混杂模型模拟甘油发酵过程

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甘油微生物间歇发酵过程的参数辨识

甘油微生物间歇发酵过程的参数辨识谭雯心;张静;宋一凡;徐恭贤【摘要】研究了甘油微生物间歇发酵过程的参数辨识问题.针对该问题,首先建立了以斜率误差准则为目标函数的参数辨识优化模型,然后应用B样条法估计实验数据的一阶导数,最后应用遗传算法求解该优化模型.计算结果表明本文方法是有效的.【期刊名称】《渤海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(037)004【总页数】5页(P304-307,312)【关键词】间歇发酵;B样条;优化模型;遗传算法;参数辨识【作者】谭雯心;张静;宋一凡;徐恭贤【作者单位】渤海大学数理学院,辽宁锦州121013;渤海大学数理学院,辽宁锦州121013;渤海大学数理学院,辽宁锦州121013;渤海大学数理学院,辽宁锦州121013【正文语种】中文【中图分类】O291, 3-丙二醇是一种粘稠液体，易溶于水、醇、醚等有机溶剂，是一种重要的化工原料，其应用前景广阔，近年来备受国内外学者的重视〔1〕. 曾安平等〔2〕针对底物和产物建立了动力学模型. 修志龙等〔3〕对这一动力学模型进行了改进. 在此基础上，徐恭贤等〔1,4,5〕研究了甘油生物歧化为1, 3-丙二醇过程的H∞控制与优化控制. 高群王等〔6〕研究了甘油生物歧化为1, 3-丙二醇过程的稳态优化. 高群王等〔7〕研究了一类连续生物过程的双目标优化. 王明美〔8〕基于三次样条插值算法研究了甘油间歇生物歧化为1, 3-丙二醇的参数辨识问题. 本文以斜率误差准则为目标函数建立参数辨识优化模型；然后利用B样条法估计实验数据的一阶导数；最后采用遗传算法优化模型中的参数.甘油微生物发酵过程的物料平衡可由下列方程式给出〔9,10〕：其中：x1为生物量，g/L；x2为反应器中底物的浓度,mmol/L；x3、x4、x5分别为产物1, 3-丙二醇、乙酸、乙醇的浓度，mmol/L；t为发酵时间，h；μ为细胞比生长速率，h-1；qs、qPD、qHAc、qEtOH分别为底物甘油的比消耗速率与产物1, 3-丙二醇、乙酸、乙醇的比生成速率，mmol/(g·h)；x=(x1,x2,x3,x4,x5)T,p=(p1,p2,…，p16)T.式(1)～(5)中，其中式(6)～(10)中参数的意义见文献〔9〕.为了得到式(6)～(10)中参数pj(j=1,2,…,16)的最优值，本文建立了如下参数辨识优化模型：s.t.μ(x,p)≥0qS(x,p)≥0qPD(x,p)≥0qHAc(x,p)≥0qEtOH(x,p)≥0其中，ei(th)表示第i个变量在时间t=th时底物和产物浓度的实验值导数；i(th)表示第i个变量在时间t=th时底物和产物浓度的计算值导数；eimax表示第i个变量浓度实验值导数的最大值；NS表示实验时间点的个数；和分别表示pj的下界和上界.为了求解参数辨识模型(11-18)，本文首先应用修正配置法〔11〕将式(12)表示为如下代数方程：xi(th)=xei(th-1)+0.5ηh(fi(xe(th),p)+fi(xe(th-1),p))，h=1,2,…,NS,i=1,2，…，5 式(19)中，ηh=th-th-1，然后将参数辨识模型(11)～(18)转化为如下优化问题：s.t. xi(th)=xei(th-1)+0.5ηh(fi(xe(th),p)+fi(xe(th-1),p))，h=1,2,…，NS,i=1,2,…,5式(13)～(18)优化问题(20)可进一步转化为如下无约束优化问题：min Q=J+J1s.t.式(21)中，J1可表示为：J1=ρ{{min{μ(x,p),0}}2+{min{qs(x,p),0}}2+{min{qPD(x,p),0}}2其中，ρ=108,Zi(x,p)=xei(th-1)-xi(th)+0.5ηh(fi(xe(th),p)+fi(xe(th-1),p),h=1,2,...,NS,i=1,2, (5)本文应用MATLAB软件求解优化问题(21)～(22). 首先应用B样条法估计实验数据的一阶导数，其计算值如图1所示. 然后应用遗传算法得到参数的最优值，其优化结果如表1所示. 表2为本文方法与已有文献的结果比较，由表2可知本文方法得到的误差值比文献〔8〕得到的误差值小.针对甘油微生物间歇发酵过程的参数辨识问题，本文建立了与其特点相适应的参数辨识优化模型，并利用有效的方法进行求解. 与已有方法相比，本文方法的计算结果更准确.〔1〕徐恭贤, 邵诚, 钱伟懿. 非线性生化过程的优化与控制〔M〕. 北京: 科学出版社, 2015.〔2〕ZENG A P, DECKWER W D. A kinetic model for substrate and energyconsumption of microbial growth under substrate-sufficient conditions 〔J〕. Biotechnology Progress, 1995, 11(1): 71-79.〔3〕修志龙, 曾安平, 安利佳,等. 甘油连续生物歧化过程的过渡行为及其数学模拟〔J〕. 高校化学工程学报, 2000, 14(1): 53-58.〔4〕徐恭贤, 邵诚, 修志龙. 甘油生物歧化为1, 3-丙二醇过程H∞控制〔J〕. 自动化学报, 2006, 32(1): 112-119.〔5〕XU G X, SHAO C, XIU Z L. Optimizing control of bio-dissimilation process of glycerol to 1, 3-propanediol〔J〕. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2008, 16(1): 128-134.〔6〕高群王, 徐恭贤, 王佳星. 一类生物过程的优化〔J〕. 重庆理工大学学报(自然科学), 2015, 29(10): 152-158.〔7〕高群王, 李杨, 宋一凡, 等. 一类连续生物过程的双目标优化〔J〕.渤海大学学报(自然科学版), 2016, 37(3): 213-218.〔8〕王明美. 甘油间歇生物歧化过程的参数辨识〔D〕. 锦州: 渤海大学, 2015. 〔9〕修志龙, 曾安平, 安利佳. 甘油生物歧化过程动力学数学模拟和多稳态研究〔J〕. 大连理工大学学报, 2000, 40(4): 428-433.〔10〕XIU Z L, SONG B H, WANG Z T. Optimization of dissimilation of glycerol to 1, 3-propanediol by Klebsiella pneumoniae in one-and two-stage anaerobic cultures〔J〕. Biochemical Engineering Journal, 2004, 19(3): 189-197.〔11〕TSAI K Y, WANG F S. Evolutionary optimization with data collocation for reverse engineering of biological networks〔J〕. Bioinformatics, 2005, 21(7): 1180-1188.。

第六章典型发酵过程动力学及模型

rX/rX rS/rX rP/rX
二、微生物生长动力学
1. 细胞反应的得率系数
对底物的细胞得率：
YX / S
生成细胞的质量消耗底物的质量
rX rX0 Dm X ＝ DmS rs0 rs
Dm X ＝ DmO
对氧的细胞得率：
YX / O
生成细胞的质量消耗氧的质量
摄氧率与呼吸强度
四、
代谢产物生成动力学
相关型
部分相关型
非相关型
四、
代谢产物生成动力学
1）偶联型也叫产物形成与细胞生长关联模式(相关模型），产物的形成和菌体生长是平行的。在该模式中，产物形成速度与生长速度的关系可表示为： rP = YP/X rx = YP/XμX = αμX qP = αμ
μ= μmS/(KsX+S) μ=KsSn
菌体生长，基质消耗
1959
1963 1972
Dabes等
尺田等 Bailey
S=Aμ+Bμ/(μm＋μ)
μ2/K-(Ks+S)μ-μmＳ=0 μ= μmS/(Ks+S)-D 微生物维持代谢
1973
1975 1977
二、微生物生长动力学
5、无抑制、多种基质限制下的细胞生长动力学
一、数字拟合法根据小型试验、中型试验或生产装置上实测的数据，利用现代辨识技术，找出个参量之间的函数关系而建立数学模型的方法。
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 5 y = 3.5348e
细胞生长
微生物生化反应动力学
产物生成
发酵过程反应的描述

第七章_典型发酵过程动力学及模型

rx max
1 s0 x Yx / s x 1 K s s 0 x Yx / s
29
μ
ρs 浓度增加到对生长
无限制时
rx
rmax
ρs浓度
低时
ρs
ρx,Opt
ρx
细胞生长速率与限制性底物浓度的关系
rx—ρx关系曲线
Monod方程仅适用于生长较慢的细胞，此时细胞的生长才与基质浓度呈简单的线性关系。
30
Monod方程求解方法
max s K s s
s s Ks max max
斜率=1/μmax
截距=Ks/μmax
31
在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据： S(mg/l) 6 μ(h-1) 0.06 33 64 153 221 0.24 0.43 0.66 0.70
16
微生物生长动力学
• 细胞反应过程包括：细胞的生长、基质的消耗和代谢产物的生成。 • 细胞的生长繁殖过程既包括细胞内的生化反应，也包括胞内和胞外的物质交换，具有多相、多组分、非线性的特点。 • 细胞的培养和代谢是一个复杂的群体生命活动，伴随着每个细胞的生长、成熟、衰老，以及退化、变异等等。 • 因此，合理简化，构建数学模型方能进行工程应用。
μ：菌体的生长比速 S：限制性基质浓度 Ks：半饱和常数 μmax: 最大比生长速度
S Ks S
单一限制性基质：就是指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。
上式中 μmax 称为最大比生长速率，是在 S >> KS ，且其他成分保持不变的情况下取得的。S 是限制性底物浓度。当μ＝1/2μmax 时，有KS= S，所以，莫诺常数（或称半饱和常数）KS 代表当微生物的生长速率等于最大比生长速率的一半时的底物浓度；KS 表示微生物对底物的亲和力。

甘油发酵

前言发酵法甘油，是以淀粉质或糖质为原料，经醉母发酵、浓缩、提纯得到的各类精制甘油。

本标准为发酵法甘油产品系列标准，其优等品非等效采用《英国药典(BP))-1993年版;一等品等效采用《日本添加物公定书》-1994年版。

本标准的附录A}加热试验、脂肪酸与醋类和丙烯醛、葡萄糖与钱盐试验方法》为标准的附录。

本标准由中国轻工总会质量标准部提出。

本标准由全国食品发醉标准化中心归口。

本标准起草单位:无锡轻工大学、山东省昌邑市化肥厂和中国食品发酵工业研究所。

本标准主要起草人:诸葛健、方慧英、邵明才、田栖静。

中华人民共和国轻工行业标准甘油(发酵法)1 范围本标准规定了甘油(发酵法)的产品分类、技术要求、试脸方法、检验规则和标志、包装、运输、贮存要求。

本标准适用于以淀粉质(水解糖液)或糖质为原料，经酵母发醉生成丙三醉，进一步浓缩、提纯得到的各类精制甘油。

2 引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。

本标准出版时，所示版本均为有效。

所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GB 191—199。

包装储运图示标志GB 601—1988 化学试剂滴定分析(容量分析)用标准溶液的制备GB 603—1988 化学试剂试验方法中所用制剂及制品的制备GB 12309—1990 工业玉米淀粉GB /T 13216.1—1991 甘油试验方法捅装甘油取样方法GB /T 13216.2—1991 甘油试验方法透明度的侧定GB /T 13216.3—1991 甘油试验方法气味的测定GB /T 13216.4—1991 甘油试验方法色泽的测定(Hazen 单位铂一钻色度)GB /T 13216.5—1991 甘油试验方法 20℃时密度的测定GB /T 13216.6—1991 甘油试验方法甘油含量的侧定GB /T 13216.7—1991 甘油试验方法氯化物的限量试验GB /T 13216.8—1991 甘油试验方法硫酸化灰分的测定(重量法)GB /T 13216.9—1991 甘油试验方法酸度或碱度的测定(滴定法)GB /T 13216.13—1991 甘油试验方法还原性物质的试验GB /T 15108—1994 原糖QB 1840—1993 工业薯类淀粉中华人民共和国药典1995年版(二部)3 产品分类按其产品质量及用途分为三类。

甘油生产工艺流程设计

甘油生产工艺流程设计化学工程与工艺专业化工工艺课程设计说明书题目：年产5000吨甘油生产工艺流程设计学号：姓名：年级：指导教师：完成日期：2012 年月日目录1.总论 (6)1.1概述 (6)1.1.1甘油的性质 (6)1.1.2产品用途 (7)1.1.3甘油在国民经济中的重要性 (7)1.1.4甘油的市场需求 (7)1.2设计的目的与意义 (8)1.2.1设计的目的 (8)1.2.2设计的意义 (8)1.3项目设计根据与原则 (8)1.3.1设计根据 (8)1.3.2设计原则 (8)1.4设计范围 (9)1.5甘油生产能力及产品质量标准 (9)1.5.1生产能力 (9)1.5.2产品质量标准 (9)2.生产方案选择 (10)2.1生产方法 (10)2.1.1以天然油脂为原料的生产 (10)2.1.2合成甘油的生产 (11)2.1.3发酵甘油的生产 (14)2.2生产方案确定 (16)3.生产工艺流程设计与说明 (17)3.1生产工艺流程图 (17)3.2.生产工艺流程说明 (19)4.工艺计算 (22)4.1物料衡算 (22)4.1.1原辅物料的计算 (22)4.1.2物料衡算汇总列表 (26)4.1.3水、电、煤的用量计算 (27)4.2热量衡算 (28)4.2.1蒸汽喷射液化器工段 (28)4.2.2连消工段 (28)4.2.3无菌空气制备工段 (30)4.2.4蒸发浓缩工段 (34)4.2.5减压蒸馏工段 (35)5.设备设计与选型 (36)5.1要紧设备的选型 (36)5.2辅助设备的选型 (45)6.车间布置设计 (47)6.1厂房布置原则 (47)6.2厂房的整体布置设计 (48)6.3车间设备布置设计 (48)7.设计评析与总结 (56)参考文献 (58)1.总论1.1概述1.1.1甘油的性质(1)性质外观无色透明粘稠液体，无臭、无味、具有吸湿性、保润性、软化性，极显汲取空气中的水分，水溶液呈中性，可与水、乙醇、甲醇任意比例混合。

甘油发酵的代谢与调控

丙酮酸
乙醛
乙醇
乙酸
NADH+H+
a-磷酸甘油 NAD+
甘油
展望
• 关于HOG途径对细胞生理功能的影响极其作用机制的探索是一个重要的研究方向。 • 通过定点突变或其他分子生物学方法研究N 端氨基酸残基的功能将进一步揭示GPD基因的生理功能。 • 在借鉴酿酒酵母研究基础上，开展非酿酒酵母，特别是工业应用酵母如产甘油假丝酵母的CgGPD基因结构与特殊功能及其催化机理之间的关系
• 某些调控因子能够对已经磷酸化的HOG1进行去磷酸化，从而也会降低GPD基因的表达，细胞的甘油合成能力随之下降，同时胞内过量的甘油也通过甘油通道蛋白迅速输送到胞外，从而控制胞内甘油水平。因此，细胞通过HOG信号途径能够精确调控自身甘油合成能力和积累水平。
• 实际上甘油发酵过程中，仍有一些乙醇生成，因为亚硫酸氢钠不能加入太多，否则会使酵母中毒而导致发酵终止。因此，未被亚硫酸氢钠结合的部分乙醛还可以转化为乙醇。同时，酵母进行第二类发酵未能获得能量，必须依靠部分酒精发酵以获得能量。
• 由于酿酒酵母细胞缺乏转运酶活力，胞质中的NAD+/NADH无法穿过线粒体膜，所以为了维持胞内氧化还原平衡，还原性辅酶必须在相应的区室内重新氧化成NAD+。因此当酵母细胞处于厌氧环境中时通过诱导 GPD2和GPP1表达由DHAP到G3P的生化反应促使细胞合成甘油消耗NADH成为调节胞内氧化还原平衡的最主要且最重要的方式之一。
由于酿酒酵母细胞缺乏转运酶活力胞质中的nadnadh无法穿过线粒体膜所以为了维持胞内氧化还原平衡还原性辅酶必须在相应的区室内重新氧化成nad此当酵母细胞处于厌氧环境中时通过诱导gpd2和gpp1表达由dhap到g3p的生化反应促使细胞合成甘油消耗nadh成为调节胞内氧化还原平衡的最主要且最重要的方式之2atpnahso2adpco3磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醛hso2atp2adpnad乙醇葡萄糖16二磷酸果糖磷酸二羟丙酮a磷酸甘油甘油当酵母细胞处于渗透压胁迫状态时gpd1和gpp2在短时间内诱导表达促使代谢流迅速转向甘油合成途径并大量在胞内积累以平衡外界渗透压从而保护细胞免受渗透脱水的损伤

甘油发酵制pdo流程

甘油发酵制pdo流程全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：甘油发酵制PDO的流程主要包括甘油预处理、发酵、纯化和提炼四个步骤。

首先是甘油的预处理，甘油作为原料要经过一系列的处理才能用于发酵制备PDO。

甘油预处理的主要目的是去除杂质和提高甘油的纯度，以保证后续的发酵过程能够顺利进行。

甘油预处理包括脱水、脱杂和精炼等工艺步骤，通过这些步骤可以得到高纯度的甘油。

接下来是发酵过程，甘油经过预处理后将进入发酵罐中与特定的微生物菌种进行发酵反应。

在适当的发酵条件下，微生物将利用甘油中的碳源合成PDO，同时产生一定量的代谢产物。

发酵过程需要控制好温度、pH值、氧气供应等参数，以保证微生物的生长和PDO的合成效率。

通常在几天到几周的时间里，甘油会被完全转化为PDO，此时发酵液中会有一定量的PDO和代谢产物。

随后是纯化过程，通过对发酵液进行提取、结晶、过滤等操作，可以将PDO从代谢产物和其他杂质中分离出来。

纯化过程可以采用化学方法、物理方法或生物方法，根据不同的工艺和设备可选择适当的分离技术。

在纯化过程中，需要注意控制好操作条件，确保PDO的纯度达到要求，以便用于下游的应用。

最后是提炼过程，通过进一步的精细处理和洗涤操作，可以得到高纯度、优质的PDO产品。

提炼过程包括溶解、结晶、干燥等步骤，可以去除残留的杂质、水分和溶剂，最终得到符合工业标准的PDO颗粒或片状产品。

此时的PDO已经具备良好的物理性能和化学性质，可以广泛应用于医药、化妆品、包装等领域。

甘油发酵制PDO的流程复杂而精细，需要在每个步骤中控制好操作条件、选择合适的工艺和设备，才能得到高品质的PDO产品。

随着生物可降解材料的市场需求不断增长，甘油发酵制PDO技术将会得到更广泛的应用和推广，为环境保护和可持续发展做出贡献。

【2000字】第二篇示例：甘油发酵制PDO（聚丙烯-1,3-二二醇）是一种常见的生物合成工艺，它将甘油作为碳源，通过微生物发酵生产出一种重要的生物可降解聚合物。

甘油葡萄糖共发酵：一个以利用丙酸杆菌生产丙酸的成熟的工艺

甘油/葡萄糖共发酵：一个以利用丙酸杆菌生产丙酸的成熟的工艺摘要共发酵是一个提高主体代谢产物的有效的策略,以甘油和葡萄糖作为碳源可以用来研究丙酸的生产。

带着提高丙酸生产量的目的，我们对丙酸杆菌利用甘油、葡萄糖以及它们混合物对丙酸生产的作用进行了研究。

培养基中丙酸的产量从0.475μg甘油和0.303μg葡萄糖独自发酵提高到了0.572μg利用甘油/葡萄糖4/1 (mol/mol)共发酵。

最大的丙酸和底物转化率分别为21.9克L-1和57.2%（w/w）。

明显高于以甘油或葡萄糖为唯一碳源。

在分批补料发酵试验中，最大的丙酸产量和底物转化效率分别为29.2 g L-1和54.4%（w/w）。

这些结果表明，甘油/葡萄糖共发酵可以更好的替代传统的丙酸发酵。

引言丙酸，一种重要的防霉剂和化学中间体，被广泛的应用于工业生产尤其是食品工业中。

2006年，丙酸的全球年生产能力为349000吨。

预测2010年前年需求增长为2.5%。

目前几乎所有的丙酸均是由石油化工流程生产的。

但丙酸的生物合成因其可再生的生物原料来源和消费需求的日益增长有望成为一个有前途的选择。

虽然目前已经对由丙酸杆菌发酵生产乳酸产生了浓厚的兴趣。

但生产丙酸的浓度、产量和生产效率相对较低，这是阻碍其进行经济利用的最主要的障碍。

碳源，是在丙酸生产过程中最重要的营养元素。

丙酸杆菌可以利用不同的碳源来进行菌株生长和形成有机酸。

但特定的碳源对细胞的生长以及底物的消耗量和副产物的形成有极大的影响。

碳源通过细胞反应影响丙酸杆菌的丙酸发酵动力学，重新分配发酵最终产物来实现氧化还原平衡。

丙酸发酵过程中不同碳源的代谢模式已经通过使用代谢化学计量分析证明，同时也被证明存在不同的控制机制。

为了达到最大的丙酸产率并减少代谢产物的生成，需要对丙酸生产过程中的碳源利用做进一步优化。

传统丙酸发酵通常采用单一碳源，混合碳源也已被提出作为有用的替代品。

通常，唯一的碳源不能满足丙酸杆菌生长和丙酸的生产要求。

ATR-FTIR检测毕赤酵母发酵中甘油和甲醇浓度

ATR-FTIR检测毕赤酵母发酵中甘油和甲醇浓度吴胜;杭海峰;郭美锦;储炬;庄英萍;张嗣良【摘要】采用无机盐培养基毕赤酵母发酵生产重组人溶菌酶,以人工配置的标准溶液作为建模集,利用ATR-FTIR结合PLS建立甘油和甲醇的预测模型,模型具有良好的稳定性和预测性,甘油预测模型的SEC和SEV分别为0.171和0.532 g/L,甲醇预测模型的SEC和SEV分别为0.129和0.248 g/L.在5L发酵罐中运用建立的模型预测发酵液中甘油和甲醇的浓度,预测标准误差(SEP)分别为1.09和0.86 g/L,表明模型稳定,能有效指导实际生产.比较5L发酵罐中分别采用FTIR调控和溶氧(DO-stat)调控甲醇浓度下的比生长速率(μ)和比生产速率(Qp),结果表明,FTIR调控下比生长速率和比生产速率均高于溶氧(DO-stat)调控.【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2014(040)003【总页数】7页(P1-7)【关键词】ATR-FTIR;毕赤酵母甘油;甲醇;比生长速率;比生产速率【作者】吴胜;杭海峰;郭美锦;储炬;庄英萍;张嗣良【作者单位】华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室,上海,200237【正文语种】中文甲醇营养型毕赤酵母已经成为生产外源蛋白最常用的生产菌种之一，培养基的改进及发酵条件的优化显著提高了工业化生产通量［1-3］。

毕赤酵母发酵主要采用无机盐培养基，在甘油批培养阶段，以甘油为碳源菌体快速生长，获得合适的菌体密度之后，需要监测甘油是否全部耗尽［4］，发酵液中残余的甘油将会影响外源蛋白的启动表达效率［5］。

发酵法生产甘油工艺路线的探讨

关键词
甘油
二步发酵法
产业化
! 概述
甘油是重要的基本轻化工原料，广泛用于涂料、塑料、医药、国防、烟草、化妆品、食品、纺织和印染等领域的 "$## 余种产品。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，甘油的需求量越来越大，而甘油的生产发展却相当缓慢，使甘油的供需矛盾日益突出。据统计，进入 %" 世纪后，我国甘油的年进口量将达 &#’(，每年需外汇 &### 多万美元பைடு நூலகம் 甘油的生产方法目前主要有三种：一是从天然油脂皂化、水解生产肥皂或脂肪酸的过程中回收的副产品天然甘油，迄今仍是世界各国甘油的主要工业来源；二是以石油化工产品为原料，用化学方法合成甘油；三是以淀粉或糖蜜为原料，通过微生物发酵的方法生产甘油。由于近年来我国合成洗涤剂的使用日益广泛，肥皂产量下降，天然甘油的产量受到限制。而合成法生产甘油由于工艺路线复杂、操作条件苛刻，生产成本高等原因，使我国引进的数套合成甘油装置基本上没有正常生产。发酵法生产甘油则具有原料来源丰富、设备要求简单等优点。因此，对发酵法生产甘油进行深入研究具有现实意义。
! 二步发酵法新工艺
!"# 基本原理二步发酵法生产甘油是根据微生物机理将甘油发酵划分为前期的好氧发酵和后期厌氧发酵两个阶段：!以淀粉质为原料，采用中科院化冶所
万方数据研制的 4%5 6 ’. 酵母菌，在含糖 !." 左右条件
（’） ’,,#， !#
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发酵法生产甘油工艺路线的探讨
)
发酵罐有明显改善，能耗明显降低。
# 问题探讨
#"$ 厌氧发酵过程的工艺控制采用二步发酵法生产甘油，发酵过程的技术关键及难点在于后期厌氧发酵的控制。仅仅通过停止供氧来实现厌氧发酵，在小试、中试阶段尚且可行，但在工业化生产上，这一控制方式的处理结果就不容乐观了。根据发酵甘油的实际生产经验，在停止供氧后的 ! . ’/ 内，耐高渗压酵母仍会继续发酵，将产品甘油作为第二碳源迅速消耗，使发酵液中甘油含量下降。因此，工业化生

溶氧对Candida glycerinogenes产甘油发酵过程的影响

葡萄糖消耗、甘油合成和副产物形成等都有很大的影０ｇ／Ｌ以下时控制溶氧响，特别是发酵后期残糖降至１水平尤为重要，因为此时线粒体ＦＡＤ＋依赖的３磷酸甘 ? Ｇｕｔ１）活力旺盛，可通过３磷酸甘油穿梭途油脱氢酶（ ?
收稿日期：２００８０１１４修回日期：２００８０２２８ ? ? ? ? ｘｔ１１０５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ电子信箱：
１～７］通过各种办法来提高甘油的产量［，但研究成果主１３］前期研究表明，过高的细胞生径“ 反耗” 甘油。作者［
长速度会降低Ｃ．ｇｌｙｃｅｒｉｎｏｇｅｎｅｓ的甘油合成量，因此在发酵过程中要适当处理好细胞生长与产物合成之间的关系，控制合适的溶氧浓度，使发酵体系中氧的供给与需求处于动态平衡。本文利用合成发酵培养基，在７Ｌ发酵罐中系统研究了溶解氧对Ｃ．ｇｌｙｃｅｒｉｎｏｇｅｎｅｓ分批发酵生产甘油、副产物形成及其动力学行为的影响。
ＰａｒａｍｅｔｅｒｓＩｎｉｔｉａｌｇｌｕｃｏｓｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（ｇ／Ｌ）Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｉｍｅ（ｈ）Ｍａｘｉｍｕｍｄｒｙｃｅｌｌｗｅｉｇｈｔ（ｇ／Ｌ）Ｍａｘｉｍｕｍｇｌｙｃｅｒｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（ｇ／Ｌ）Ｇｌｕｃｏｓｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｒａｔｅ［ｇ／（Ｌ ·ｈ）］Ａｖｅｒａｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃｇｌｕｃｏｓｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｒａｔｅ（１／ｈ）Ａｖｅｒａｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃｃｅｌｌｇｒｏｗｔｈｒａｔｅ（１／ｈ）Ａｖｅｒａｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃｇｌｙｃｅｒｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅ（１／ｈ）（ｇ／ｇ）ＢｉｏｍａｓｓｙｉｅｌｄｏｎｇｌｕｃｏｓｅＧｌｙｃｅｒｏｌｙｉｅｌｄｏｎｇｌｕｃｏｓｅ（ｇ／ｇ）［ｇ／（Ｌ ·ｈ）］ＢｉｏｍａｓｓｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙＧｌｙｃｅｒｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ［ｇ／（Ｌ ·ｈ）］（％）ＤＯ１０２２５６６１８．２８４．２３．４０．２１０．０１７０．０９８０．０８１０．３７０．２８１．２８２０２２０７２２０．４１１９．０３．００．１６０．０１５０．０８４０．０９３０．５４０．２８１．６１３０２１０７２２１．２１２０．７２．９０．１５０．０１５０．０８７０．１０１０．５８０．２９１．６９４０２１０７８２２．２１１２．３２．７０．１３０．０１４０．０７４０．１０２０．５４０．２９１．４８５０２１５７８２０．０１０９．０２．７０．１４０．０１２０．０７３０．０９３０．５１０．２６１．４２６０２１０７８１９．３１００．１２．６０．１４０．０１１０．０７２０．０９３０．４８０．２５１．３２

第八章甘油发酵20081118

厌氧甘油发酵缺点
菌体死亡率较高，碱性条件；无能量产生；菌体死亡率较高，碱性条件；无能量产生；转化率较低，按照上述能量平衡计算，转化率较低，按照上述能量平衡计算，糖与甘油的转化率不可能超过50%，加上酵母增殖需甘油的转化率不可能超过50% 50 要消耗一部分糖，发酵液中残留一部分糖，要消耗一部分糖，发酵液中残留一部分糖，实际转化率远低于50% 际转化率远低于50%，导致了厌氧发酵生产甘油 50 的成本较高。的成本较高。
第八章
甘油发酵
大连大学生物工程学院二00八年十一月
甘油发酵生产现状
应用领域：广泛用于化工、医药、化妆品、应用领域：广泛用于化工、医药、化妆品、食品加工和日常生活等诸多方面，约在2000多食品加工和日常生活等诸多方面，约在多种产品中含有甘油成分。种产品中含有甘油成分。生产方法：天然油脂皂化和水解；丙烯氯生产方法：天然油脂皂化和水解丙烯氯化法和丙烯氧化法；微生物发酵法微生物发酵法
我国与国外差距（1）残糖高，…… ）残糖高，（2）规模化较少，…… ）规模化较少，市场构成与西方发达国家差异中国：涂料，中国：涂料，49%；医药食品，10% ；医药食品，美国：涂料，美国：涂料，10%；医药食品，＞ 54% ；医药食品，＞
目前我国的甘油供需缺口很大， 2005年甘油需求超过万吨，其中进口年甘油需求超过10万吨年甘油需求超过万吨，约 6万吨，随着我国以甘油为原料生产万吨，万吨 1,3-丙二醇的大力发展，预计到丙二醇的大力发展，预计到2010年丙二醇的大力发展年我国甘油的需求将达到20万吨以上。我国甘油的需求将达到万吨以上。万吨以上
实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，实验：甘油发酵是在髙渗透压环境中进行的，因此可望通过热冲击来提高发酵甘油的产量正交条件A 正交条件冲击温度（℃ ） 40，45，50 ，， B 开始时机（h）开始时机（） 8，16，30 ，，

乙醇甘油发酵过程

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发酵平衡
• 发酵时，发酵底物（如葡萄糖）能产生许多不同的末端产物，这些末端产物有些是具有更高氧化态的，而有些是具有更高还原态的，末端产物的平均氧化水平与底物的氧化水平相平衡，这表明发酵过程是能够保持氧化-还原平衡的。如从葡萄糖的乙醇发酵就可看出底物与产物的氧化还原平衡。对发酵过程的氧化-还原平衡要求限制了发酵降解的有机化合物种类，即底物既不能有太高的氧化水平，也不能有太高的还原水平，碳水化合物是主要的发酵底物。
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（2）耐高渗透压酵母好氧发酵法
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（3）影响发酵的因素随生产菌种和原料的变化，影响甘油产
率和菌种发酵速度的因素可归纳为：C、N源的种类和配比，金属盐的选择，发酵温度，pH 及通风量的确定等。
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两种方法
亚硫酸盐法:
将亚硫酸氢钠(NaHSO3)加入发酵液中，能与乙醛发生加成反应，生成难溶的结晶状产物，使乙醛不能再作为受氢体，迫使NADH+H+ 用于磷酸二羟丙酮的还原，生成甘油碱法甘油发酵: 酵母酒精发酵的发酵液 pH 值调至碱性，保持在 pH7.6以上，则2分子乙醛之间发生歧化反应，1分子被还原成乙醇，1分子被氧化成乙酸。乙醛失去了作为受氢体的作用，NADH+H+ 只好用于还原磷酸二羟丙酮，并生成甘油
1、原料淀粉质、糖质和纤维质。
2、工艺路线（1）厌氧亚硫酸盐法
所用原料为淀粉质或糖蜜、亚硫酸钠及其他营养盐。培养基灭菌后冷却降温接入酿酒酵母，于30～32℃控温发酵2～3d，发酵液即可进入提取阶段回收甘油。
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厌氧甘油发酵缺点

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ｔｏｎｏｌｅｅｔｙＢｙｔｓａｌｓｅｙｒｄｍｏｅ，ｔｅｇｎｒｌｚｔｎａｉｉｆＢＰｎｕａｅｗｏｋｗａｍ— ｉｎｂｙｍａｙｐｅｐｅｒｃｎｌ．ｈｅｅｔｂｉｈｄｈｂｉｄｌｈｅｅａｉａｉｂｌｙｏｅｒｌｎｔｒｓｉｏｔｐｏｅｙｕｉｇ’ａｌｅｉａｉｎｍｅｈｄ，ａｄｕｔｍａｅｙｄｔｒｉｅｈｅｎｍｂｒｏｉｅａｅｅｒｎｏｒｖｄｂｓｎｅｒｙｔｒｎｔｔｏｍｏｎｌｉｔｌｅｅｎｄｔｕｅｆｈｄｄｎｌｙｒｎｕｏｓｆｒ８，ｔｒｉ— ｍｈｅｔａｎ
ｔｎｒｓｔ．ｉｅｕｌｏｓ
Ｋｅｒｓ，ｙｗｏｄ：１３一ｐｏａｅｉｌｌｃｒｌｔｂｌｍ；ａｔｃａｎｕＭｅｗｏｋ；ｈｂｄｍｏｅｒｐｎｄｏ；ｇｙｅｏａｏｉｍｅｓｒｆｉｌｅｒ Βιβλιοθήκη ｔｒｉｉｙｒｄｌｉ
ＺＮＧｆｎ—ｌｎ，Ｕｅ，ＬｉＨＡｉｏｇＩＨｕ
（ｉｇａｎｖｒｉｆｃｎｅａｄＴｃｎｌｇ，Ｓａｄｎｉｄｏ２６４；ｉｚｏｈｍｃｌｒｕ，１ＱｎｄｏＵｉｓｙｏｉｃｎｅｈｏｙｈｎｏｇＱｎａ６０２２ＢｎｈｕＣｅｉａＧｏｐｅｔＳｅｏｇＳａｄｎｉｚｏ５６０；ｉｚｏｏａｉａＣｌｇ，Ｓａｄｎｉｚｏ５６３，ｈｎ）ｈｎｏｇＢｎｈｕ２６０３ＢｎｈｕＶｃｔｎｌｏｌｅｈｎｏｇＢｎｈｕ２６１Ｃｉａｏｅ
的模拟结果。
关键词：，一１３丙二醇；代谢工程；混杂模型；甘油发酵；人工神经网络
ＤｙｍｉｏｅｓＭｏｅｌｆＧｌｃｒｌＦｅｍｅｔｔｏｆｅｅｔａｙｒｄＭｏｌｎａｅＰｒｃｓｄｌｉｏｙｅｏｒｎａｉｎｂｙＤｉｒｎｉｌＨｂｉｎｇｄｅ
ｉｇｆｎｔｎｔａｎｄ．Ｔｅａｔｃａｅｒｌｎｔｏｋｓｒｃｕｅｗｓｅｔｂｉｈｄ，ｗｈｃａｓｕｃｉｎＯＤＥ５ｉｓｒｃｉｎｎｃｉｒｉｇｘｈｒｆｉｌｕａｅｗｒｔｕｔｒａｓｌｅｕｏｉｉｎａｓｉｈｃｎｕｅｆｎｔｏ４ｎｔｔｓｕｏｏｙｒｍｏｅｆｈａｃｒｃｓｎｅｆｒｈｂｉｄｌｏｅｂｔｈｐｏｅｓａｄｆｄ—ｂｔｈｐｏｅｓｔｅｓｌｔｎｏｉｅｅｔｌｑａｉｎ，ｎｏｏｄｓｍｕａｄｔａｃｒｃｓｔｏｕｉｆｄｆｒｎｉｕｔｓａｄｇｔｇｏｉｌ－ｏｈｏｆａｅｏ
Ｈｙｒｅａａｔｃｍａｅｔｅｍｅｈｎｓａｄｅｉｃｌｍｏｅａａｃｄ，ｗｓｓｅｉｌｕｔｂｅｆｒｔｅｃｍｐｉａｅｂｄｓｍｉｒｍｅｒｄｈｃａｉｍｎｍｐｒａｄｌｂｌｎｅｉｐｉｉａｐｃａｌｓｉｌｏｈｏｌｔｄｙａｃｓｓｅａｄｔｅｖｒｏｌｘｂｏｏｉａｙｔｍ，ｍａｂａｎｔｅｍａｓｄｔｔｏｍｅｈｎｓｅｐｕｄｄ，ｉｈｇｔｔｎｙｔｍｎｅｙｃｍｐｅｉｌｇｃｌｓｓｅｈｙｏｔｉｓａａｗｉｎｃａｉｈｈｍｘｏｎｅｗｈｃｏｔ — ａｅ
摘要：，丙二醇为研究对象，以１３一首先建立了甘油发酵的混合半参数模型。混杂半参数模型就是机理与经验模型之间的平
衡，特别适用于复杂系统，当然也包括非常复杂的生物系统，以不通过机理阐明而得到大量数据，可近来受到人们的重视。根据建立好的混杂模型，我们利用提前终止法提高了ＢＰ神经网络的泛化能力，最终确定了隐含层神经元个数为８训练函数为ｔｉｇｘ，ｒｎｄ。根据ａ已经建立好了的人工神经网络结构，利用ＯＥ５函数对间歇和批示流加过程混杂模型的微分方程组进行积分求解，Ｄ４最后得到了较好
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔａｎ３一ｐｏａｅｉｓａｓｕｋｉｇ１，ｒｐｎｄｏａｎｉｓｅ，ｔｅｄｓｒｔｙｒｄｍｏｅｓｄｅｅｏｅｏｌｃｒｌｆｒｎａｉｎ．ｈｉｃｅｅｈｂｄｌｗａｖｌｐｄｆｒｇｙｅｏｅｍｅｔｔｏｉ
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８・８
广州化工
２１年３０１９卷第２期ｌ
混杂模型模拟甘油发酵过程
张金龙，吴杰，李会。
（青岛科技大学，山东青岛２６４；２滨化集团，山东滨州２６０；１６０２５６０３滨州职业学院，山东滨州２６１）５６３