CN101358210A - 基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法 - Google Patents
基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101358210A CN101358210A CNA2008102005057A CN200810200505A CN101358210A CN 101358210 A CN101358210 A CN 101358210A CN A2008102005057 A CNA2008102005057 A CN A2008102005057A CN 200810200505 A CN200810200505 A CN 200810200505A CN 101358210 A CN101358210 A CN 101358210A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- orp
- value
- orp value
- control signal
- air flow
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 title claims abstract description 85
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 28
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 title abstract description 5
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 title description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 90
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 78
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 24
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 19
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 16
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 16
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 14
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 13
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 5
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 4
- 230000009123 feedback regulation Effects 0.000 description 13
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 241001052560 Thallis Species 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 6
- 150000005846 sugar alcohols Chemical class 0.000 description 5
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 4
- 235000014680 Saccharomyces cerevisiae Nutrition 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 238000011218 seed culture Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 2
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229930027945 nicotinamide-adenine dinucleotide Natural products 0.000 description 1
- BOPGDPNILDQYTO-NNYOXOHSSA-N nicotinamide-adenine dinucleotide Chemical compound C1=CCC(C(=O)N)=CN1[C@H]1[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]2[C@H]([C@@H](O)[C@@H](O2)N2C3=NC=NC(N)=C3N=C2)O)O1 BOPGDPNILDQYTO-NNYOXOHSSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 1
- 150000002978 peroxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 plays two effects Chemical compound 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- 238000012807 shake-flask culturing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000026676 system process Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法。更具体地涉及自动调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的方法和设备。所述方法包括：(a)测定发酵体系的氧化还原电位ORP；(b)将ORP值数据输送给中央处理器；(c)中央处理器将实际ORP值与预定ORP值进行比较，产生调节空气流量的第一控制信号和调节氮气流量的第二控制信号；(d)将第一控制信号输送给控制空气流量的第一控制器以调节空气流量；和将第二控制信号输送给控制氮气流量的第二控制器以调节氮气流量；(e)让发酵体系发酵一段时间；和(f)重复步骤(a)至(e)。本发明显著提高了ORP控制精度，缩短了达到预定ORP值的时间；并且有助于减少能耗，降低发酵成本。
Description
技术领域
本发明涉及发酵技术领域，更具体地涉及一种通过基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法和设备。
背景技术
氧化还原电位(ORP)表示溶液中不同氧化还原物质对所构成的氧化还原电势。
在发酵过程中，氧化还原反应是与其胞内的代谢过程相关联的，因此，发酵液并不总是处于氧化还原平衡的状态。很多研究表明，每个微生物都有一个最适生长和产能的ORP范围，但很多微生物都不能自发的进入此范围。在很多微生物的厌氧发酵过程中，ORP作为一个极其有用的过程参数来研究生物过程碳流量分布、能量分布、发酵产物的优化及放大。
对于不同的工程菌，通过调控ORP，可以影响工程菌的生长和发酵产物的产量。例如，对于酿酒酵母，可以通过控制通气中的氧浓度使得厌氧发酵过程中的ORP保持在其最适范围，从而最大限度的降低发酵过程中副产物的生成，提高乙醇产率。
控制ORP的方法主要有两种：一种是改变发酵罐通气系统中空气流量来改变发酵体系中的微量氧浓度；另一种方法是向发酵罐中加入氧化性或还原性的物质，如氨、过氧化氢、二氧化氯等。由于加入氧化性或还原性的物质可能会对整个发酵体系中的其它代谢情况产生影响，因此综合考虑成本等因素，一般通过改变空气流量来控制ORP。
在厌氧发酵过程中，微量氧浓度的改变会对发酵反应体系中氧化还原平衡产生很大的影响，一旦原有体系的平衡被打破，微生物将形成新的氧化还原平衡，从而使体系的ORP值不断发生变化。
ORP对微量氧非常敏感，因此通过人工来控制ORP保持某恒定水平比较困难。从现有的关于发酵体系中ORP的研究看，大多数都是通过手动改变通气中氧含量来维持ORP在设定值。
迄今为止，还没有如何实现ORP的自动反馈控制的方法和设备。
因此，本领域迫切需要开发自动调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的方法和设备。
发明内容
本发明的目的就是提供一种自动调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的方法和设备。
在本发明的第一方面，提供了一种自动调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的方法，包括步骤：
(a)测定发酵体系的氧化还原电位ORP，记为实际ORP值；
(b)将测定的实际ORP值数据输送给中央处理器；
(c)中央处理器将测定的实际ORP值与预定的ORP值或ORP值区间进行比较，并据此产生调节空气流量的第一控制信号和调节氮气流量的第二控制信号；
(d)将所述调节空气流量的第一控制信号输送给控制空气流量的第一控制器，所述的第一控制器基于该第一控制信号调节输送到发酵系统中的空气流量；并且将所述调节氮气流量的第二控制信号输送给控制氮气流量的第二控制器，所述的第二控制器基于该第二控制信号调节输送到发酵系统中的氮气流量；
(e)让发酵体系在所述的空气流量和氮气流量下发酵一段时间Tn，其中n表示循环次数；和
(f)在所述的厌氧发酵过程中，重复步骤(a)至(e)。
在另一优选例中，在步骤(c)中，按以下方式产生控制信号：
(i)若实际ORP值处于预定ORP值区间内，则产生用于维持当前空气流量的、调节空气流量的第一控制信号，并且产生用于维持当前氮气流量的、调节氮气流量的第二控制信号；
(ii)若实际ORP值小于预定ORP值区间的下限，则产生用于增加当前空气流量的、调节空气流量的第一控制信号，并且产生用于减少当前氮气流量的、调节氮气流量的第二控制信号；
(iii)若实际ORP值大于预定ORP值区间的上限，则产生用于减少当前空气流量的、调节空气流量的第一控制信号，并且产生用于增加当前氮气流量的、调节氮气流量的第二控制信号。
在另一优选例中，在发酵过程中维持发酵体系总通气流量不变，即空气流量和氮气流量的总量不变。
在另一优选例中，若实际ORP值小于预定ORP值区间的下限，则第一控制信号和第二控制信号所导致的流量递变值ΔF的绝对值满足以下条件：(1)流量递变值ΔF位于预定的流量递变值区间下限ΔFmin和上限ΔFmax之间；(2)流量递变值ΔF与预定ORP值区间下限与实际ORP值的差值ΔORP成正比关系；和/或
若实际ORP值大于预定ORP值区间的上限，则第一控制信号和第二控制信号所导致的流量递变值ΔF的绝对值满足以下条件：(1)流量递变值ΔF位于预定的流量递变值区间下限ΔFmin和上限ΔFmax之间；(2)流量递变值ΔF与实际ORP值与预定ORP值区间上限的差值ΔORP成正比关系。
在另一优选例中，在步骤(e)中，所述的一段时间Tn满足以下条件：Tn≤5分钟。较佳地，Tn≤2分钟；更佳地，Tn≤1分钟。
在另一优选例中，当n≥2时，中央处理器还对所述的Tn进行如下调节：
若实际ORP值处于预定ORP值区间内，则维持所述的一段时间Tn，即Tn＝Tn-1；并且
若实际ORP值小于预定ORP值区间的下限，则所述的一段时间Tn与上一循环中的间隔时间Tn-1的差值ΔT的绝对值与预定ORP值区间下限与实际ORP值的差值ΔORP成反比关系；并且
若实际ORP值大于预定ORP值区间的上限，则所述的一段时间Tn与上一循环中的间隔时间Tn-1的差值ΔT的绝对值与实际ORP值与预定ORP值区间上限的差值ΔORP成反比关系。
在另一优选例中，所述的预定ORP值区间是-150mV±10mV；-50mV±10mV；或-200mV±10mV。
更佳地，预定ORP值区间是-150mV±5mV；-50mV±5mV；或-200mV±5mV。
在本发明的第二方面，提供了一种厌氧发酵方法，包括步骤：在发酵过程中，用本发明第一方面中所述的方法控制发酵体系的氧化还原电位。
在本发明的第二方面，提供了一种乙醇发酵方法，包括步骤：在生产乙醇的工程菌的发酵过程中，用本发明第一方面中所述的方法控制发酵体系的氧化还原电位处于预定ORP值区间；以及
从发酵体系中分离出所产生的乙醇。
在另一优选例中，所述的乙醇工程菌是酿酒酵母。更佳地，所述的预定ORP值区间是-150mV±10mV。
在本发明的第四方面，提供了一种调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的设备，包括以下组件：
(a)探头，所述探头用于测定发酵体系的氧化还原电位ORP(即实际ORP值)；
(b)位于探头和中央权利要求之间并与其相连的模数转换器(A/D转换器)，所述的A/D转换器用于转换探头测定的实际ORP值并将数据输送给中央处理器；
(c)中央处理器，所述的中央处理器将测定的实际ORP值与预定的ORP值或ORP值区间进行比较，并据此产生调节空气流量的第一控制信号和调节氮气流量的第二控制信号；
(d)位于中央处理器和空气流量控制器之间并与其相连的、并且位于中央处理器和氮气流量控制器之间并与其相连的数模转换器(D/A转换器)，所述的D/A转换器用于转换中央处理器产生的第一控制信号和第二控制信号并将其分别输送给空气流量控制器和氮气流量控制器；
(e)空气流量控制器，用于调节输送到发酵系统中的空气流量；
(f)氮气流量控制器，用于调节输送到发酵系统中的氮气流量。
在另一优选例中，所述的设备还包括：发酵罐，所述的发酵罐具有搅拌装置。
在另一优选例中，所述的设备还包括以下一个或多个组件：
测定发酵体系中溶氧的测量装置；
测定发酵体系中pH的测量装置；
测定发酵体系尾气的测量装置。
附图说明
图1显示了本发明一个实例中厌氧发酵系统参数检测与通气控制示意图。
图2显示了本发明一个实例中ORP自动反馈调控控制逻辑图。
图中，各参数含义如下：
V1：设定ORP下限值
V2：设定ORP上限值
P1：流量的递变系数
P2：时间的递变系数
CO2：混合气中O2的流量
CN2：混合气中N2的流量
T：控制的间隔时间
ΔFmin：流量的递变下限
ΔFmax：流量的递变上限
ΔTmin：时间的递变下限
ΔTmax：时间的递变上限
ΔORPn：第n次递变后ORP实际值与设定值的差值
图3不同初始条件的ORP控制效果图。
图4显示了本发明一个实例中不同ORP水平的自动反馈控制效果图。
图5显示了在本发明一个实例中在不同ORP水平下的菌体生长情况。
图6显示了不同ORP水平下甘油的分泌情况。
具体实施方式
本发明人通过广泛而深入的研究，首次开发了基于发酵系统中的实时ORP值，自动调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的方法和设备，从而显著提高了ORP控制精度，缩短了达到预定ORP值的时间；并且减少ORP值的波动，有助于减少能耗，降低发酵成本，利于环境保护。
参见图1所示的厌氧发酵系统参数检测与通气控制示意图。图中，空气和氮气经质量流量计通入发酵罐中，流量和ORP的值经过数模转换后在控制主机上显示，给定各参数初始值后，流量和ORP形成串级控制系统，从而实现了ORP的自动反馈调控。
作为含氧气体，可以使用空气或氧气；作为不含氧的气体，可以使用氮气或惰性气体。当然，广义上，也可以使用氧气含量高的气体作为氧气源，使用氧气含量非常低的气体作为不含氧的气体。
本发明一个实例中ORP自动反馈调控控制逻辑图如图2所示。其中：各参数的含义如下：
V1：设定ORP下限值；
V2：设定ORP上限值；
P1：流量的递变系数；
P2：时间的递变系数；
CO2：混合气中O2的流量；
CN2：混合气中N2的流量；
T：控制的间隔时间；
ΔFmin：流量的递变下限：
ΔFmax：流量的递变上限；
ΔTmin：时间的递变下限；
ΔTmax：时间的递变上限；
ΔORPn：第n次递变后ORP实际值与设定值的差值。
整个控制程序可有9个变量参数：设定ORP下限值V1，设定ORP上限值V2，流量的递变系数P1，时间的递变系数P2，控制的间隔时间T，流量的递变上下限ΔFmin和ΔFmax，时间的递变上下限ΔTmin和ΔTmax。
上述变量参数可根据具体情况进行设定，例如根据现有的手工控制方法设定间隔时间T等参数。由于采用自动控制，因此设定的间隔时间T(自动)通常短于手工控制时的间隔时间T(手工)，例如T(自动)＜1/2T(手工)，更佳地T(自动)＜1/4T(手工)。
另外，由于本发明方法能够更精确地将ORP值控制在更狭小的范围，因此由ORP上限值V2和ORP下限值V1所构成的ORP值区间也小于手工控制时的预定ORP值区间，例如通常前者小于或等于后者的1/2，更佳地前者小于或等于后者的1/3。
ORP下限值V1和ORP上限值V2通常设定为使得V2-V1的差≤50mV，较佳地V2-V1的差≤30mV，更佳地V2-V1的差≤20mV。
流量的递变系数P1通常设定为≤0.05，较佳地≤0.01，更佳地≤0.005。
时间的递变系数P2通常设定为≤0.03，较佳地≤0.008，更佳地≤0.004。
控制的间隔时间T通常设定为T≤5分钟，较佳地，T≤2分钟；更佳地，T≤1分钟。
流量的递变下限ΔFmin通常设定为发酵体积的0.01％或更低(每分钟)，较佳地为发酵体积的0.02％或更低(每分钟)。例如以2.5升发酵体系为例，ΔFmin可以是0.001L/min或更低。
流量的递变上限ΔFmax通常设定为小于或等于发酵体积的20％(每分钟)，更佳地为小于或等于发酵体积的10％(每分钟)。例如，以2.5升发酵体系为例，ΔFmin可以是0.5L/min。
时间的递变下限ΔTmin通常设定为5秒-1分钟；
时间的递变上限ΔTmax通常设定为2分钟-30分钟。
当实际ORP值低于设定区间时，混合气中氧的流量会自动增加；当实际ORP值高于设定区间时，混合气中氧的流量会自动下降。
在本发明中，混合气中氧的流量变化ΔF可以是固定的，也可以是变动的。在本发明的优选例中，混合气中氧的流量的递变流量幅度ΔF是按比例变化的。换言之，当给定初始递变系数P1后，流量的递变值和ORP实际值与设定值的差值(ΔORP)呈正比(例)关系，即ORP实际值偏离设定值越大，流量的递变值就越大，反之越小。这样，有利于更快速地达到预定的ORF值，也更有利于消除ORF值的波动。
在本发明中，控制的间隔时间T可以是固定的，也可以变动的。因为微生物反应系统的状态变化是非常复杂的，ORP的变化要明显滞后于控制信号的传递，因此，在本发明的自动反馈控制系统的优选例中，控制的间隔时间T也是按比例变化的。当给定初始递变系数P2后，间隔时间的递变量与ΔORP的趋势呈反比(例)关系，当ΔORP变小时，递变的间隔时间就变大；反之当ΔORP变小时，递变的间隔时间就变大。
例如，控制的间隔时间T(也称为递变时间)和ORP实际值与设定值的差值(ΔORP)之间呈线性反比函数的关系。当差值ΔORP越小时，重新测定ORP值的时间间隔就越大；当差值越大时，重新测定ORP值的时间间隔就越小。
在本发明中，正比(例)关系可以是线性的正比关系，也可以是非线性的正比关系(例如二次曲线)。同样，反比(例)关系可以是线性的反比关系，也可以是非线性的正比关系。
整个控制系统过程中，流量和时间的实际量和递变量都不宜超过设定的上下限。
适用于本发明的方法的工程菌没有特别限制，可以是各种常规的工程菌，包括市售的工程菌、可获自保藏中心的工程菌、从自然界筛选获得的菌种、以及用重组技术制备的工程菌。优选的工程菌是需要在厌氧条件下生长或发酵的菌种，例如酿酒酵母等。
本发明还提供了一种调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的设备，它包括以下组件：
(a)探头，所述探头用于测定发酵体系的氧化还原电位ORP(即实际ORP值)；
(b)位于探头和中央权利要求之间并与其相连的模数转换器(A/D转换器)，所述的A/D转换器用于转换探头测定的实际ORP值并将数据输送给中央处理器；
(c)中央处理器，所述的中央处理器将测定的实际ORP值与预定的ORP值或ORP值区间进行比较，并据此产生调节空气流量的第一控制信号和调节氮气流量的第二控制信号；
(d)位于中央处理器和空气流量控制器之间并与其相连的、并且位于中央处理器和氮气流量控制器之间并与其相连的数模转换器(D/A转换器)，所述的D/A转换器用于转换中央处理器产生的第一控制信号和第二控制信号并将其分别输送给空气流量控制器和氮气流量控制器；
(e)空气流量控制器，用于调节输送到发酵系统中的空气流量；
(f)氮气流量控制器，用于调节输送到发酵系统中的氮气流量。
其中，各组件可通过市售方式获得。例如，常用的ORP探头是ORP铂电极，中央处理器是电脑。
在本发明的一个具体实例中，在以酿酒酵母厌氧发酵生产乙醇的ORP自动反馈控制过程中，2.5升发酵罐，T的初始值约为60s，P1为0.005，P2为0.001-0.003，初始CO2：0.1L/分钟，初始CN2：1.9L/分钟，ΔFmin：0.001L/min；ΔFmax：0.5L/min；ΔTmin：5s；ΔTmax：15分钟。在启动ORP自动反馈调控程序后的1小时内，即可达到预定的ORP值区间，并且可以很方便地将ORP维持在相对稳定的值。
本发明的主要优点在于：
(a)通过基于ORP的自动反馈系统，成功地实现了ORP的自动控制，减少了人工控制成本。
(b)提高了ORP控制精度，缩短了达到预定ORP值的时间。
(c)实时根据ORP值改变调试参数，从而更快速有效地调控ORP值，并减少ORP值的波动。
(d)为厌氧发酵代谢调控提供了有用的工具，便于将发酵控制在最适合产生发酵产物(如乙醇)的条件，从而减少能耗，降低发酵成本，有助于环境保护。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
1.1菌种活化
从菌种保藏斜面挑取一环酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)乙醇工程菌B1(购自华东理工大学)，用无菌水稀释至不同梯度，将不同梯度的菌液分别涂布接入YPD固体培养基进行活化，在30℃培养100h后获得单菌落。
1.2种子培养
一级种子制备：从稀释纯化得到的单菌落平板上挑取一个单菌落，接入150ml摇瓶培养，装种子培养基液量为30ml，在30℃、220rpm下培养大约12小时，作为一级种子；
二级种子制备：将30ml的一级种子全部倒入250ml装液量为120ml的种子培养基摇瓶中，在30℃、220rpm下培养大约12小时，得到二级种子，菌浓约为1×107个/ml。
1.3好氧培养菌体生长过程
将ORP电极、pH电极、DO电极及温度控制电极插入2.5L发酵罐中，装液量为1.5L的发酵培养基，在121℃下灭菌15分钟。接种量为10％。好氧培养条件，30℃，500rpm，空气流量为3.0L/min，用工业氨水控制pH为5.0，好氧过程约控制在4-5h，此时菌浓约为1×108个/ml。ORP的范围为50mV-100mV之间。
实施例2
ORP自动反馈调控厌氧发酵过程
采用图1所示的设备。当菌体生长的好氧培养结束后(自最初发酵起约5小时后)，启动ORP自动反馈系统，并维持总流量为2.0L/min不变。
试验中，设定的ORP在-150mV±10mV，P1、P2和T如表1所示，a、b、c表示了三种不同的初始值。
其中，对照试验为当菌体生长的好氧培养结束后(自最初发酵起约5小时后)立即将空气管路关闭，同时开启氮气，流量为2.0L/min保持不变。
结果：
当设定ORP为-150mV时，不同初始条件的ORP控制效果见图3和表1。
表1 三种不同的初始条件(a、b、c)
注1：自厌氧发酵起计时(即自开启ORP自动反馈系统起计时)。
由图3可知，不同的初始设定值会影响ORP的控制效果。
初始条件a的控制效果最好。如果流量和时间的递变系数过小(b)，则发酵液的ORP到达设定值的时间要长。如果递变系数过大(c)，则控制的精度会降低。
因此，当T为60s时，优选的P1为0.005±0.002，而P2为0.003±0.001。
实施例3
基于ORP值手工调控厌氧发酵过程(对比例)
重复实施例2，不同点在于：当菌体生长的好氧培养结束后(自最初发酵起约5小时后)，根据ORP值手工调控空气和氮气的流量，并且间隔时间为5分钟。
结果，从厌氧发酵起计，达到设定的ORP需要8小时以上。
实施例4
不同水平的ORP对乙醇发酵过程的影响
在本实施例中，采用与实施例1和2相同的试验方法，不同点在于：通过ORP自动反馈调控系统，研究预定ORP值在-50mV、-150mV、-200mV不同水平以及完全不通气培养(control)的条件对乙醇发酵过程的影响。
另外，初始CO2：0.1L/分钟，初始CN2：1.9L/分钟，ΔFmin：0.001L/min；ΔFmax：0.5L/min；ΔTmin：5s；ΔTmax：15分钟。
控制结果如图4所示。可以看出，利用ORP自动反馈控制系统能很好的将ORP控制在设定值。其波动范围可控制在±5mV。
表2 控制氧化还原电位时的发酵罐操作条件
不同ORP水平下的菌体生长情况如图5所示。ORP越低，厌氧程度越深，菌体生长越缓慢，生物量相应也越低。
甘油是乙醇发酵过程中最主要的副产物，甘油的生成主要起两个作用，一是酿酒酵母抵御外界高渗透压的手段，二是维持胞内的氧化还原平衡。在厌氧条件下，胞内的NADH是通过甘油途径被氧化，从而使胞内的氧化还原达到新的平衡。
三种预定ORP值下的甘油产生情况如图6所示。结果表明，ORP值越低，甘油分泌的量越多。
三种预定ORP值下的糖醇转换率如表3所示。
表3 不同ORP水平下的糖醇转换率
从表3中可以看出，当ORP为-150mV时糖醇转化率最高，为0.4388g乙醇/g葡萄糖(或43.88％)。比-50mV时高出10.5％，比不通气时高出27.8％。这说明了酿酒酵母工程菌B1在厌氧发酵的过程中的最适氧化还原电位为-150mV。通过ORP自动反馈调控系统可以很好的将发酵液的ORP值控制在设定值。
通过提高糖醇转化率，可以减少能耗，降低发酵成本，有助于环境保护。
讨论
通过上述实施例可以看出，通过ORP自动反馈调控程序控制ORP在-50mV、-150mV、-200mV不同水平，在三种水平下ORP自动反馈调控的精度都在±5mV内，能完全满足控制要求(图2)。
从不同ORP水平的乙醇代谢情况看，ORP为-150mV时糖醇转化率最高，比-50mV时高出10.5％，比不通气时高出27.8％。这说明控制ORP在-150mV能提高乙醇的产率。当然，根据所使用的工程菌不同，其最佳ORP值也有所不同。
通过本发明的ORP自动反馈调控系统能很好的将ORP控制在设定值。相比现有的人工控制，本发明的自动反馈调控系统减少了人工控制成本，提高了控制精度，并为厌氧发酵代谢调控提供了有用的工具。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种自动调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的方法，其特征在于，包括步骤：
(a)测定发酵体系的氧化还原电位ORP，记为实际ORP值；
(b)将测定的实际ORP值数据输送给中央处理器；
(c)中央处理器将测定的实际ORP值与预定的ORP值或ORP值区间进行比较，并据此产生调节空气流量的第一控制信号和调节氮气流量的第二控制信号；
(d)将所述调节空气流量的第一控制信号输送给控制空气流量的第一控制器，所述的第一控制器基于该第一控制信号调节输送到发酵系统中的空气流量；并且将所述调节氮气流量的第二控制信号输送给控制氮气流量的第二控制器，所述的第二控制器基于该第二控制信号调节输送到发酵系统中的氮气流量；
(e)让发酵体系在所述的空气流量和氮气流量下发酵一段时间Tn，其中n表示循环次数；和
(f)在所述的厌氧发酵过程中，重复步骤(a)至(e)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，按以下方式产生控制信号：
(i)若实际ORP值处于预定ORP值区间内，则产生用于维持当前空气流量的、调节空气流量的第一控制信号，并且产生用于维持当前氮气流量的、调节氮气流量的第二控制信号；
(ii)若实际ORP值小于预定ORP值区间的下限，则产生用于增加当前空气流量的、调节空气流量的第一控制信号，并且产生用于减少当前氮气流量的、调节氮气流量的第二控制信号；
(iii)若实际ORP值大于预定ORP值区间的上限，则产生用于减少当前空气流量的、调节空气流量的第一控制信号，并且产生用于增加当前氮气流量的、调节氮气流量的第二控制信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，若实际ORP值小于预定ORP值区间的下限，则第一控制信号和第二控制信号所导致的流量递变值ΔF的绝对值满足以下条件：(1)流量递变值ΔF位于预定的流量递变值区间下限ΔFmin和上限ΔFmax之间；(2)流量递变值ΔF与预定ORP值区间下限与实际ORP值的差值ΔORP成正比关系；和/或
若实际ORP值大于预定ORP值区间的上限，则第一控制信号和第二控制信号所导致的流量递变值ΔF的绝对值满足以下条件：(1)流量递变值ΔF位于预定的流量递变值区间下限ΔFmin和上限ΔFmax之间；(2)流量递变值ΔF与实际ORP值与预定ORP值区间上限的差值ΔORP成正比关系。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，所述的一段时间Tn满足以下条件：Tn≤5分钟。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当n≥2时，
若实际ORP值处于预定ORP值区间内，则维持所述的一段时间Tn，即Tn＝Tn-1；并且
若实际ORP值小于预定ORP值区间的下限，则所述的一段时间Tn与上一循环中的间隔时间Tn-1的差值ΔT的绝对值与预定ORP值区间下限与实际ORP值的差值ΔORP成反比关系；并且
若实际ORP值大于预定ORP值区间的上限，则所述的一段时间Tn与上一循环中的间隔时间Tn-1的差值ΔT的绝对值与实际ORP值与预定ORP值区间上限的差值ΔORP成反比关系。
6.一种厌氧发酵方法，其特征在于，包括步骤：在发酵过程中，用权利要求1所述的方法控制发酵体系的氧化还原电位。
7.一种乙醇发酵方法，其特征在于，包括步骤：在生产乙醇的工程菌的发酵过程中，用权利要求1所述的方法控制发酵体系的氧化还原电位处于预定ORP值区间；以及
从发酵体系中分离出所产生的乙醇。
8.一种调控厌氧发酵过程中氧化还原电位的设备，其特征在于，它包括以下组件：
(a)探头，所述探头用于测定发酵体系的氧化还原电位ORP，即实际ORP值；
(b)位于探头和中央权利要求之间并与其相连的模数转换器(A/D转换器)，所述的A/D转换器用于转换探头测定的实际ORP值并将数据输送给中央处理器；
(c)中央处理器，所述的中央处理器将测定的实际ORP值与预定的ORP值或ORP值区间进行比较，并据此产生调节空气流量的第一控制信号和调节氮气流量的第二控制信号；
(d)位于中央处理器和空气流量控制器之间并与其相连的、并且位于中央处理器和氮气流量控制器之间并与其相连的数模转换器(D/A转换器)，所述的D/A转换器用于转换中央处理器产生的第一控制信号和第二控制信号并将其分别输送给空气流量控制器和氮气流量控制器；
(e)空气流量控制器，用于调节输送到发酵系统中的空气流量；
(f)氮气流量控制器，用于调节输送到发酵系统中的氮气流量。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括：发酵罐，所述的发酵罐具有搅拌装置。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括以下一个或多个组件：
测定发酵体系中溶氧的测量装置；
测定发酵体系中pH的测量装置；
测定发酵体系尾气的测量装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2008102005057A CN101358210B (zh) | 2008-09-26 | 2008-09-26 | 基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2008102005057A CN101358210B (zh) | 2008-09-26 | 2008-09-26 | 基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101358210A true CN101358210A (zh) | 2009-02-04 |
| CN101358210B CN101358210B (zh) | 2011-11-09 |
Family
ID=40330808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2008102005057A Expired - Fee Related CN101358210B (zh) | 2008-09-26 | 2008-09-26 | 基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101358210B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102154097A (zh) * | 2010-12-09 | 2011-08-17 | 中国科学院微生物研究所 | 自动调控氧化还原电位的装置及其应用 |
| CN102965397A (zh) * | 2012-11-16 | 2013-03-13 | 大连理工大学 | 一种基于氧化还原电位自动控制重复批次乙醇发酵过程方法 |
| CN106591380A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-04-26 | 北京科技大学 | 一种昭示糟液回流餐厨垃圾发酵产乙醇发酵终点的方法 |
| CN108342313A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-07-31 | 华东理工大学 | 光合细菌的培养装置及培养方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1247470C (zh) * | 2004-03-26 | 2006-03-29 | 彭永臻 | Sbr法交替好氧/缺氧生物脱氮工艺及实时控制装置和方法 |
| CN100491536C (zh) * | 2004-10-26 | 2009-05-27 | 清华大学 | 氧化还原电势调控厌氧发酵生产1，3-丙二醇方法 |
| CN101260363B (zh) * | 2008-04-23 | 2011-11-16 | 哈尔滨工程大学 | 果蔬废弃物产沼气的设备与方法 |
-
2008
- 2008-09-26 CN CN2008102005057A patent/CN101358210B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102154097A (zh) * | 2010-12-09 | 2011-08-17 | 中国科学院微生物研究所 | 自动调控氧化还原电位的装置及其应用 |
| CN102965397A (zh) * | 2012-11-16 | 2013-03-13 | 大连理工大学 | 一种基于氧化还原电位自动控制重复批次乙醇发酵过程方法 |
| CN106591380A (zh) * | 2016-12-15 | 2017-04-26 | 北京科技大学 | 一种昭示糟液回流餐厨垃圾发酵产乙醇发酵终点的方法 |
| CN106591380B (zh) * | 2016-12-15 | 2020-06-02 | 北京科技大学 | 一种昭示糟液回流餐厨垃圾发酵产乙醇发酵终点的方法 |
| CN108342313A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-07-31 | 华东理工大学 | 光合细菌的培养装置及培养方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101358210B (zh) | 2011-11-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lecker et al. | Biological hydrogen methanation–a review | |
| Seifert et al. | Analysis of process related factors to increase volumetric productivity and quality of biomethane with Methanothermobacter marburgensis | |
| Kantzow et al. | Effects of hydrogen partial pressure on autotrophic growth and product formation of Acetobacterium woodii | |
| CA2487116A1 (en) | Fermentation process using specific oxygen uptake rates as a process control | |
| CN103224965B (zh) | 一种微生物发酵生产吡咯喹啉醌的方法及所用的发酵培养基 | |
| CN101358210B (zh) | 基于氧化还原电位自动反馈调控厌氧发酵生产乙醇的方法 | |
| Laurent et al. | Effects of hydrogen partial pressure on fermentative biohydrogen production by a chemotropic Clostridium bacterium in a new horizontal rotating cylinder reactor | |
| JP2020534787A (ja) | 黒麹種菌の連続培養及びそれを用いたクエン酸製造方法 | |
| CN202099288U (zh) | 自动调控氧化还原电位的装置 | |
| CN101831382A (zh) | 以难溶气体为发酵原料的无泡供气-固液分离一体式膜生物膜反应器 | |
| US3384553A (en) | Method and equipment for aerobic fermentation on liquid culture mediums | |
| EP2831254B1 (en) | A method of initiating acetic fermentation under industrial conditions | |
| CN103184243A (zh) | 一种木糖醇的发酵生产方法 | |
| US20240043881A1 (en) | Systems and methods for co-culture of oxygen sensitive bacteria and yeast | |
| CN111893145A (zh) | 一种赖氨酸智能生物发酵新方法 | |
| CN105624083B (zh) | 一种高温甲烷菌驯化培养方法 | |
| CN114790437B (zh) | 一种具有特定功能的氢氧化菌菌群及其筛选方法和应用 | |
| CN101522883B (zh) | 增加发酵生产力和经济性的溶解氧图谱 | |
| CN109609557A (zh) | 一种基于发酵过程菌落平衡的小麦秸秆稳定、高效制气方法 | |
| CN115261361A (zh) | 一种重组毕赤酵母生成透明质酸酶的工业化发酵方法 | |
| Willetts et al. | The production of single-cell protein from whey | |
| CN108342344A (zh) | 一种增大藻丝螺距和长度提高螺旋藻生长固碳速率的方法 | |
| Segers et al. | Product patterns of non-axenic sucrose fermentation as a function of pH | |
| CN107827232A (zh) | 一种以n2o为终产物的反硝化菌的培养方法 | |
| Fraleigh et al. | Regulation of oxidoreductive yeast metabolism by extracellular factors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111109 |