Separation, Coupling and Parallel Mechanism in Bioprocess and Its APPLICATION IN Ethanol Production From Cellulose

当今为解决人类生存的重大威胁和实现可持续发展的目标，紧迫要求尽快实现自然生态循环工程化，应此背景，就必须要尽可能早地实现，目前尚未实现的，纤维素酒精生物转化的工业化；而转化的高昂成本，是制约其工业化的根本障碍。研究开发高效的转化工艺和工程装备，是突破成本障碍的必然要求。本文就此进行了尝试。从对现有工艺各主要环节的分析入手，结合当代科技的发展成就，本文提出了纤维素生物转化制酒精的分立（S）、耦合（C）、并行（P）系统（简称，纤维素制酒精的SCP系统）。在取得良好实验结果的基础上，以对生物界的考察为起点，提出了本文的理论观点，即SCP机制；并基于系统科学构建了本文的理论体系，即SCP理论体系。由此，又统一和指导了本文对转化工艺的研究，以及对其主要环节之一的酒精发酵，进行的相对独立的工程研究，研制出用于酒精发酵的50L多回路自吸循环生物反应器，和多回器自吸循环生物反应－分离装置，并建立了基于该装置的无水进料SCP酒精发酵法，并获得了良好实验结果。由此可见，本文以突破纤维素酒精生物转化工业化进程中的成本障碍为锁定目标，进行了理论研究和工程实践。1．理论研究 对生物界的考察发现，S、C、P在生物界普遍存在且密不可分，是蕴含于生命活动中的客观规律，因而也是保持生物活性、优化生物过民应遵循的机制，即SCP机制。再结合对SCP机制体性、有机性、边界性、有序性和动态性的认识，推演出一个结论：只有遵循和应用SCP机制去分析、归纳、考察、研究和实践，才是优化生物过程的有效方法；并从理论上为生物过程优化，指明了新的具体的原则（SCP原则，下同）、程序、方法、手段、方向和时空上的构成方式。SCP机制与此结论构成了本文的理论体系（SCP理论体系）。据此展望了生物技术产业工程装备的未来发展，提出了类生命反应系统及类生命反应器的设想。2．工程实践 （1）以SCP理论体系看纤维素制酒精的SCP系统，则后者是前者在多个反应层次（含生物反应和生化反应等）上，进行工程实践的实施例，是以工艺开发为主的实践。由基于核孔膜构成的小实验装置，获得的酒精浓度8.14％(v/v，下同)、发醇速率0.66 g/L/h、纤维素转化率80.1％，分别是对等条件下，同步糖化发酵法（SSF），这一目前主流工艺的1.8、1.3和1.7倍。对于SSF，即便经优化，其酒精浓度也只能再提高到1.1倍，即前者的8.14％仍比优化后的SSF高1.63倍。另外，8.14％也高于国外报道的，由SSF获得的最高酒精浓度7.22%(v/v)。相比于SSF，该系统是转化工艺的又一发展。（2）对酒精发酵进行的的专门研究，是SCP理论体系在单一反应层次上进行工程实践的实施例，是以生物反应器设计为主的工程实践。以“多回路”、“自吸循环”及其组合为主要特征的，可增大反应器开放程度的，多回路自吸循环生物反应－分离装置，使目前最优的酒精发酵水平明显提高。现有工艺的最好结果是，得到了浓度为40～50.5％的酒精解吸液；但低于SCP酒精发酵得到的平均浓度为72.3％的酒精解吸液，与此同时，发酵液酒精浓度则被制控在6.55％以下。显然，SCP酒精发酵有效缓解了酒精发酵中的高能耗，和酒精对酵母的抑制作用，这两大问题，具有工业开发价值。另外，对SCP酒精发酵进行的温度、pH周期刺激显示，前者使其酵母浓度、解吸液平均酒精浓度、葡萄糖消耗速率和酒精生成速率，分别提高了55％、3.8％、38％和35％，但后者无明显作用。表明，一定的外界周期刺激可有效优化SCP酒精发酵。最后，建立了如下统一描述间歇SCP酒精发酵和间歇酒精发酵的动力学模型(K_p = 0即为描述后者的动力学模型)，其各参数均有明确的物理意义。{-dS/dt = 1/Y_(x/s) dX/dt + 1/Y_(p/s) dP/dt + m_xS dX/dt = μ_m(K/K+(1-K_p)P)(1-K_L X/S+K_xX)X dP/dt = v_m(1-(1-K_P)P/P_m)X该模型的主要特点是，是以简单的形式反映酒精发酵的动力学特征和其中的复杂信息。另外，模型值和实验值良好吻合。本文的上述研究，对促进生化工程的发展，和包括纤维素类可再生资源生物转化在内的自然生态循环工程化的实践，可能会有所帮助

基于核孔膜的流程密集化纤维素制酒精实验装置

首先依据纤维素制酒精分散、耦合、并行系统对组成其关键结构的中介物质的要求 ,对核孔膜进行了研究 ,在确证其可作为中介物质的基础上 ,根据该系统的设计原则建立了流程密集化纤维素酒精生物转化实验装置

分散、耦合、并行强化的纤维素酒精生物转化

利用分散、语，并行系统对纤维素制酒精进行了研究，所得结果明显优于同步糖化发酵法，表明纤维素制酒精的分散、耦合，并行系统不仅可行，而且是充分发挥现有技术，强化纤维素表生物转化过程的有铲途径

基于核孔膜的流程密集化纤维素制酒精实验装置

首先依据纤维制酒精分散、耦合、并行系统对组成其关键结构的中介物质的要求，对核也膜进行了研究，左确证其可作为中介物质的基础上，根据该系统的设计原则建立了流程订化纤维素酒精生物转化实验装置

基于ADAMS的抽油机用新型少齿差减速器动力学仿真分析

以肖南平先生提出并获得发明专利的一种抽油机用新型少齿差行星减速器结构所制造的试验样机为研究对象,利用软件Solid Works建立此减速器三维实体模型,将其导入到机械系统动力学仿真软件ADAMS中,从而建立起此减速器的虚拟样机模型。利用ADAMS软件对此减速器输入轴和输出轴的角速度进行仿真和计算,得出各齿轮副啮合力随时间的变化规律,验证了虚拟样机模型的正确性。并将仿真结果与计算所得结果进行对比,发现因行星轮偏心而引起的惯性力对齿轮副啮合力数值影响较小。也为精确计算齿轮副强度以及接触应力提供了数据支持

新型少齿差行星减速器箱体结构有限元分析

介绍了肖南平先生提出并获得发明专利的一种新型少齿差行星减速器的结构组成,利用ANSYS Workbench软件建立此减速器箱体的有限元模型。对箱体各实际受载情况进行静力学分析,得出箱体所受最大应力和变形量的变化曲线,为箱体结构后续结构改进和轻量化设计提供相关分析数据。对箱体进行有限元模态分析,得到箱体固有频率及相应振型,将其与减速器的转频和啮合频率进行对比分析,可确定减速器是否会发生共振现象。对相应振型的分析为减速器结构的优化设计及振动问题提供理论依据

新型少齿差行星减速器箱体结构有限元分析

介绍了肖南平先生提出并获得发明专利的一种新型少齿差行星减速器的结构组成,利用ANSYS Workbench软件建立此减速器箱体的有限元模型。对箱体各实际受载情况进行静力学分析,得出箱体所受最大应力和变形量的变化曲线,为箱体结构后续结构改进和轻量化设计提供相关分析数据。对箱体进行有限元模态分析,得到箱体固有频率及相应振型,将其与减速器的转频和啮合频率进行对比分析,可确定减速器是否会发生共振现象。对相应振型的分析为减速器结构的优化设计及振动问题提供理论依据

基于ADAMS的抽油机用新型少齿差减速器动力学仿真分析

以肖南平先生提出并获得发明专利的一种抽油机用新型少齿差行星减速器结构所制造的试验样机为研究对象,利用软件Solid Works建立此减速器三维实体模型,将其导入到机械系统动力学仿真软件ADAMS中,从而建立起此减速器的虚拟样机模型。利用ADAMS软件对此减速器输入轴和输出轴的角速度进行仿真和计算,得出各齿轮副啮合力随时间的变化规律,验证了虚拟样机模型的正确性。并将仿真结果与计算所得结果进行对比,发现因行星轮偏心而引起的惯性力对齿轮副啮合力数值影响较小。也为精确计算齿轮副强度以及接触应力提供了数据支持。</p

基于ADAMS的抽油机用新型少齿差减速器动力学仿真分析

以肖南平先生提出并获得发明专利的一种抽油机用新型少齿差行星减速器结构所制造的试验样机为研究对象,利用软件SolidWorks建立此减速器三维实体模型,将其导入到机械系统动力学仿真软件ADAMS中,从而建立起此减速器的虚拟样机模型。利用ADAMS软件对此减速器输入轴和输出轴的角速度进行仿真和计算,得出各齿轮副啮合力随时间的变化规律,验证了虚拟样机模型的正确性。并将仿真结果与计算所得结果进行对比,发现因行星轮偏心而引起的惯性力对齿轮副啮合力数值影响较小。也为精确计算齿轮副强度以及接触应力提供了数据支持

新型少齿差行星减速器箱体结构有限元分析

介绍了肖南平先生提出并获得发明专利的一种新型少齿差行星减速器的结构组成,利用ANSYS Workbench软件建立此减速器箱体的有限元模型。对箱体各实际受载情况进行静力学分析,得出箱体所受最大应力和变形量的变化曲线,为箱体结构后续结构改进和轻量化设计提供相关分析数据。对箱体进行有限元模态分析,得到箱体固有频率及相应振型,将其与减速器的转频和啮合频率进行对比分析,可确定减速器是否会发生共振现象。对相应振型的分析为减速器结构的优化设计及振动问题提供理论依据。</p