为萃取剂的丙酮丁醇发酵工艺，既可以提高生物柴油的纯度和收率，又可以减少环境污染和成本支出，具有广阔的发展前景。
二、研究内容：本研究旨在探究以生物柴油为萃取剂的丙酮丁醇发酵工艺，包括以下方面：1. 筛选高产菌株：通过从环境样品、土壤样品等中分离提纯并鉴定菌株，筛选出产量高的微生物菌株，优化丙酮丁醇的发酵产量。
2. 优化发酵条件：调节发酵条件，包括温度、pH、初始pH、初始营养物质浓度等因素，优化菌株的生长条件，提高丙酮丁醇的产量。
3. 确定生物柴油的萃取效率：比较不同类型萃取剂在生物柴油萃取过程中的效率，确定以生物柴油为萃取剂的丙酮丁醇萃取工艺的最佳工艺参数。
4. 验证生物柴油的转化效率：研究丙酮丁醇转化为生物柴油的脱水和酯化反应，分析生物柴油的产量、纯度和物理化学性质。
三、研究方法：1. 筛选菌株：从土壤、沉积物等样品中分离提纯微生物菌株，并对其生长速度、产量等指标进行评价。
2. 发酵实验：利用碳源（如糖类、油脂、淀粉类）、氮源（如酵母提取物、饲料添加剂、氨基酸）、微量元素等营养物质，通过改变发酵条件，如温度、速率、初始pH值等，进行丙酮丁醇的发酵实验，并记录发酵产物的变化。
利用丙酮丁醇发酵废水偶联乙醇发酵的研究
利用丙酮丁醇发酵废水偶联乙醇发酵的研究*左文朴1裴建新1庞浩1黄志民1黎贞崇1韦宇拓2黄日波1, 2（1. 广西科学院国家非粮生物质能源工程技术研究中心，广西南宁530003；2. 微生物及植物遗传工程教育部重点实验室，广西南宁530005）摘要：丙酮-丁醇发酵生产过程中产生大量废液，本研究以一株从自然环境中分离得到的酿酒酵母GXAS-BT9作为发酵菌株，利用丙酮-丁醇发酵的废液作为乙醇发酵的配浆用水，进行乙醇发酵。
实验结果表明：GXAS-BT9菌株的乙醇发酵产率随着废液比例的升高而增加，即使使用100%废液作为配浆用水，玉米粉和木薯粉作为原料的的乙醇产率分别达到14.27%（v/v）和14.26%（v/v），比对照分别提高了14.7%和9.6%。
本研究将丁醇发酵与乙醇发酵偶联起来，实现了水的循环利用，同时大大减少了污水的排放量。
【关键词】丙酮-丁醇发酵废水乙醇发酵偶联中图分类号：文献标识码：文章编号：Study of resuing the waste water of acetone-butanol fermentation by coupling alcoholicfermentationZuo Wen-pu1Pei Jian-xin1Pang Hao1Huang Zhi-min1Li Zhen-chong1Wei Yu-tuo2Huang Ri-bo1, 2(1. National Engineering Research Center for Non-food Biorefinery, Guangxi Academy of Science, Nanning 530003, Guangxi; 2. Key Laboratory of Microbial and Plant Genetic Engineering of Ministry of Education, Guangxi University, Nanning 530005, Guangxi)Abstract: A lot of waste water was produced from Acetone-butanol fermentation, this research take use of strain GXAS-BT9, which was a Saccharomyces cerevisiae separated from the natural environment, as the ethanol fermented strain and the waste water from Acetone-butanol fermentation as fermentation water. The results show that the ethanol production rate increase with the increase of the proportion of wastewater, ethanol production rate increase 14.7% and 9.6% when using cornmeal and cassava meal, reached 14.27%（v/v）and 14.26%（v/v）respectively. Coupling the Acetone-butanol fermentation and ethanol fermentation will solve the water recycling and reduce the sewage discharge greatly.Key words: Acetone - butanol fermentation; waste water; ethanol fermentation; coupling近年来随着世界经济发展对石油需求的不断扩大，石油作为战略物资和不可再生的收稿日期: 2010-基金项目: 桂科转(09321071)，桂科攻(0992022-1)，微生物及植物遗传工程教育部重点实验室开放课题基金(J0804)作者简介: 左文朴( 1983-)，男，硕士，研究方向: 发酵工程，E-mail: wenpuz@通讯作者: 黄日波，教授，博士生导师，Email: priboh@能源，价格不断上涨，带动着丁醇的价格不断上扬，面对化学法生产丁醇的高成本以及丁醇的旺盛需求的局面，生物发酵法生产丁醇重新具有了市场竞争优势，发展前景十分广阔[1-3]。
丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇实验设计1
试验内容
一、玉米秸秆水解实验设计 二、丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇培养基及发酵 条件优化
三、以玉米秸秆水解液为底物发酵产丁醇的 研究
一、玉米秸秆水解实验设计
实验研究玉米秸秆经不同试剂预处理 后对其酶水解的影响,以及pH值、时间、酶 用量、底物浓度等因素对酶水解率的影响, 从而得出最佳酶解条件。并利用最佳条件 下的水解液进行丁醇发酵,从而达到农业秸 秆的资源化利用。
二、丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇培养基及发酵条件优化 （一）实验设计： 1.培养基及培养方法 (1)培养基
A 种子培养基: 5%玉米醪，pH自然; B 原始发酵培养基: 葡萄糖 50 g／L KH2PO4 0.5／L 醋酸胺 3 g/ L MgSO· 7H2O 0.2g/L K2HPO4 0.5 g/ L 邻氨基苯甲酸 0.01 g/ L pH 自然 C 单因素实验发酵培养基(g/ L ):以原始培养基为基础组分，分别 改变初始糖浓度、初始pH值、碳氮比、发酵温度、转速、邻 氨基苯甲酸浓度;
糖浓度:40 、 60 、 80 、 100 、 120 g/L pH值: 4 、 5 、 6 、 7 、 8 碳氮比: 37、42、47、52、57 邻氨基苯甲酸浓度:0.0005、0.001、 0.0015、0.002、 0.0025和 0.003g/L 发酵温度:32 、 34 、 36 、 38 、 40℃ 转速: 150、160、170、180、200r/min D 正交设计实验发酵培养基(g/ L ): 培养基选取葡萄糖为碳源，醋酸按为无机氮源，并添加适 量邻氨基苯甲酸。由于培养基的碳氮比C/N、初始pH、发酵温 度以及生长因子对微生物的丙酮、丁醇合成影响很大，故对发 酵培养基的C/N ，初始pH，邻氨基苯甲酸浓度，发酵温度进行 均匀设计实验，以达到优化发酵培养基和发酵条件的目的。 按照实验设计按下表配制;
发酵工艺控制——PH
发酵工艺控制—— pH对发酵的影响及控制发酵过程中培养液的pH值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，是一项重要的发酵参数。
它对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。
因此，必须掌握发酵过程中pH的变化规律，及时监测并加以控制，使它处于最佳的状态。
尽管多数微生物能在3～4个pH单位的pH范围内生长，但是在发酵工艺中，为了达到高生长速率和最佳产物形成，必须使pH在很窄的范围内保持恒定。
一、PH对发酵的影响微生物生长和生物合成都有其最适和能够耐受的pH范围，大多数细菌生长的最适pH 范围在6.3～7.5，霉菌和酵母生长的最适pH范围在3～6，放线菌生长的最适pH范围在7～8。
有的微生物生长繁殖阶段的最适pH范围与产物形成阶段的最适pH范围是一致的，但也有许多是不一致的。
表7-1列举了几种生长最适pH范围与产物形成最适pH范围不一致的例子。
pH还会影响菌体的形态。
例如，产黄青霉细胞壁的厚度随pH的增加而减小；当pH低于6时，菌丝的长度缩短，直径为2～3μm，当pH=7或>7时，直径为2～18μm，酵母状膨胀菌丝的数目增加。
pH下降后，菌丝形态又恢复正常。
pH还影响细胞膜的电荷状态，引起膜的渗透性发生改变，进而影响菌体对营养物质的吸收和代谢产物的形成。
对产物的稳定性同样有影响。
除此之外，pH对某些生物合成途径有显著影响。
例如，丙酮丁醇发酵中，细菌增殖的pH范围是5.5～7.0为好，发酵后期pH=4.3～5.3时积累丙酮丁醇，pH升高则丙酮丁醇产量减少，而丁酸、乙酸含量增加。
又如，黑曲霉在pH=2～3时产生柠檬酸，pH近中性时，积累草酸和葡萄糖酸。
谷氨酸发酵中，pH=7或微碱时形成谷氨酸，pH酸性时产生N—乙酰谷酰胺。
从以上看出，为要更有效地控制生产过程，必须充分了解微生物生长和产物形成的最适pH范围。
二、影响发酵pH的因素发酵过程中，pH的变化是微生物在发酵过程中代谢活动的综合反映，其变化的根源取决于培养基的成分和微生物的代谢特性。
丙酮-丁醇的微生物发酵生产
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald120丙酮-丁醇发酵历史悠久，早在1912年，人们开始利用梭状芽孢杆菌发酵，即以粮食作物为原料生产丙酮和丁醇[1]。
该产业一度成为世界上第二大发酵产业，用于生产火药、合成橡胶等重要的化学品。
直到20世纪中叶，廉价的石油被大量开采和利用，以石油为原料来合成化工产品的方法快速兴起，导致丙酮-丁醇发酵方法的利用越来越少，其发酵工艺的改进也严重迟滞。
进入21世纪后，由于人类长时间的开采，石化资源已接近耗竭；另外，由于工艺水平和处理技术的限制，大量含有石油类的废渣、废水排放引起了严重的环境污染。
为了贯彻经济与生态环境协调发展的方针政策，寻找绿色能源已经成为迫在眉睫之事。
此时，丙酮-丁醇发酵途径再次引起人们的极大关注，微生物发酵制丙酮-丁醇较原来丙酮-丁醇发酵的优点是发酵周期短、产物转化率高、代谢副产物少。
因此即使目前微生物发酵产丙酮-丁醇成本高，尚不具有很大的竞争市场，但是通过原料和技术的改进后可以降低生产成本、增加产量，丁醇将成为最具实用价值的廉价、清洁的新型液态生物燃料。
该文章对近年来改善丙酮-丁醇发酵的相关方法和措施进行综述，以期对相关领域的研究人员有所帮助。
1 生产丙酮-丁醇的可替代性原料目前，工业生产丙酮和丁醇主要以农作物为原料，存在着成本高，产量相对较低的问题。
为了解决这种问题，需要寻找可替代原料。
近年来发现的可替代原料主要有木质纤维素类、合成气、废弃蛋白质类。
目前认为，木质纤维素类生物质是世界上最丰富、最廉价的可再生能源，木质纤维素类包括森林残留物和农业残留物，都可用ac etone -but a nol-e t h a nol （A BE）梭状芽孢杆菌发酵生产丙酮和丁醇，但是对于不同的木质纤维素类原料，丙酮-丁醇的生产效率也不尽相同。
S w a n a等[2]用4种原料：柳枝稷、杨树、玉米秸秆、小麦秸秆生产丁醇时发现，玉米秸秆是生产丁醇产量最高的原料，其在生产丙酮和丁醇过程中最大利用率可达75%。
丙酮丁醇高产菌株选育及发酵工艺研究的开题报告
丙酮丁醇高产菌株选育及发酵工艺研究的开题报告一、研究背景及意义丙酮丁醇是一种重要的有机溶剂，广泛应用于化工、医药、农药和粘合剂等领域。
目前，市场上的丙酮丁醇来源主要是石化法合成或从生物体内提取，其中后者具有较好的环保性和可持续性，因此成为了众多企业和学者所关注的重点之一。
目前，发酵法是提取丙酮丁醇的主要方法之一。
然而，由于菌株品种、发酵条件等原因，丙酮丁醇的产量较低，限制了其在工业领域的应用和推广。
因此，研究如何选育高产丙酮丁醇的菌株并优化发酵工艺，对于实现丙酮丁醇的工业化生产具有重要的意义。
二、研究目标本研究旨在通过菌株筛选和发酵工艺优化，实现丙酮丁醇的高效且稳定的生产。
具体目标如下：1. 优选出高丙酮丁醇产量的菌株；2. 在不同营养条件下进行发酵，筛选出最佳发酵条件；3. 结合反应动力学和代谢调控等方法，优化丙酮丁醇产量。
三、研究内容和方法1. 菌株筛选。
通过菌落形态和生长速度等指标，对多株菌株进行初步筛选，并进一步通过发酵产物含量和酵母菌的形态学特征等因素进行综合评估，选出产量最高、生长较快的菌株。
2. 发酵条件优化。
设计不同组合的培养基营养成分，改变温度、初始pH值、气体气相、培养时间等发酵条件，筛选出最佳的发酵条件。
3. 反应动力学和代谢调控。
通过建立反应动力学模型，控制发酵过程的速度和质量，同时通过代谢调控机制优化发酵过程中酶的活性和基因表达等方式，提高丙酮丁醇的产量。
四、预期成果和意义本研究预计可以优选出高丙酮丁醇产量的菌株，并对发酵条件作出优化调整，通过反应动力学和代谢调控手段进一步促进丙酮丁醇的生产。
研究结果可以为实现丙酮丁醇工业化生产提供重要的理论和技术支持，具有重要的学术和实践价值。
丙酮丁醇梭菌计算机模型及代谢通量分布热力学最优算法的开题报告
丙酮丁醇梭菌计算机模型及代谢通量分布热力学最优算法的开题报告一、选题背景及意义丙酮丁醇梭菌是一种革兰氏阳性菌，能够在不同的环境中生存，并被广泛应用于工业生产中的化学品和药物的生产。
为了更好地理解丙酮丁醇梭菌的代谢特性和生理机制，需要开发计算机模型来预测代谢通量分布等相关信息，并通过对其进行优化来提高梭菌的产量和质量。
因此，本文拟以丙酮丁醇梭菌为研究对象，开展相关研究，旨在构建其计算机模型和代谢通量分布热力学最优算法，以期为丙酮丁醇梭菌的生产和应用提供理论依据和技术支持。
二、研究内容和主要思路本文的研究内容主要包括以下三个方面：1. 构建丙酮丁醇梭菌计算机模型针对丙酮丁醇梭菌的代谢途径和相关代谢产物，建立相应的计算机模型，包括代谢产物的合成通路和相关酶的催化反应，同时考虑到丙酮丁醇梭菌的储物聚合物和酶的调节作用等因素。
2. 预测丙酮丁醇梭菌的代谢通量分布通过建立模型，推断丙酮丁醇梭菌的代谢通量分布情况，以及各代谢产物的产生量和消耗量等相关信息，并通过代谢通量分布图来直观表达结果。
3. 基于热力学最优算法进行代谢通量分布的优化针对预测的代谢通量分布情况，通过基于热力学的最优化算法，对其进行优化。
主要包括对代谢产物的产生、消耗和代谢通量之间的关系进行分析，优化代谢途径的选择和酶催化反应的速率。
三、研究计划及预期目标1. 研究计划阶段一：文献调研及计算机模型的构建（3个月）阶段二：代谢通量分布预测与热力学最优算法的建立（6个月）阶段三：算法优化和实验验证（9个月）阶段四：写作论文撰写及答辩（3个月）2. 预期目标预计通过本研究可以完成丙酮丁醇梭菌的计算机模型建立、代谢通量分布预测与热力学最优算法的建立和实验验证等工作，探索了丙酮丁醇梭菌的代谢规律，为更好地开发和利用丙酮丁醇梭菌提供了科学依据和技术支持。
同时，本文的研究结果将有望在生物医药、环境治理、工业生产等领域得到应用。
发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件
二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-3）表明：初始葡萄糖浓度为80g/L，当培养 基中蛋白胨浓度为15g/L时，丙酮酸产量较高，低于15g/L时，葡 萄糖消耗速度较慢，细胞干重和丙酮酸产量也较低；而高于 15g/L时，丙酮酸产量明显下降。
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响
1、豆饼水解液对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-4）表明：豆饼水解液浓度为5g/L时，发酵
用微生物中某一具有特定功能的酶完成由底物（如乳酸）
向丙酮酸的转化。 具体包括如下4种方法：
1、酵母直接发酵生产丙酮酸 常用的酵母有球拟酵母、嗜盐酵母、假丝酵母、得巴利酵 母等，其中球拟酵母属菌株，特别是烟酸、硫胺素、吡哆醇和 生物素4种维生素的营养缺陷型T.glabrata IFO 0005是发酵法生 产丙酮酸的首选菌株。
T.glabrata IFO 0005在只有聚蛋白胨而不添加维生素的种子培养
基上照样生长良好的实验结果表明聚蛋白胨中所含有的维生素 足以满足多重维生素营养缺陷途径中的作用显然无法得
出明确的结论，也不可能使丙酮酸产率达到很高的水平。
2、由于培养基中四种维生素的水平直接影响PDC
（丙酮酸脱羧酶）、PHD（丙酮酸脱氢酶系）、PC（丙 酮酸羧化酶）和PT（转氨酶）的活性，仅仅通过单因素
实验很难分析出烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素各自在丙
酮酸过量合成中的作用，也就谈不上合理优化策略的确定。 3、已有报道认为较高的溶氧有利于丙酮酸的积累， 但溶氧要高到什么程度，应当怎样控制等具体问题并没有 定论。此外，如果把生物素作为主要因素，溶氧作为次要 因素，这两种因素组合起来会对丙酮酸发酵过程产生什么 影响也未有报道。
葡萄糖 乙醇 Ⅰ 硫胺素 Ⅰ：丙酮酸脱羧酶（PDC） Ⅱ：转氨酶（PT） Ⅲ：丙酮酸羧化酶（PC） Ⅳ：丙酮酸脱氢酶系（PDH） 丙酮酸 Ⅳ Ⅱ 吡哆醇 氨基酸 硫胺素 烟酸 生物素
丙酮丁醇发酵的研究进展及其高产策略[2]
2007年第26卷第12期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·1727·化工进展丙酮丁醇发酵的研究进展及其高产策略靳孝庆，王桂兰，何冰芳（南京工业大学制药与生命科学学院，江苏南京 210009）摘要：从代谢机理的阐明、生产菌种的改良和发酵工艺的改进3个方面综述了丙酮丁醇发酵近年来的研究进展。
针对丙酮丁醇发酵工艺中存在的问题，提出高丁醇耐受性菌种的选育、高丁醇比例菌种的选育、发酵细胞的高效利用、发酵与高效低能耗分离工艺的耦合等高产策略。
关键词：丙酮丁醇发酵；Clostridium；丁醇耐受性；菌种选育；发酵与分离耦合中图分类号：TQ 223.12+4文献标识码：A文章编号：1000–6613（2007）12–1727–06 Research progress and high yield strategy of acetone-butanol fermentationJIN Xiaoqing，WANG Guilan，HE Bingfang（College of Life Science and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，Jiangsu，China）Abstract：Acetone-butanol fermentation is one of the thriving industrial fermentation processes. Its decline since the 1950s was caused by the availability of much cheaper feed stocks for chemical solvent synthesis in the petrochemical industry. With the exhaustion of petrochemical resources，acetone-butanol fermentation displays great economic benefits and strategic significance. In this paper，the recent research progress in acetone-butanol fermentation is reviewed in detail，including metabolic mechanism，improvement of producing strains and development of fermentation process. High yield strategies are presented to resolve the existing problems in acetone-butanol fermentation，such as screening high butanol-tolerance strains，screening producing strains with high proportion of butanol，high efficiency utilization of solvent-producing cells and coupling fermentation with efficient separation process with low energy consumption.Key words：acetone-butanol fermentation；Clostridium；butanol tolerance；breeding；fermentation process coupled with separation丙酮丁醇是优良的有机溶剂和重要的化工原料，广泛应用于化工、塑料、有机合成、油漆等工业[1-2]。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
化 工 自 动 化 及 仪 表
第３ ８卷
基于 ｐ Ｈ控 制 的 丙 酮 丁 醇 间歇 发 酵 过 程 动 力 学 模 型
焦 敏 张 浞 姜 岷 孙佰 军 苗大龙 王玲 玲
（ 南京工业大学 ａ 自动化与电气工程学院 ； ． ． ｂ生物与制药工程学院， 南京 ２１１） １８６
０ １ ＭｇＯ 和 Ｋ Ｐ ４ ，Ｈ ６ ０ ．， Ｓ ４ Ｈ２Ｏ ｐ ． 。 １
收稿 日期 ：０ １０ －５ 修改稿） ２ １ －３２ （
第 ７期
焦
敏等． 基于 ｐ Ｈ控 制的丙 酮丁醇间歇发酵过程动力学模型
８３ ５
物 发酵 过程动 力 学 结 构 的基 础 上 Ｊ对 丙 丁发 酵 ， 的实验 过程进 行 了相 关 分 析 和研 究 ， 做 如 下 假 并
１ 丙丁 间歇发 酵过 程动 力学模型
１ １ 实验简 介 ． １ １ １ 生 产菌种 ．．
钠控制 发酵液 的 ｐ Ｈ值 ， 而实 现丙 丁 间歇发 酵 。 进 本次 实 验从 中获得 的 ｐ Ｈ值 数 据 共 ６组 ， 别 为 分 ４ ３ ４ ５ ４ ７ ４ ９ ５ ２和 ５ ５ 其 中前 ５组供建 模 ． 、． 、 ． 、． 、． ．，
也趋于成熟 ， 但共原料成本 昂贵， 没有竞争力 。 南 京工业大 学材 料化学 工程 国家 重点实验 室拟 采
用 自然 界 中分 布 最 广 、 产 量 最 大 的 纤 维 资 源 生
由生物传感 仪离线取 样测定 葡萄糖 量 。
１ １ ５ 光密 度检 测 ．． 采 用紫外可 见分光 光度计检 测光密 度 。
设 ：
ｌ， — 主产物 丙酮 的得率 系数 ； ，— Ｐ ｍ—— 细 胞 的维持 系数 ， ｈ～； 。 、 卢 ＿ 模 型参 数 。 Ｏ 、『一 ｔ ２ 基 于 自适应 遗传 算法 的模型 参数 优化
丙酮 、 丁醇 是 优 良的有机 溶剂 和 重要 的化 工 原 料 ， 泛应用 于 医药 、 工 及有 机 合 成等 工 业 。 广 化 丁醇作为 一种 新 型生 物燃 料 ， 有 许 多 优势— — 具 提 高车辆 的燃 油效 率 和行 驶 里程 ， 烧 时不 会产 燃 生 Ｓ Ｎ 等温 室气 体 ， Ｏ或 Ｏ 还可 以与 汽油 以任何 比例混 合 Ｊ 。随着 石油 资 源 日益 减 少 ， 丁醇 逐渐 显示 出 了其 在能源方 面 的应 用价值 。
摘
要
基 于 微 生 物发 酵 动 力 学 模 型和 丙酮 丁醇 发 酵 工 艺 的特 点 ， ５组控 制 ｐ 下 的 实验 数据 建立 该 由 Ｈ
发酵过程的动力学模 型， 采用改进 的 自适应遗传算法对模 型的 １ ２个参数进行优化 ， 并采用一组控制 Ｐ Ｈ 数据对模型进 行 了外推验证 ， 结果表 明， 该模型能够较好地描述 ｐ Ｈ的丙酮丁醇间歇发酵过程。 关键词 间歇发酵 中图分类 号 Ｔ １ Ｐ８ 动 力学模型 Ｍ Ｇ 参数优化 Ａ Ａ 文章编号 １０ ￣９２ ２ １ ）７０５ － ００ ３ （０ １０ － ２个 非常复 杂的生 物 化学 过程 ， 立有 效 的数 学 模 型对 发 酵 过程 的 优 建
化和控 制有着 重要 的意义 。笔 者在 总结相关 微 生
１ １ ２ 培养基 ．． 种子 培 养 基 （ ／ ： 母 粉 ３ 可 溶 性 淀 粉 ｇ Ｌ） 酵 ， １ ， 白胨 ５ ａ １ ， 酸 铵 ２ ｅ Ｏ ７ ， ０蛋 ，Ｎ Ｃ 乙 ２ ，ＦＳ ・ Ｈ Ｏ
０． ２，Ｆ Ｓ ｅ Ｏ４ ・ ７Ｈ２ ０． Ｏ ０１，Ｍｎ ＳＯ４・Ｈ２ ０． Ｏ ０１。
１１３ 培养方 法 ．．
将 １５ Ｌ种子甘 油管接种 于 ２ ｍ ．ｍ ５ Ｌ血 清瓶 的
种 子培 养基 中 ， 液 １ｍ ３ ｏ 装 ０ Ｌ，７Ｃ厌氧 培 养 ２ ｈ后 ４ 转 接到 １０ Ｌ血清瓶 的种子培 养基 中 ， ０ｍ 保持 ３ ＇ ７１ ２
培养 １ ｈ后 作 为 种子 液 按 照 １％ 的 比例 接种 到 ２ ０
５ Ｌ发 酵 罐 中 ， 酵 培 养 基 为 ３ 接 种 后 通 Ｎ 发 Ｌ，
ｌ ｍ ｎ ３ ℃厌氧 培养 ７ ｈ Ｏ ｉ ，７ ２。 １ １ ４ 葡萄糖 量检测 ．．
界 第二 大发酵 过 程 。我 国利 用玉 米 、 粉 和糖 蜜 淀 等 进行 的丙 丁发 酵 已进 人工 业 化 生产 阶段 ， 术 技
过程 为研 究对 象 ， 考各 种 微生 物 发 酵 的动 力学 参 模 型 ， 总结丙 丁发 酵工艺 的特点基 础上 ， 步确 在 初
定 了丙 丁发酵 过程 的动力学模 型 。
度控 制在 ３ ℃ ， 拌 转 速 设 定 在 １０／ ｎ 初 始 ７ 搅 ２ ｒｍｉ，
葡 萄糖 浓 度 均 为 ６ Ｌ 通过 流 加 盐 酸 和氢 氧化 ０ ，
丙 酮丁 醇发 酵 （ 以下简 称 丙 丁 发 酵 ） 一 项 是 传 统 的大宗发 酵 过程 ， 曾是 仅次 于 酒精 发 酵 的世
发 酵培养 基 （／ ： 萄 糖 ６ ，Ｎ Ｃ ． １ ｇＬ） 葡 ０ ａ１ ０ ， ０
Ｋ Ｐ ４０ ５， Ｃ ＣＯ Ｈ４ ２ ２， Ｍｇ Ｏ ・７ Ｏ Ｈ２ Ｏ ． Ｈ３ ＯＮ ． Ｓ ４ Ｈ２
１ １ ６ 产物量检 测 ．．
（ 如农作 物 废 弃 物 、 蔗渣 等 ） 为 发 酵原 料 ， 甘 作 在
厌 氧条 件下 发酵生产 丙酮 和丁醇 。笔者 以该 发 酵
使用气 相色谱 仪 ， 用 ＦＤ检测 器 。内标 法 采 Ｉ 定量 ， 丁醇作 内标 物 ， ５ 异 在 Ｌ发 酵罐 内将培 养温
使用 ， 后一组 （ ． ） 以验证模 型 的可行 性 。 最 ５５ 用
１２ 动力 学模 型结构 的选 定 ．
生产菌 种是 由南京工 业大学材 料化 学工程 国 家重 点 实 验 室 生 产 的丙 酮 丁 醇 梭 菌 （ ｌ ｔｄ ｍ ｃｏ ｒ ｉ ｓｉｕ
ａｅ ｂ ｔ ｉ ｍ Ｉ－８） ｃｔ ｕ ｌ ｕ ２ 。 ｏ ｙｃ ４