酒精发酵产物动力学模型的研究

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随着石油资源的日益匮乏,燃料乙醇这一可再生能源,越来越得到各国的重视和发展,乙醇发酵动力学的研究有助于人们更好的认识发酵过程,为发酵工业的放大及生产操作条件的优化提供理论基础。目前的研究大多从菌体生长的过程出发,通过分析底物糖消耗、乙醇产出和菌体生长的关系建立乙醇发酵动力学模型,该类模型中含有较多的变量,将模型用于生物反应器计算时,需要统一变量,使得计算十分复杂。基于以上考虑,本文尝试从产物生成过程出发,以酒精发酵的产品—乙醇作为目标考察对象,建立乙醇生成动力学模型。文中分析了乙醇发酵过程中菌体生长、乙醇产量、底物消耗随时间的变化关系及特点,讨论了溶氧(DO)含量、pH、温度对酒精发酵中乙醇生成过程的影响。采用Gompertz模型模拟了酒精发酵乙醇生成的过程,Gompertz模型对初糖含量为150g/L、200g/L、230g/L、250g/L的发酵实验数据拟合的相关性系数R~2分别为0.991、0.989、0.994、0.981。由R~2值并结合拟合相对误差可知,该模型对实验数据拟合较好。在此基础上,探讨了Gompertz模型的三个参数与初糖含量的变化关系,发现模型的参数随着初糖含量的变化而变化,但没有明显的规律性。借鉴Logistic模型,用单位产物浓度变化率代替比生长速率,得到修正的Logistic模型。使用该模型模拟了初糖含量为150g/L、200g/L、230g/L、250g/L的发酵实验,相关性系数R~2分别为0.974、0.966、0.984、0.961,并结合拟合相对误差可知该模型对发酵过程模拟效果较好,对模型中的两个参数即最大乙醇含量和最大比生成速率随初糖含量变化的关系进行了分析,结合相关文献报道发现两参数均与初糖含量呈较好的线性关系,直线拟合的相关性系数R~2分别为0.987、0.944。结合不同初糖含量对发酵过程的影响,最终得到以Logistic模型为基础的方程组。经模型验证,该模型对初糖含量为230g/L的发酵过程的预测表现较好,模型预测值与实验值的相对误差较小,尤其对发酵中后期乙醇含量的预测准确,相对误差低于5%。
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