丙酮-丁醇-乙醇發(fā)酵過(guò)程尾氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董雅琳， 許 佳, 劉 濤

(大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

丙酮-丁醇-乙醇發(fā)酵過(guò)程尾氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董雅琳， 許 佳, 劉 濤

(大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

設(shè)計(jì)一種能應(yīng)用于嚴(yán)格無(wú)氧發(fā)酵過(guò)程的尾氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與氣體分析儀、流量計(jì)的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析以及人機(jī)圖形化交互界面。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)采集氫氣與二氧化碳成分信息，在線預(yù)測(cè)丙酮-丁醇-乙醇發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)酸期與產(chǎn)溶劑期，為提高實(shí)際工藝的生產(chǎn)效率和調(diào)控優(yōu)化提供實(shí)時(shí)依據(jù)。

丙酮-丁醇-乙醇發(fā)酵; 尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 數(shù)據(jù)分析; 產(chǎn)酸期; 產(chǎn)溶劑期

近些年來(lái)發(fā)展新型、可持續(xù)的清潔能源來(lái)替代石油資源受到廣泛關(guān)注[1-2]。在過(guò)去的幾十年里,生物燃料(例如生物柴油、酒精和丁醇等)被視為最理想代替石油的未來(lái)能源,并已經(jīng)做了廣泛的研究[3-4]。丁醇由于其易揮發(fā)、低腐蝕、高能量密度，同時(shí)還能夠與石油有更好融合性等特性,具有巨大發(fā)展和應(yīng)用潛力[5]。利用丙酮-丁醇-乙醇發(fā)酵(簡(jiǎn)稱ABE發(fā)酵)方法得到丁醇已經(jīng)有超過(guò)100年的歷史,雖然其發(fā)展歷經(jīng)波折,但仍被廣泛認(rèn)為是理想的丁醇生產(chǎn)方式[6-7]。

氫氣與二氧化碳是ABE發(fā)酵過(guò)程重要?dú)怏w產(chǎn)物,其產(chǎn)量的變化能夠揭示碳元素在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的流向,并影響最后目標(biāo)產(chǎn)物丁醇的生成[8-9]。根據(jù)發(fā)酵機(jī)理進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化是提高ABE發(fā)酵最終產(chǎn)物丁醇產(chǎn)出比的有效方式[10-11]。發(fā)酵尾氣在線分析方法已經(jīng)大量應(yīng)用在有氧酒精發(fā)酵過(guò)程當(dāng)中,并且在整個(gè)酒精發(fā)酵過(guò)程中具有不可替代的作用[12],然而目前很少有關(guān)于厭氧型發(fā)酵過(guò)程尾氣在線監(jiān)測(cè)分析的研究報(bào)道。

本文設(shè)計(jì)一種能應(yīng)用于嚴(yán)格厭氧環(huán)境下ABE發(fā)酵過(guò)程的在線尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng),詳細(xì)說(shuō)明上位機(jī)利用組態(tài)王軟件與尾氣分析儀、流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線處理、人機(jī)界面交互。通過(guò)在線對(duì)發(fā)酵尾氣監(jiān)測(cè)分析,能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)酸期與產(chǎn)溶劑期的起始和終止,這對(duì)提高丁醇發(fā)酵效率和生產(chǎn)過(guò)程調(diào)控優(yōu)化具有重要指導(dǎo)價(jià)值和意義。

1 丙酮-丁醇-乙醇發(fā)酵尾氣檢測(cè)循環(huán)系統(tǒng)

整個(gè)發(fā)酵尾氣檢測(cè)系統(tǒng)使用的多組分氣體分析儀是由西安智琦公司生產(chǎn),包含IRME-M型紅外氣體分析儀(可以檢測(cè)二氧化碳)、電化學(xué)式氧分析儀和HYME-G型氫氣分析儀。為了保證進(jìn)入氣體分析儀的尾氣干燥、無(wú)雜質(zhì),防止分析儀傳感器的老化,必須對(duì)進(jìn)入分析儀的氣體進(jìn)行相應(yīng)過(guò)濾和干燥。本文采用的方法是在氣體分析儀的進(jìn)氣管路上加上充滿二氧化硅的干燥管,對(duì)進(jìn)入分析儀的發(fā)酵尾氣過(guò)濾與干燥。

丙丁梭菌(Clostridiumacetobutylicum)只有在嚴(yán)格的無(wú)氧環(huán)境才能生存,所以需要一個(gè)既能夠在線監(jiān)測(cè)發(fā)酵尾氣成分,又能維持嚴(yán)格厭氧環(huán)境、不影響發(fā)酵過(guò)程的在線尾氣檢測(cè)系統(tǒng)。

一般微生物發(fā)酵過(guò)程為克服發(fā)酵初期和末期產(chǎn)氣量比較小,尾氣檢測(cè)均采用循環(huán)氣體檢測(cè)方式。原方案如圖1(a)所示,將發(fā)酵罐、進(jìn)氣管路、出氣管路、氣體分析儀組成排氣循環(huán)回路進(jìn)行檢測(cè)。圖2為按圖1方案連接發(fā)酵尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的氣體成分。從圖2上可以看出,在發(fā)酵初期產(chǎn)氣量不足時(shí),發(fā)酵罐有氧氣入侵；在發(fā)酵的后期,發(fā)酵產(chǎn)氣量降低,此時(shí)發(fā)酵罐中的氧氣含量上升迅速。顯然,雖然此方案在發(fā)酵的初期與末期產(chǎn)氣量不足時(shí)能夠有效地檢測(cè)尾氣成分含量,但在發(fā)酵的初期與末期均有外部空氣入侵發(fā)酵罐,尤其是氧氣的出現(xiàn),嚴(yán)重影響丙丁梭菌生存,會(huì)直接影響ABE發(fā)酵過(guò)程。

圖1 ABE發(fā)酵尾氣檢測(cè)循環(huán)系統(tǒng)圖

圖2 原方案測(cè)量氣體濃度數(shù)據(jù)

本文對(duì)原方案進(jìn)行了改進(jìn)，見(jiàn)圖1(b)。尾氣分析系統(tǒng)由發(fā)酵罐,錐形瓶1、2,多組分氣體分析儀,尾氣流量計(jì)以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。從圖1(b)可以看出,發(fā)酵罐不會(huì)與外界空氣發(fā)生直接接觸,發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)冷凝管單向排入錐形瓶1中,錐形瓶1和2都采用水溶液阻止氣體回流(液封法),因而能保證發(fā)酵過(guò)程不會(huì)受到外界氣體干擾。從圖3顯示采集回來(lái)的尾氣氣體成分可以看出氧氣的含量一直維持在一個(gè)較低的水平上,也就是說(shuō)該系統(tǒng)不僅能夠檢測(cè)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程尾氣成分變化,還能為發(fā)酵罐中的丙丁梭菌提供一個(gè)嚴(yán)格無(wú)氧的發(fā)酵環(huán)境。氣體檢測(cè)循環(huán)回路是由錐形瓶1、進(jìn)氣管路、干燥管、氣體分析儀以及回氣管路組成,由氣體分析儀的內(nèi)部氣泵提供循環(huán)動(dòng)力,因此氣體檢測(cè)不會(huì)改變發(fā)酵尾氣的總體積。隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行,產(chǎn)生的氣體逐漸增多,錐形瓶1中的氣壓上升,此時(shí),錐形瓶1中的多余氣體被排進(jìn)錐形瓶2,錐形瓶2中的氣體排出時(shí)經(jīng)過(guò)氣體流量計(jì),這樣發(fā)酵過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體總量可以被統(tǒng)計(jì)和記錄下來(lái)。

圖3 改進(jìn)方案測(cè)量氣體濃度數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)通信與人機(jī)界面

本文是利用組態(tài)王6.55軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與氣體分析儀、流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并建立數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互。

2.1 組態(tài)王與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信

2.1.1 與氣體分析儀的數(shù)據(jù)通信

HYME-G型氫氣分析儀、IRME-M型紅外線氣體分析儀以及電化學(xué)式氧分析儀全部集成到設(shè)備柜中,將傳感器采集到各氣體濃度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)的通信命令發(fā)送至儀器時(shí),符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備解讀通信命令,如果發(fā)生通信錯(cuò)誤(奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤等),則儀器不做任何響應(yīng)；如果無(wú)通信錯(cuò)誤,且接受的數(shù)據(jù)是儀器可以接受處理的,則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),然后把執(zhí)行結(jié)果返送給上位機(jī),返回的信息中包含地址碼、指令行動(dòng)的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼；但如果數(shù)據(jù)異常,儀器不能處理,儀器將返回一個(gè)異常響應(yīng)。

多組分氣體分析儀將采用RS232通信接口,按照9600的波特率與計(jì)算機(jī)的COM1相連接,數(shù)據(jù)包采用8位數(shù)據(jù)位(包含1位停止位)、無(wú)校驗(yàn)位的形式。組態(tài)王COM1口按此配置,并在通信失敗時(shí),按照5 s的間隔重復(fù)嘗試通信直至通信恢復(fù)。

組態(tài)王軟件在完成與氣體分析儀通信之后,只需要按照表1定義變量,組態(tài)王會(huì)按照1 s的間隔從對(duì)應(yīng)儲(chǔ)存寄存器直接讀取氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 組態(tài)王讀取氣體分析儀寄存器數(shù)據(jù)配置

2.1.2 與氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)通信

本文中使用的質(zhì)量流量計(jì)是北京七星華創(chuàng)電子有限公司(七星電子)生產(chǎn)的CS200系列數(shù)字型產(chǎn)品。該型產(chǎn)品既支持RS232,也支持標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA或者0～5 V模擬信號(hào)通信。與組態(tài)王通信時(shí)采用的是默認(rèn)MAC地址32，RS232通信波特率為19 200；并與COM3口連接,且在通信失敗時(shí),按照30 s的間隔嘗試恢復(fù)通信直至通信建立。在對(duì)整個(gè)發(fā)酵產(chǎn)生的流量進(jìn)行采集之前,需要對(duì)流量計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器清零；若在使用之前流量計(jì)斷電或者人為關(guān)閉,都需要重新開(kāi)啟流量計(jì)的控制閥門。

組態(tài)王在完成與流量計(jì)通信時(shí),按照表2配置變量,組態(tài)王會(huì)直接讀取流量計(jì)存儲(chǔ)的累計(jì)流量。

表2 組態(tài)王讀取流量計(jì)寄存器數(shù)據(jù)配置

組態(tài)王從流量計(jì)讀回來(lái)的數(shù)據(jù)是按照FLOAT32數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ),并需要進(jìn)行預(yù)處理。其數(shù)據(jù)格式與IEEE754標(biāo)準(zhǔn)中定義的浮點(diǎn)數(shù)格式相同,具體定義如下：

SE～EF～F01～89～31

如果0

Value=(-1)S*2(E-127)*(1.F)

Value就是實(shí)際流量值。

在組態(tài)王的數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言中編寫相應(yīng)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)變得到累積流量。

2.2 組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)的人機(jī)界面

通過(guò)組態(tài)王的畫面組態(tài)工具,能方便、快捷地開(kāi)發(fā)視圖界面。該監(jiān)控系統(tǒng)包括主界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面以及歷史濃度曲線界面。

2.2.1 主界面

圖4是組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)的主界面。主界面是ABE發(fā)酵尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的連接示意圖,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信建立、梭菌接種記錄、數(shù)據(jù)庫(kù)建立與記錄以及各監(jiān)控界面的切換。

2.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面

圖5是實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)界面。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面顯示來(lái)自氣體分析儀的氧氣、氫氣、二氧化碳含量和來(lái)自質(zhì)量流量計(jì)的累積流量數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面也能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信、記錄、控制以及各個(gè)監(jiān)控界面切換。

2.2.3 歷史濃度曲線界面

圖6是歷史濃度曲線界面。歷史濃度曲線界面能夠顯示從數(shù)據(jù)記錄開(kāi)始到當(dāng)前時(shí)刻氫氣與二氧化碳含量變化。以曲線的方式顯示可以直接表現(xiàn)數(shù)據(jù)的特征,有助于操作人員對(duì)整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的控制,及時(shí)處理發(fā)酵過(guò)程中的不利因素。

圖4 組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)主界面

圖5 組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面

圖6 組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)歷史氣體濃度曲線界面

2.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取界面

圖7是數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取界面。數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)主界面或者實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面的創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集回來(lái)的氣體濃度和氣體流量的記錄。如圖7所示,通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控界面對(duì)已經(jīng)記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用,并進(jìn)行簡(jiǎn)單地?cái)?shù)據(jù)篩選、存儲(chǔ)和打印。

圖7 組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取界面

3 產(chǎn)酸期與產(chǎn)溶劑期分析

在ABE發(fā)酵過(guò)程中,梭菌的生長(zhǎng)過(guò)程已經(jīng)被論證為兩個(gè)階段——產(chǎn)酸期和產(chǎn)溶劑期。產(chǎn)酸期是在整個(gè)發(fā)酵剛開(kāi)始,是梭菌生長(zhǎng)的時(shí)期,在這一時(shí)期,發(fā)酵過(guò)程會(huì)產(chǎn)生出大量的氫氣、二氧化碳、醋酸和丁酸，而且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)培養(yǎng)液的pH值降低。當(dāng)酸積累到一定程度之后,ABE發(fā)酵過(guò)程就會(huì)從產(chǎn)酸期向產(chǎn)溶劑期過(guò)渡。在產(chǎn)溶劑期,梭菌會(huì)吸收在產(chǎn)酸期產(chǎn)生的醋酸和丁酸而產(chǎn)生丙酮、丁醇和二氧化碳,同時(shí)pH值會(huì)上升。

3.1 產(chǎn)酸期

在產(chǎn)酸期內(nèi),丙丁梭菌迅速生長(zhǎng),菌落生長(zhǎng)是需要消耗大量的能量。細(xì)胞內(nèi)的糖類經(jīng)過(guò)糖降解過(guò)程(EMP)形成丙酮酸,并會(huì)產(chǎn)生大量能量物質(zhì)ATP供梭菌生長(zhǎng)所需。經(jīng)EMP產(chǎn)生的丙酮酸在丙酮酸-鐵氧還原蛋白酶作用下分解形成乙酰-CoA,釋放大量的二氧化碳以及電子。鐵氧還原蛋白通過(guò)NADH/NADPH鐵氧還蛋白氧化還原酶及氫酶與丙酮酸分解耦合,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)電子的分配、還原力(NAD)的氧化還原與氫氣的釋放。耦合的過(guò)程稱為電子往復(fù)穿梭系統(tǒng)。

丁酸和乙酸的產(chǎn)生都是由乙酰-CoA轉(zhuǎn)化而來(lái),但在轉(zhuǎn)化過(guò)程中并沒(méi)有消耗大量NAD,所以丙酮酸斷裂產(chǎn)生的電子,在電子往復(fù)穿梭系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)還原型鐵氧還蛋白與氫離子結(jié)合,釋放氫氣,而不是傳遞到NAD+/NADP+形成NADH/NADPH。如圖8所示,在發(fā)酵的初期氫氣的產(chǎn)量要明顯多于二氧化碳產(chǎn)量,并由表3可知,在初期乙酸和丁酸快速生成,此時(shí)為ABE發(fā)酵的產(chǎn)酸期。

圖8 發(fā)酵尾氣產(chǎn)量曲線

3.2 過(guò)渡期——相轉(zhuǎn)型

當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)生的酸積累到一定值之后,ABE發(fā)酵就會(huì)從產(chǎn)酸期向產(chǎn)溶劑期轉(zhuǎn)換,此階段稱為相轉(zhuǎn)型。

生物活動(dòng)需要大量各種起到不同催化作用酶的參與,且酶催化作用具有專一性,即一種酶只能催化一種生命活動(dòng)。在相轉(zhuǎn)型階段,丙丁梭菌的生命活動(dòng)會(huì)從產(chǎn)酸期向產(chǎn)溶劑期轉(zhuǎn)變,這種機(jī)理轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)就是梭菌內(nèi)部大量不同種類酶的合成與分解。

由米契里斯-門坦公式[13]可知,酶促反應(yīng)速度與酶分子的濃度成正比,即當(dāng)催化某種生命活動(dòng)的酶含量上升,反應(yīng)速度越快；同樣酶含量減少,反應(yīng)速度就會(huì)降低。在相轉(zhuǎn)型階段,整個(gè)培養(yǎng)基中的乙酸激酶、磷酸?；D(zhuǎn)移酶、丁酸激酶、磷酸丁酰轉(zhuǎn)移酶等在產(chǎn)酸時(shí)起催化作用的酶含量就會(huì)降低,同時(shí)乙酸乙酰-CoA：乙酸/丁酸：CoA轉(zhuǎn)移酶、丁醛脫氫酶、乙醛脫氫酶等在產(chǎn)溶劑時(shí)重要催化作用的酶含量又比較低,整個(gè)培養(yǎng)基中酶的含量減少,ABE發(fā)酵活動(dòng)也就會(huì)有所減緩,并且發(fā)酵機(jī)理的轉(zhuǎn)變不可能是一蹴而就,需要一段時(shí)間的轉(zhuǎn)變。發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣、二氧化碳與整個(gè)ABE發(fā)酵密切聯(lián)系,機(jī)理的轉(zhuǎn)變必定會(huì)反映到尾氣的變化。

由表3發(fā)酵產(chǎn)生丁酸、乙酸與丙酮、乙醇和丁醇變化可知(表中c為質(zhì)量濃度),發(fā)酵開(kāi)始的乙酸、丁酸大量產(chǎn)生之后,發(fā)酵進(jìn)行到了14 h的時(shí)候,丁酸和乙酸的含量出現(xiàn)降低,此時(shí)培養(yǎng)基中的丙酮、乙醇和丁醇開(kāi)始出現(xiàn),之后產(chǎn)量急劇增加。由圖8可知,在10～14 h之間氫氣產(chǎn)量出現(xiàn)大幅度的下降,在14 h左右二氧化碳的產(chǎn)量也出現(xiàn)了下降,之后氫氣與二氧化碳的產(chǎn)量迅速上升,并且二氧化碳的產(chǎn)量增長(zhǎng)得尤為快速。這就說(shuō)明在10～14 h內(nèi)氫氣與二氧化碳產(chǎn)量下降并不是發(fā)酵停止,而是由于發(fā)酵機(jī)理的轉(zhuǎn)變,酶含量下降,最終反映到尾氣產(chǎn)量,此階段為相轉(zhuǎn)型階段。

表3 發(fā)酵底物濃度

3.3 產(chǎn)溶劑期

進(jìn)入產(chǎn)溶劑期之后,梭菌會(huì)產(chǎn)生大量的丁醇,消耗產(chǎn)酸期產(chǎn)生的乙酰-CoA、乙酰乙基-CoA和丁酰-CoA,并有大量的糖類物質(zhì)經(jīng)過(guò)EMP分解,釋放大量的二氧化碳。通過(guò)圖8與表3可以看出，在丙酮、丁醇大量形成的同時(shí)伴隨著大量二氧化碳和氫氣的產(chǎn)生,且二氧化碳產(chǎn)量接近氫氣產(chǎn)量的1倍。這是由于：

隨著發(fā)酵進(jìn)行培養(yǎng)基底物的消耗,整個(gè)ABE發(fā)酵進(jìn)程會(huì)慢慢減緩,并最終停止。由于二氧化碳與氫氣是ABE發(fā)酵最重要伴隨產(chǎn)物,當(dāng)發(fā)酵結(jié)束時(shí),二氧化碳與氫氣也相應(yīng)的結(jié)束。表3顯示丙酮、乙醇和丁醇在40h之后的產(chǎn)量幾乎沒(méi)有再變化,此時(shí)圖8中氫氣與二氧化碳也同時(shí)停止產(chǎn)生,說(shuō)明梭菌發(fā)酵幾乎已經(jīng)停止。

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)丙丁梭菌在ABE發(fā)酵過(guò)程中對(duì)厭氧條件有嚴(yán)格要求,提出一種發(fā)酵過(guò)程尾氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,能夠保證檢測(cè)裝置不對(duì)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生影響。此方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了準(zhǔn)確性與可靠性,并可以通過(guò)組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理與控制優(yōu)化。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)的氣體成分與流量,結(jié)合培養(yǎng)基底物成分取樣,分析得到ABE發(fā)酵產(chǎn)酸期與產(chǎn)溶劑期的轉(zhuǎn)換點(diǎn),并在組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)界面顯示ABE發(fā)酵所處的發(fā)酵階段。根據(jù)ABE發(fā)酵過(guò)程在產(chǎn)酸期與產(chǎn)溶劑期碳氮比的差異[15],通過(guò)尾氣在線監(jiān)測(cè),在線預(yù)測(cè)發(fā)酵過(guò)程的產(chǎn)酸期與產(chǎn)溶劑期,由此可以分階段改變培養(yǎng)基的碳氮比,提高發(fā)酵最終產(chǎn)物丁醇的產(chǎn)量。而且,通過(guò)尾氣在線監(jiān)測(cè),能夠準(zhǔn)確地確定發(fā)酵結(jié)束時(shí)間,合理設(shè)計(jì)和調(diào)控發(fā)酵周期,以提高發(fā)酵過(guò)程生產(chǎn)效率。

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Design of on-line monitoring system for tail gas in acetone-butanol-ethanol fermentation process

Dong Yalin, Xu Jia, Liu Tao

(School of Control Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

An on-line monitoring system of tail gas which can be applied to a strict anaerobic fermentation process is designed. Based on the Kingview software, the data communication and data analysis of the principal computer, the gas analyzer and the flow-rate meter, and the man-machine graphical interface are realized. This monitoring system can collect the real-time component information of H2and CO2, and make an on-line prediction of the acid-producing period and the solvent-producing period during the acetone-butanol-ethanol fermentation process, which provides the real-time references for improving the production efficiency and control optimization of the actual technology.

acetone-butanol-ethanol fermentation; tail gas monitoring system; data analysis; acid-producing period; solvent-producing period

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.025

2016-11-03 修改日期：2016-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61473054)；第三批國(guó)家青年千人計(jì)劃項(xiàng)目；大連理工大學(xué)重點(diǎn)培育基金項(xiàng)目(DUT15ZD108).

董雅琳(1992—)，男，山東威海，碩士研究生，從事微生物發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)方面的研究

劉濤(1974—)，男，新疆庫(kù)爾勒，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)過(guò)程建模與控制優(yōu)化方面的研究工作.

E-mail：tliu@dlut.edu.cn

TQ923

A

1002-4956(2017)4-0099-06