生料玉米淀粉同步糖化发酵乙醇动力学的研究

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发酵酒精作为新型的绿色可再生原料在食品、化工、医药等很多领域都占有重要地位。通过发酵动力学模型描述发酵过程中各状态变量间的关系,不仅可以定量地解释发酵过程,还可以为发酵过程的分析、设计、优化和操作提供理论依据。从生料玉米淀粉到产物酒精的生成通常包含淀粉经由酶水解成葡萄糖和葡萄糖通过酵母发酵产酒精两个阶段;生料玉米淀粉同步糖化发酵是生料玉米淀粉不经蒸煮、液化等过程,直接在发酵罐中进行糖化,产糖与发酵同时进行的工艺;相比于传统的发酵工艺,它工艺简单,节省了发酵时间,降低了设备投资,减少了能量消耗,消除了高浓度糖的抑制作用。本文分别对酶解过程和发酵过程的动力学进行了研究。对于酶解过程,本文研究了产物浓度,底物浓度及酶失活对酶解产糖速率的影响,通过酶解实验确定了产物抑制点的存在,经分析得出其值为6.95g/L,给出了包含产物抑制、抑制点和酶失活的酶解动力学模型,通过对实验数据的拟合得出模型参数Km=14.51g/L,Vm=0.8429g/(L·min),KG=0.0080g/L,a=20.6831,模型对实验数据的拟合度R2为0.9939。对于发酵过程,讨论了产物的浓度,菌体的生长,还原糖、总糖的积累和消耗随时间的变化关系以及酒精生成动力学模型参数的不同求解方法对结果的影响;结合经典发酵动力学并从化学工程的角度建立模型来描述产物酒精的生成过程,所建立模型对最大酒精浓度的预测值52.7~66.4g/L与实验值较为接近,对水料比为1.5、2.5、3.5、4.5实验的拟合度R2分别为0.9941、0.9731、0.9464、0.9635。对于底物消耗过程,基于生长耦联假设给出了底物总糖消耗动力学模型,模型对水料比1.5~4.5不同实验的拟合度R2分别为0.9363、0.9446、0.9413、0.9501。通过相关系数及实验值的验证可知,其模型都能与实验值吻合的很好。
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