学科交叉背景下的《发酵过程智能控制技术》课程建设

工业化发酵过程在数据管理、数据分析、工艺优化控制方面遇到瓶颈,信息技术的快速发展,为工业发酵过程突破技术瓶颈提供了强有力的工具。与信息化深度融合,是发酵工业提高自身竞争力的必由之路。为培养信息化和发酵工业深度融合所需的具有交叉知识背景的高级技术人才,特针对生物工程类本科学生开设《发酵过程智能控制技术》课程。授课内容包括python虚拟环境搭建和常用工具包、发酵数据采集与管理、嵌入式开发与发酵设备控制、数据与控制指令传输以及综合应用实例。针对生物工程类学生信息技术基础知识薄弱的难点,课程按照发酵过程智能控制的需求重新梳理知识体系,授课内容紧贴发酵工程实际应用,通过学生熟悉的案例讲解信息技术在发酵工程领域中的应用方法。同时,课程注重培养学生持续学习的动力和自主学习的能力,帮助学生建立学科交叉的思维方式,提高学生利用信息技术与发酵工程技术解决实际工程问题的能力。

生物柴油耦联丙酮丁醇发酵的初步研究

以4种生物柴油(原料为地沟油、菜籽油、棕榈油和废肯德基油)作为萃取剂,开展了丙酮丁醇静态萃取发酵。通过分析发酵过程中的产气量及发酵40 h后油水两相中的溶剂浓度,发现生物柴油对丙丁梭菌有毒性。另外,静置条件下丁醇在不同油水两相中的液液平衡系数大致相同。在发酵24 h时加入棕榈生物柴油(油水体积比为0.4∶1),丁醇发酵强度达到最大值0.213 g.(L.h)-1、比对照(传统发酵)提高10.9%,且生物柴油中的丁醇质量浓度达到6.44 g.L-1。

固相微萃取/气相色谱-质谱联用分析麦芽挥发性风味物质组成

利用固相微萃取与气相色谱-质谱联用分析了酿造大麦Sabastian中的挥发性风味物质组成,共分析鉴定出31种挥发性物质,其中对酿造麦芽风味贡献较大的化合物有:醛类化合物13种占总峰面积的74.65%,醇类化合物7种占总峰面积的4.63%,酮类2种占总峰面积的0.18%,酸类一种占总峰面积的0.62%,其它类化合物8种占总峰面积的11.84%;含量较高的成分为异戊醛、2-甲基丁醛和正己醛,其峰面积相对百分比分别达到26.31%、24.69%和12.87%,搞清了酿造大麦嗅感物质的组成。

利用代谢网络模型和线性规划法在线预测谷氨酸发酵中产物浓度

在好氧型的谷氨酸发酵实验中发现,溶解氧(DO)对发酵性能有很大的影响,谷氨酸的生成方式也因此有很大不同:较低的DO水平能够延长产酸期、提高谷氨酸的最终浓度,但是代谢副产物———乳酸也有较大程度的积蓄;而DO水平过高,虽然代谢副产物不会生成积蓄,但菌体消亡过快导致产酸期缩短、谷氨酸的最终浓度降低.同时,谷氨酸的生成方式与发酵过程中摄氧率(OUR)和CO2的释放率(CER)有着非常紧密的关联.作者利用代谢网络模型并结合使用线性规划优化法,通过在线测定OUR和CER,比较准确地在线推定出发酵过程中谷氨酸的质量浓度变化.与传统的非构造式动力学模型相比,上述预测方法具有建模简单、模型物理意义明确、通用性能好等优点,为后续过程的在线控制和优化提供一种全新和有效的途径.

酿造大麦挥发性风味物质组成分析

为给啤酒风味的稳定性研究提供借鉴,利用固相微萃取与气-质联用分析了两个优质酿造大麦品种Sabastian和Gairdner中的挥发性风味物质组成。在两个大麦品种中共分析鉴定出34种化合物,Sabas-tian中检出28种,Gairdner中检出32种。在Sabastian中共检出醛类化合物11种,占总质量分数的17.58%;醇类化合物7种,占总质量分数的7.32%;酮类3种,占总质量分数的13.08%;酸类化合物2种,占总质量分数的8.41%;其他类化合物5种,占总质量分数的9.54%。在Gairdner中共检出醛类化合物10种,占总质量分数的38.36%;醇类化合物9种,占总质量分数的25.36%;酮类化合物4种,占总质量分数的9.07%;酸类化合物2种,占总质量分数的6.81%;其他类型化合物7种,占总质量分数的7.77%。两个大麦品种中含量较高的成分为正己醛(Sabastian,13.56%;Gairdner,30.76%)、丙酮(Sabastian,12.82%;Gairdner,8.39%)、乙酸(Sabastian,8.00%;Gairdner,4.86%)。作为大麦特征风味物质的异戊醛和2-甲基丁醛的含量在Sabas-tian中分别为0.51%和0.79%,在Gairdner中分别为1.93%和1.72%。

溶氧浓度对谷氨酸发酵关键酶的影响

谷氨酸发酵中,不同溶氧条件对产物谷氨酸和主要副产物乳酸的生成积累影响很大。文中研究了不同溶氧条件下和几种非正常条件下的谷氨酸发酵中主要关键酶(谷氨酸脱氢酶和乳酸脱氢酶)的变化规律,为谷氨酸发酵的进一步优化和控制提供了基础数据。

酒精发酵非结构动力学模型及其参数估计

对1株产高浓度酒精的酿酒酵母的间歇发酵动力学进行了研究。建立了非结构发酵动力学模型, 以描述高基质(葡萄糖)和高产物(酒精)浓度条件下的酒精间歇发酵过程,采用改进遗传算法对非结构发酵动力学 模型中的参数进行了求取,并将该模型用于预测24．7％初糖浓度下的酒精间歇发酵,预测结果显示该模型可应用 于高基质(葡萄糖)和高产物(酒精)浓度条件下的酒精发酵过程。

多变量在线测量条件下的猪α干扰素高效表达

在5L发酵罐中进行了重组毕赤酵母高密度培养表达猪α干扰素（IFN-α）的研究.在诱导阶段，高且稳定的摄氧速度（OUR）是实现毕赤酵母流加培养高效表达IFN-α的最关键因素，利用多变量在线测量可有效地帮助寻找高且稳定的OUR的形成条件.结果表明，高且稳定的OUR[约200-280mmol/（L·h）]可通过适度控制混加期及诱导期的菌体比增殖速度和甲醇浓度（约10g/L）而得以实现.在此条件下，猪α干扰素最高活性可达6.6×10^6IU/mL，是较低OUR的罐发酵及摇瓶条件下的10-300倍.

丁醇萃取发酵耦联生产改良型生物柴油过程的性能优化

传统丙酮丁醇发酵的产物浓度太低,蒸馏回收发酵产品大量耗能。为研究探讨直接利用发酵产物的可能性,在15%高初始玉米醪浓度条件下、以地沟生物柴油为萃取剂,探讨了生物柴油添加量、萃余液回用率、和添加微量电子供体对丁醇发酵耦联生产改良型生物柴油过程各主要性能指标的影响。通过环境条件优化,地沟生物柴油的质量显著提高,16烷值由51.4提高至54.4;添加微量中性红后"丁醇实质性得率"可以达到18%,耗能的发酵产品回收过程有望省去;萃余液回用率超过50%,有望逐步向国家所大力倡导的"节能减排"的工业生产模式靠近。

采用CFD数值模拟技术优化发酵罐内桨叶组合

使用CFD模拟软件Fluent对实验室用7 L通气搅拌发酵罐内不同桨叶组合的搅拌效果进行气液两相流模拟。首先对发酵罐自带桨叶组合进行模拟,针对模拟结果提出两种改进桨型组合,对比分析3种组合的速度矢量图、速度分布柱形图和速度云图,以此优化出一种搅拌效果较好的桨型组合。结果表明:发酵罐内的流场可受通气的影响而发生改变,通气发酵过程的模拟采用多相流模型更为准确;底层桨离底距离的不同可导致发酵罐内流场的不同,以六直叶圆盘涡轮桨为底桨时,离底距离应不小于T/3;液相死区的大小是由桨叶组合、桨叶安装位置以及气液两相的相互作用共同导致的,不能单纯靠提高转速改善;在800 r/min下,搅拌效果组合3为最佳。

毕赤酵母流加培养诱导生产植酸酶的流加控制策略

对毕赤酵母流加培养生产植酸酶过程中的底物和诱导剂流加策略和性能进行了比较研究。在生长期采用基于DO/pH在线测量的人工神经网络状态模式识别控制法（ANNPR—Ctrl）特别有效。它可大幅度提高细胞生产强度，并使以甲醇为诱导剂的植酸酶诱导生产时刻提前。然而，在诱导期ANNPR—Ctrl和pH—Stat法等均不能有效地提高植酸酶酶活。为此，在生长阶段采用ANNPR—Ctrl法，当菌浓达到一个较高水平后，引入一个5～6h的过渡期，并在此阶段继续利用ANNPR—Ctrl法流加葡萄糖和甲醇的混合物，使细胞对甲醇逐步产生适应。最后，利用纯甲醇和离线检测甲醇的控制方法开始诱导。在此阶段，离线控制可粗略地将甲醇浓度控制在5～15g/L的范围内，酶活高达320U/mL，比3种基本控制方式提高了5倍。同时，ANNPR—Ctrl法和离线检测甲醇控制模式的有效组合还缩短了酶活达到最高水平的时间。

重组毕赤酵母生产外源蛋白的过程控制与生理分析的研究进展

毕赤酵母是近年来应用广泛、极受青睐的一种外源蛋白表达系统。除了构建高效、稳定的毕赤酵母生产菌株外,研究不同发酵控制条件下,细胞的生理和代谢状态变化,为毕赤酵母细胞提供最优的生长和环境条件并综合考虑发酵成本是成功实现外源蛋白规模化、商业化生产的保障。本文从培养基组分、外界环境条件、细胞比生长速率、生长期甘油流加策略和诱导期甲醇流加策略等方面阐述了发酵过程对外源蛋白表达的影响,并进一步从细胞生理和代谢层面深入讨论了不同发酵过程控制条件的影响机制。

人工神经网络结合遗传算法在焙炒大米过程中的应用

焙炒是一种全新的使原料淀粉糊化的方法.它用热风替代水蒸气,在高温,短时间的条件下处理原料米,具有无废水污染,容易保存等优点,为食用酒酿制过程中的一种新型技术.通过对焙炒大米的3个指标:糊化率、脂肪含量和氨基氮进行测定,利用人工神经网络技术ANN对上述性能指标和操作参数的数据进行训练学习,得到可以描述焙炒过程操作条件和性能指标之间关系的模型.在所得模型的基础上,利用遗传算法GA对大米的焙炒条件实施优化,对未参与ANN建模的数据进行评价和比较,结果发现,结合使用ANN和GA,能够比较准确地预测对应于期望指标的操作条件,预测结果与实验数据吻合.

添加表面活性剂改善丁醇萃取发酵性能

研究了各种表面活性剂对丁醇萃取发酵的影响。丁醇发酵中有大量H2、CO2气体生成,生成的气泡携带发酵溶剂产物(丁醇、丙酮)进入萃取液相,促进了水相中发酵毒性产物向萃取液相的移动。研究发现,表面活性剂可以降低气-液膜的表面张力,促使大气泡破碎,从而使发酵产气以较小气泡的形式穿过萃取液相。添加表面活性剂可以强化发酵溶剂产物从水相到萃取相的移除速度,缩短发酵产物在油水两相中达到平衡的时间,有利于提高发酵生产强度。以地沟生物柴油为萃取剂,吐温-80的添加量为质量分数0.140%时,与对照相比(无表面活性剂的萃取发酵),相同发酵时间内萃取相中丁醇体积分数提高了21.2%,总溶剂生产强度也提高了16.5%。

初始生物素含量波动时谷氨酸发酵关键酶系的酶活变化模式

谷氨酸发酵培养基中的生物素初始含量会随玉米浆来源、批次的不同出现波动,进而影响谷氨酸发酵性能和稳定性。本文研究分析了谷氨酸发酵中,初始生物素含量正常/不当,特别是初始含量不当、采取补救措施条件下的丙酮酸、异柠檬酸和α-酮戊二酸代谢节点处关键酶的活性变化。生物素匮乏时,催化主代谢途径的关键酶活性均被弱化,特别是α-酮戊二酸脱氢酶完全失活,能量代谢主要靠乙醛酸循环维持。当发现生物素匮乏并补加生物素后,中心代谢途径关键酶——丙酮酸脱氢酶的活性恢复到正常水平,TCA重新成为主要供能途径。生物素过量时,丙酮酸羧化酶和谷氨酸脱氢酶活性基本不变,而其他关键酶均被激活。当发现生物素过量并添加吐温40后,丙酮酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶依旧保持很高活性,而α-酮戊二酸脱氢酶和异柠檬酸裂解酶的活性则下降到正常水平。采用上述补救措施可以挽救因初始生物素匮乏或过量所引起的错误发酵,终酸浓度均可恢复到对照(生物素亚适量)水平(75～80g·L-1)。另外,对生物素初始含量和吐温添加进行复合式调控,终酸浓度可进一步提高,达到87g·L-1,比对照提高8.8%。

原料碳氮比对丁醇发酵两阶段发酵性能的影响

在丙酮丁醇发酵的产酸期和产溶剂期两阶段,向葡萄糖质量浓度固定的培养基中添加不同质量浓度酵母浸粉,比较了不同碳氮比培养下的丙丁梭菌在相应阶段产气、耗糖、产有机酸、发酵相转型和产溶剂等发酵性能的差异.结果表明,在产酸期,适中的碳氮比（46.7-93.4 mol/mol）能够保证菌体以正常速度生长,不至于过分刺激或是抑制有机酸的合成,使发酵顺利完成相转型,有利于缩短发酵周期;在产溶剂期,较高的碳氮比（93.4-186.7 mol/mol）可以有效抑制副产物溶剂丙酮和乙醇的积累,且保持丁醇产量达到12g/以上,从而获得较高的丁醇/总溶剂比例.继而再利用玉米粉、木薯粉和豆饼粉3种含碳氮比差异较大的生物质原料进行丙酮丁醇发酵,验证了上述关于原料碳氮比对丁醇发酵各阶段发酵性能影响效应的结论.

以废弃毕赤酵母为高效氮源强化丁酸发酵生产

为有效利用固态废弃毕赤酵母,高效发酵生产丁酸,建立了以80 g/L玉米淀粉为基础培养基、以废弃毕赤酵母处理液为高效有机氮源,连续补加葡萄糖的丁酸发酵工艺。7 L厌氧发酵罐下,发酵20h,先以1∶4的比例添加250~400 g/L规格的废弃酵母处理液替代昂贵的发酵用复合培养基,再连续补加葡萄糖浓缩液。最终的丁酸质量浓度为45 g/L、得率为40%,丁酸占总酸的比率(butyric acid ratio over total organic acids,B/TA)≥0.90的较高水平。该工艺可以有效地利用来自于废弃酵母处理液中的氨基酸,提高细胞生长速度和浓度,增强丁酸合成所依赖的NADH再生速度,间接改善了丁酸发酵性能。与此同时,实现了废弃生物质的有效利用和资源化。

环境条件对丙酮酸分批发酵的影响

考察了搅拌转速、pH和温度对丙酮酸分批发酵的影响。高转速（500r／min）下，丙酮酸产率较高（71％），但葡萄糖消耗速度较慢（1．23g／（L·h））；低转速（300r／min）下，细胞消耗葡萄糖的速度加快（1．95g/（L·h）），而丙酮酸产率（0．48％）却明显下降。将搅拌转速恒定在400r／min可在一定程度上获得较高的丙酮酸产率（0．62％）和葡萄糖消耗速度（1．66g／（L·h））。CaCO3调节pH时，较多碳流从丙酮酸节点转向α-酮戊二酸节点和细胞生长，最终丙酮酸产量比NaOH调节pH时的发酵结果低38．7％；NH3·H2O调节pH时最终细胞浓度和丙酮酸产量仅为NaOH调节时的77．8％和90．9％。pH5．5时最利于丙酮酸的合成。较高的发酵温度加速T.glabrata积累丙酮酸，但同时会导致α-酮戊二酸的提前积累；而较低的温度下甘油和α-酮戊二酸积累较少，丙酮酸发酵的最适温度为28～30℃。

恶臭假单胞菌S1产胞内海藻糖合成酶发酵培养基的优化

采用摇瓶发酵法研究了不同碳源、氮源对恶臭假单胞菌S1干重和胞内海藻糖合成酶酶活力的影响。通过正交试验得出其最佳培养基配方为(g.L-1):葡萄糖25,玉米浆15,麦芽糖20,豆粕水解液10 mL.L-1,Na3C6H5O7.2 H2O 0.5,Na2HPO4.12 H2O 0.5。优化后菌体密度、单位细胞产酶活力分别提高了1.44倍和72.16%。

氨基酸强化Torulopsis glabrata发酵生产丙酮酸

在维生素限量添加的条件下,研究了添加氨基酸对丙酮酸发酵的影响.在发酵初始添加0.8g/L谷氨酸、0.6g/L酪氨酸和0.2g/L甲硫氨酸使丙酮酸产量分别提高23.5%,16.4%和11.8%.动力学分析表明,添加以上3种原料提高丙酮酸生产性能的原因在于用于细胞生长的葡萄糖下降,显著提高了细胞对葡萄糖的产率系数(Yx/s)和丙酮酸对葡萄糖的产率系数(Yp/s).添加氨基酸导致胞内NADH/NAD+比下降,增加了胞内NAD+可用度,加强了糖酵解速度,从而提高了丙酮酸生产强度.