基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统的制作方法

本发明涉及酒精发酵生产，更具体地说，本发明涉及基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统。

背景技术：

1、酒精作为重要的基础化工原料和可再生清洁能源，广泛应用于食品、医药、化工及能源等多个领域，其工业化生产主要采用微生物发酵法。高浓度酒精连续发酵技术凭借生产周期短、设备利用率高、劳动强度低以及自动化程度高等显著优势，已逐步取代传统间歇发酵技术，成为全球酒精工业的主流发展方向。目前行业内的高浓度酒精连续发酵系统多以常见淀粉质原料为主要碳源，配合无机氮源补充营养，通过多级发酵罐串联实现连续生产，并配套基础的参数监测与乙醇分离装置。

2、但是其在实际使用时，仍旧存在一些缺点。现有系统采用的单一碳源与无机氮源组合营养成分单一，难以匹配酿酒酵母不同生长阶段的营养需求，易导致酵母生长代谢不稳定，制约了发酵效率和酒精浓度的提升。同时，现有监测体系多采用单一参数独立监测模式，仅能对基础发酵指标进行简单检测，缺乏对发酵过程中营养消耗、物质转化、产物抑制及环境胁迫等多维度的协同关联分析，无法精准识别发酵异常的根本原因，只能采用固定参数进行粗放式控制，难以应对发酵过程的动态变化。高浓度乙醇对酵母的抑制作用无法得到有效缓解，会造成酵母代谢活性快速下降，原料转化率大幅降低。此外，乙醇分离过程与发酵过程相互独立，无法根据发酵状态动态调整分离负荷，易造成乙醇过度积累加剧酵母抑制或分离能耗过高；分离后发酵醪液的回流也缺乏科学调控，回流比例不当易导致底物浓度稀释或杂质积累，难以保障系统长期连续稳定运行。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，通过以下方案，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，包括，发酵数据获取模块：分别对淀粉原料与谷朊粉原料进行处理，得到淀粉水解液与谷朊粉水解液，并将所述淀粉水解液和所述谷朊粉水解液进行连续发酵，获取发酵数据集；

3、所述发酵数据集包括葡萄糖浓度数据、氨基氮浓度数据、乙醇浓度数据、菌体密度数据、二氧化碳释放速率数据以及发酵液电导率数据；

4、关系耦合分析模块：对发酵数据集中的不同发酵参数进行关联分析，并生成对应的发酵关系指标；

5、所述发酵关系指标包括碳氮耦合指标、糖醇转化指标以及酒精抑制指标；

6、协同状态分析模块：基于所述发酵关系指标之间的关联变化关系，并融合所述发酵液电导率数据作为酵母细胞膜通透性及发酵环境渗透压胁迫状态的表征量，生成发酵协同状态值，并依据所述发酵协同状态值输出当前发酵状态信息；

7、协同反馈调节模块：基于所述发酵协同状态值的变化趋势以及当前发酵状态信息，对淀粉水解液与谷朊粉水解液之间的供给比例进行动态调节，并对连续发酵过程中的发酵停留时间进行自适应修正；

8、乙醇负荷平衡与连续产出模块：用于基于乙醇浓度数据、菌体密度数据以及当前发酵状态信息，对发酵液中的乙醇进行阶段性分离并连续输出高浓度酒精成品，并根据乙醇浓度变化情况对分离后的发酵液进行回流输送至所述发酵数据获取模块。

9、本发明的技术效果和优点：

10、1、本发明通过采用淀粉水解液与谷朊粉水解液作为复合碳氮源，结合优化的水解工艺制备高浓度澄清底物，为酿酒酵母提供均衡的有机碳源和氮源，解决了传统单一原料和无机氮源导致的碳氮营养匹配性差、酵母生长代谢不稳定的问题，有效提升了酵母的生长活性和乙醇合成能力，为高浓度酒精发酵奠定了坚实基础；

11、2、本发明通过构建碳氮耦合、糖醇转化、酒精抑制三大核心发酵关系指标，融合发酵液电导率表征酵母细胞膜通透性及发酵环境渗透压胁迫状态，对多维度发酵参数进行协同关联分析并生成发酵协同状态值，实现了发酵过程异常状态的精准识别与分级预警，解决了现有系统单一参数监测无法全面反映发酵整体状态的问题，为发酵过程的精准调控提供了科学依据；

12、3、本发明通过建立基于发酵协同状态值的自适应闭环反馈控制机制，能够根据发酵状态的动态变化实时调节碳氮供给比和发酵停留时间，有效缓解了高浓度乙醇对酵母的抑制作用，显著提高了酒精生产效率和原料利用率；

13、4、本发明通过建立乙醇负荷平衡机制，实现了乙醇分离过程与发酵过程的深度协同，能够根据发酵状态动态调整乙醇分离负荷和发酵醪液回流比，既避免了乙醇过度积累导致的酵母失活，又降低了乙醇分离的能耗；同时通过科学回流利用发酵醪液中的剩余营养和活性菌体，进一步减少了原料浪费，提高了系统的长期连续运行稳定性，降低了整体生产成本。

1.基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述发酵数据获取模块采用三级串联连续搅拌发酵罐系统进行连续发酵，各级发酵罐之间通过无菌溢流管连接，一级发酵罐和二级发酵罐分别补充淀粉水解液与谷朊粉水解液，三级发酵罐仅补充淀粉水解液维持碳源供给，不进行氮源调节。

3.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述碳氮耦合指标基于设定长度的滑动时间窗口内的葡萄糖浓度变化率、氨基氮浓度变化率及菌体密度变化率计算得到，先计算单位时间内的碳源消耗速率和氮源消耗速率，再计算酵母菌体的比生长速率，最后基于碳氮消耗速率比与理论最优碳氮消耗比的偏差，结合酵母比生长速率作为偏离度缩放因子得到碳氮耦合指标，并对碳氮耦合指标的取值范围进行限制。

4.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述糖醇转化指标基于设定长度的滑动时间窗口内的葡萄糖消耗速率、乙醇生成速率及二氧化碳释放速率计算得到，先将采集到的乙醇体积浓度转换为质量浓度，再计算单位时间内的乙醇生成速率，然后基于乙醇发酵的化学计量关系计算糖醇转化效率，最后引入二氧化碳释放速率进行碳平衡修正得到糖醇转化指标。

5.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述酒精抑制指标基于设定长度的滑动时间窗口内的乙醇浓度、菌体密度及二氧化碳释放速率的关联变化计算得到，先计算单位菌体的二氧化碳释放速率，再采用实测单位菌体二氧化碳释放速率相对于无乙醇对照的下降比例得到酒精抑制指标。

6.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述发酵协同状态值的获取方式为首先对碳氮耦合维度、糖醇转化维度、酒精抑制维度及渗透压胁迫维度的参数分别进行归一化处理，得到对应维度的状态得分，然后采用几何平均法融合四个维度的状态得分生成发酵协同状态值。

7.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述协同反馈调节模块首先计算发酵协同状态值的变化趋势，然后根据当前发酵状态等级和发酵协同状态值变化趋势确定碳氮供给比调节强度系数，结合碳氮耦合指标计算调节后的碳氮供给比，并对调节后的碳氮供给比进行边界限制；同时根据当前发酵状态等级和发酵协同状态值变化趋势确定发酵停留时间修正强度系数，结合糖醇转化指标和酒精抑制指标计算修正后的总进料流量，并对修正后的总进料流量进行边界限制，同步调整各级发酵罐之间的溢流流量。

8.根据权利要求1所述的基于淀粉与谷朊粉水解物的高浓度酒精连续生产系统，其特征在于：所述乙醇负荷平衡与连续产出模块采用连续精馏塔系统进行乙醇分离，根据当前发酵状态确定乙醇分离触发条件与分离负荷，动态调整精馏塔回流比；基于分离后发酵醪液中的葡萄糖浓度和菌体密度计算基础回流比，根据当前发酵状态对基础回流比进行修正得到最终回流比，并对最终回流比进行边界限制，回流醪液输送至一级发酵罐的进料口与新鲜底物混合；实时监测乙醇生成速率与分离速率的差值，根据乙醇负荷差值自动调整分离进料流量。