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项目名称

微生物液态发酵智能装备关键技术及工程应用

主要完成人

宋永献、王博、朱湘临、王经卓、朱强、张先进、龚成龙、徐启华、丁煜函、郭飞、刘瑞明、朱忠平

推荐单位

(专家)

淮海工学院

项目简介

项目针对微生物液态发酵装备及智能测控技术进行研究,并开展相关的产业化推广研究,属于发酵工程、生物工程、控制工程、机械工程等多学科内容的交叉技术领域。

微生物发酵装备是发酵类产品(发酵食品、发酵医学品、发酵能源等)生产过程中的关键部件,在发酵装备中,液态发酵装备所占比重最大且处于主导地位。随着我国经济的发展和人民生活水平的日益提高,以及对“能源与环境”的关注度不断提升,多种类、高质量、低成本、低污染甚至零污染的微生物发酵产品的需求量不断增加,随之高性能液态发酵装备的刚性需求与日俱增。多年来我国微生物液态发酵过程基础研究不足,液态发酵装备工艺、自动化水平和可靠性不高,智能测控系统和大型发酵装备依赖进口;而且国内绝大多数液态发酵装备及其配套企业大都相对独立地开展研发工作,尚未建立液态发酵装备与测控系统集成一体化设计研究体系,导致我国液态发酵装备在关键部件、测控技术、数字化系统开发等方面的核心技术匮乏,产品存在能耗和生产成本高、自动化程度和可靠性差等问题,亟待升级换代的现实问题。

针对高性能液态发酵装备领域亟需解决的重大技术难题,项目组依托淮海工学院江苏省生物工程重点建设学科、江苏省海洋科学与技术优势学科以及江苏大学的农业电气化与自动化国家重点学科、现代农业装备与技术教育部重点实验室、生物与控制工程研究所,并在国家高技术研究发展计划(863课题)、国家十二五”863课题、江苏省自然科学基金以及市科技计划项目等国家、省部级和市厅级课题的资助下,联合国内液态发酵装备制造骨干企业,共同开展高性能液态发酵装备关键技术难题攻关。通过发挥参与单位各自优势,分工协作,突破液态发酵装备主要部件优化设计、关键参量软测量、多参量解耦控制和智能补料控制等关键技术,并研发拥有自主知识产权的系列高性能微生物液态酵装备产品,实现微生物液态发酵过程的高密度、高表达、低成本,项目总体达到国际先进水平。

主要科技创新:1)构建液态发酵装备结构设计和优化平台,优化设计液态发酵装备的主要组件,大幅提高液态发酵装备的自动化水平与发酵效率;基于计算流体动力学CFD方法,针对微生物发酵过程工艺机理与菌体生长特性,优化设计发酵罐罐体结构和搅拌桨叶形状,提高液态发酵装备的节能效果和运行性能;设计新型对偶气体环流供气装置,有效增加液态发酵过程的溶解氧,降低发酵周期,提高发酵得率;设计新型的液态发酵装备移种装置,大幅度提高液态发酵接种过程的自动化程度。(2)针对动力学模型已知与未知两种情况的微液态发酵过程,分别提出基于模糊神经逆与混沌粒子群支持向量机的秸杆固态液态并行发酵过程不可直接测量关键参量的软测量方法与技术,突破微生物液态发酵过程关键参量不可直接在线检测的瓶颈技术难题,实现关键过程参量在线实时估计;(3)针对动力学模型已知与未知两种情况液态发酵过程,分别提出基于模糊神经逆多变量动态解耦与模糊神经网络预测控制的非线性解耦闭环控制方法与技术,实现液态发酵过程关键参量的动态实时调节。

项目成效:在微生物液态发酵装备和测控技术方面,申请发明专利20余件,授权国家发明专利18件,其中2件(ZL201310225536.9ZL201310469276.X)已成果转换;申请实用新型专利18件,授权实用新型专利14件,其中1件(201220570505.8)已成果转换;授权软件著作权3件;完成科技成果鉴定3项,发表论文80余篇,其中SCI/EI检索30余篇,出版学术专著3部。项目联合开发的具有智能化、低功耗、高性能及高可靠等特点的微生物液态发酵装备,大幅提升传统液态发酵装备的自动化水平,提高产品得率,降低能耗,改变我国大型、高性能液态发酵装备产品主要依赖进口的现状,填补国内空白。项目成果经产业化推广,在广州佛冈天壤生物工程技术有限公司、甘肃丝路盛丰生物科技集团有限公司、山东潍坊鹤来饲料有限公司、吉林珲春延林生物成套设备开发有限公司、连云港百仑生化科技有限公司、上海百仑生物科技有限公司、连云港中海生物科技有限公司等多个国内发酵装备生产和应用企业以及中国农业大学、安徽大学、中国农业科学院饲料研究所、镇江应用生物科技开发研究所等高校和研究所得到推广应用,解决大型液态液态发酵装备的关键技术瓶颈,使得发酵周期明显缩短,发酵产品效益得到大幅提高。近三年来通过该装备生产的发酵类产品新增销售152898.90万元,利税26136.56万元,取得显著经济与社会效益。

主要完成单位及创新推广贡献(进步奖必须填写)

淮海工学院主要负责微生物发酵先进测控装备关键技术的研究与开发,以及测控装备的现场安装调试工作,并主持完成江苏省科技厅项目BK2011398“无线传感网中的多普勒频移动跟踪技术研究”、连云港市科技项目(CG1417)“基于物联网技术食用菌杂菌孢子检测系统关键技术的研发”、连云港市科技局项目(CN1506“水产养殖水质综合测控系统的研制”以及江苏省教育厅项目14KJB510005“室内WSN数据丢包机理及其多目标优化调控策略研究”等研究项目,为项目的软测量与控制理论研究、关键技术攻关等发挥重要作用。具体技术创新和应用贡献如下:

1设计一种用于微生物发酵装备的升压型双向电压平衡变换器,实现输出电压平衡,保证微生物发酵装备的平稳运行;

2设计一种用于微生物发酵装备的升降压型输出电压平衡电路,满足海洋生物酶发酵装备供电系统对输入电压平衡的要求;

3设计一种能够集测量发酵过程菌株生长态势,温湿度等多种数据采集功能,且根据微生物发酵过程的菌株体生长阶段进行双向调节并通过自组织的无线网络进行数据传输的无线传感器节点,能节约成本,便于快速实现传感器节点的部署;

4针对微生物发酵过程实际地表环境中无线信号由于受到诸如障碍物反射、阻挡等多种因素的干扰,接收的信号强度指示值精度不高的缺陷,设计一种用于研究信号强度和距离之间映射关系的实验方法及装置,该装置能够自动完成测距和测量信号强度,精度高、操作方便。

5针对现场环境参量的无线同步采集、在线检测与解耦控制,实现微生物发酵过程的远程可视化监控,提出网络控制系统容错控制及故障诊断方法。

6)提出一种自动间歇式食用菌液体菌种接种系统,系统可以实现接种针连续快速、定位、定量、均匀接种。

7)针对现有技术的不足提供一种海洋淀粉芽孢杆菌B5的分离方法,提取物可应用于水产病害抗菌与防治。

8针对微生物液态发酵测控系统的特点,提出一种基于灵敏度分析的非线性支持向量回归特征提取方法。

江苏大学负责微生物液态发酵智能装备关键技术的研究与开发工作,参与测控装备的现场安装调试工作,并主持完成国家863项目(2007AA04Z179)“基于模糊神经逆的生物反应过程软测量技术及优化控制研究”、国家863计划(2011AA09070301)子项“海洋生物酶产业化制备技术及优化控制的研究”、江苏省自然科学基金(BK20140568)“木质纤维素同步酶解发酵燃料乙醇过程的优化运行控制研究”、中国博士后科学基金(20110491359)“生物发酵过程的神经网络逆软测量及控制方法研究”和江苏省博士后基金(1102109C)“神经网络左右逆协同控制方法及其在生物发酵过程中的应用研究”等项目的研究工作,为项目的软测量与控制理论研究、关键技术攻关等发挥了重要作用。具体技术创新和应用的贡献如下:

1)提出微生物液态发酵过程关键参量的模糊神经网络左逆软测量方法;

2)提出微生物液态发酵过程的模糊神经网络左右逆协同解耦方法;

3)提出基于模糊神经网络左右逆协同解耦的专家PID闭环控制方法;

4)设计一种基于模糊滑模变结构的液态发酵过程固液分离流量控制器,增加了系统的稳定性,同时减弱液态发酵过程中滑模控制的抖振现象。

5)设计一种液态发酵系统接种装置,增加了液态发酵接种的选择度;

6)设计一种新型的液态发酵装备自动取样系统,有效解决传统取样系统密封性能差、容易受到杂菌污染等问题;

7)对微生物液态发酵装备测控系统进行现场调试与安装,对企业人员进行发酵测控系统培训与指导,确保发酵装备与测控系统的正常使用,推进项目实用化。

镇江日泰生物工程设备有限公司主要负微生物液态发酵智能装备的主要组件优化设计、生产工艺放大试验、技术经济分析等工作。并先后承担国家“十一五”863计划海洋技术领域重点课题(2007AA091602)子项目“基于多参数集成调控固态发酵反应器的开发”和“十二五”863课题(2011AA09070301)子项目“海洋生物酶产业化制备技术及优化控制的研究”,主持镇江市工业支撑项目“秸秆固态液成并行发酵生产燃料乙醇制备的关键技术研究”(GY2011023)、镇江市重点科技研发计划-社会发展(1102109C)“秸秆固液态发酵生产生物菌肥的关键技术应用研究”等项目的研究工作,在液态、固态发酵装备与测控系统优化设计于国内行业领先水平,为项目的研究、关键技术攻关等发挥了重要支撑作用。具体技术创新和应用的贡献如下:

本单位同时为项目的开展实施提供相关的实验条件、人员与资金方面的大力支持,对项目的完成过程进行严格管理。具体技术创新和应用的贡献如下:

1)设计新型液态发酵装备的的尾气处理、回收与利用装置,实现尾气的回收利用,同时降低尾气排放污染;

2)设计新型对偶气体环流供气装置,有效增加液态发酵过程的溶解氧,降低发酵周期,提高发酵得率;

3)设计新型的基于串级PID算法的液态发酵温度控制系统,实现不同阶段发酵过程对温度的要求;

4)设计一种新型的液态发酵装备磁耦合搅拌系统,实现了发酵罐罐内罐外完全隔离情况下的发酵液均匀搅拌。

5)优化设计发酵罐罐体结构和搅拌桨叶形状,提高了液态发酵装备的节能效果和运行性能;

6)设计新型的液态发酵装备精密蠕动泵自动补料系统,实现补料的自动控制;

相关研究成果被多家单位使用与消化吸收,对行业发展与科技进步起到良好的促进作用,取得较好的经济与社会效益。

推广应用情况(发明奖和进步奖必须填写)

在微生物液态发酵装备和测控技术方面,申请发明专利20余件,授权国家发明专利18件,其中2件(ZL201310225536.9ZL201310469276.X)已成果转换;申请实用新型专利18件,授权实用新型专利14件,其中1件(201220570505.8)已成果转换;授权软件著作权3件;完成科技成果鉴定3项,发表论文80余篇,其中SCI/EI检索30余篇,出版学术专著3部。项目成果经产业化推广,在广州佛冈天壤生物工程技术有限公司、甘肃丝路盛丰生物科技集团有限公司、山东潍坊鹤来饲料有限公司、吉林珲春延林生物成套设备开发有限公司、连云港百仑生化科技有限公司、上海百仑生物科技有限公司、连云港中海生物科技有限公司等多个国内发酵装备生产和应用企业以及中国农业大学、安徽大学、中国农业科学院饲料研究所、镇江应用生物科技开发研究所等高校和研究所得到推广应用,解决大型液态液态发酵装备的关键技术瓶颈,大幅提升传统液态发酵装备的自动化水平,提高产品得率,降低能耗,改变我国大型、高性能液态发酵装备产品主要依赖进口的现状,填补国内空白。近三年来通过该装备生产的发酵类产品新增销售152898.90万元,利税26136.56万元,取得显著经济与社会效益。

曾获科技奖励情况(发明奖和进步奖必须填写))

1)宋永献,王博,朱湘临,王经卓,朱强,张先进,樊纪山等。微生物液态发酵智能装备关键技术及产业化,江苏省机械工业协会,江苏机械工业科技进步奖“一等奖”,2018

2)朱湘临, 嵇小辅, 王博, 朱忠平, 常震红, 黄丽, 及长城, 朱方坤. 秸秆固态液态并行发酵制取燃料乙醇装备的关键技术研究, 中国商业联合会, 科学技术奖, 一等奖, 2015.

代表性论文专著目录(自然奖必须填写)

 

(一)专著

(1)王博. 生物发酵过程支持向量机逆软测量与优化控制,学术专著,吉林大学出版社,2015

(二)论文

(1)王博.Soft-sensing modeling of crucial parameters for penicillin fed-batch fermentation process[J].Bulgarian Chemical Communications,2015.

(2)王博.Soft-sensing Modeling Based on MLS-SVM Inversion for L-lysine Fermentation Processes[J].BIO automation,2015.

(3)王博.Decoupling Control of L-lysine Fermentation Process Based on DE-LSSVM Inverse[J].International Journal of Earth Sciences and Engineering,2015.

(4)王博.Soft-sensing Modeling Based on PSO-FNN Inversion for Penicillin Fermentation Process[J].Chemical Engineering Transactions,2015.

(5)丁煜函. Low-cost fiber-optic temperature measurement system for high-voltage electrical power equipment[J].IEEE Transction on Instrumentation and Measurement2010.

主要知识产权证明目录(发明奖和进步奖必须填写))

主要完成人情况

姓名

宋永献

排名

1

技术职称

副教授

工作单位

淮海工学院

完成单位

淮海工学院 江苏大学

曾获科技奖励情况

    2017获得江苏省科学技术奖“三等奖”1项;2018年获得连云港市自然科学优秀学术成果奖“一等奖”1项;2014年以来获得连云港市科学技术奖“二等奖”1项,“三等奖”5项;2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

    主要负责液态发酵装备关键组件研究与技术开发工作,对本项目主要技术贡献有:① 项目的研发过程中,为满足供电系统对输入电压平衡的要求,与张先进副教授提出一种用于发酵装备的升压型双向电压平衡变换器以及升降压型输出电压平衡电路;② 针对发酵过程实际环境中无线信号由于受到诸如障碍物反射、阻挡等多种因素的干扰,接收的信号强度指示值精度不高的缺陷,设计一种用于研究信号强度和距离之间映射关系的实验方法及装置,该装置能够自动完成测距和测量信号强度,精度高、操作方便;③ 提出一种用于在线检测多参数的双向可调无线传感器节点; 研制上下位机协同运行的微生物发酵测控系统,开发相关的系统软硬件。

主要完成人情况

姓名

王博

排名

2

技术职称

副教授

工作单位

江苏大学

完成单位

江苏大学

曾获获科技奖励情况

2017年获得中国商业联合会科技进步二等奖1项,2015年获得中国商业联合会科技进步“一等奖”1项,2018年获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

主要负责液态发酵过程关键参量软测量与控制理论研究与技术开发工作,对本项目主要技术贡献有:① 主持完成江苏省自然科学基金BK20140568“木质纤维素同步酶解发酵燃料乙醇过程的优化运行控制研究”的研究工作;② 主要参与完成国家863项目(2007AA04Z179)“基于模糊神经逆的生物反应过程软测量技术及优化控制研究”、江苏省自然科学基金(BK2011465)“农作物纤维素酶解发酵过程的软测量与优化控制”等项目,针对微生物液态发酵过程,参与设计相关的液态发酵装备与测控系统;③ 提出一种基于模糊神经网络的液态发酵过程预测控制方法。

主要完成人情况

姓名

朱湘临

排名

3

技术职称

研究员

工作单位

江苏大学

完成单位

江苏大学

曾获科技奖励情况

2015年获得中国商业联合会科技进步“一等奖”1项、2014年获中国商业联合会科技进步二等奖1项、2010年获得中国机械工业科学技术“二等奖”1项、2009年获得国家技术发明“二等奖”1项、2018年获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

   主要负责液态发酵过程优化控制系统的研究。对本项目主要技术贡献有:① 主持完成国家863重大项目(2011AA09070301)子项“海洋生物酶产业化制备技术及优化控制的研究”与国家863重点项目2007AA091602)子项“海洋生物酶发酵过程控制与优化研究”,针对海洋生物酶发酵工艺流程,参与设计相关的液态发酵装备与控制系统;② 参与研究微生物液态发酵过程的模糊神经网络逆非线性多变量动态解耦控制方法;③ 研究设计一种新型的微生物液态发酵装置与自动取样阀门,优化设计发酵装备的主要结构与参数。

主要完成人情况

姓名

王经卓

排名

4

技术职称

教授

工作单位

淮海工学院

完成单位

淮海工学院

曾获科技奖励情况

2003年获得江苏省科技进步奖三等1项,2003年获得连云港市科技进步一等奖1项,2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

主要负责微生物发酵过程软测量、优化控制及测控系统的研究。对本项目主要技术贡献有:① 参与研究微生物发酵过程左逆软测量方法和左右逆协同控制方法;② 主要参与设计微生物发酵成套测控装备的机械罐体结构、关键组件,优化设计发酵装备的罐体结构、机械密封、搅拌形式、空气过滤、控制方式;③ 参与微生物发酵过程测控系统的设计与研发。 参加右逆系统理论的非线性动态解耦控制的可行性论证与分析,协助推导出基于右逆系统理论的微生物发酵过程非线性动态解耦控制算法。

主要完成人情况

姓名

朱强

排名

5

技术职称

高级实验师

工作单位

淮海工学院

完成单位

淮海工学院

曾获科技奖励情况

2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

    主要负责微生物发酵技术,对本项目主要技术贡献有:①提出一种自动间歇式食用菌液体菌种接种系统;②提出一种浒苔与秸秆类生物质组合发酵制取沼气的方法;③提出一株海洋解淀粉芽孢杆菌及其培养方法和应用;提出一种圆柱形物料连续式处理生产线。设计一种太阳能浮罩式恒压沼气发酵系统。

主要完成人情况

姓名

张先进

排名

6

技术职称

副教授

工作单位

江苏工程职业技术学院

完成单位

淮海工学院

曾获科技奖励情况

2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

主要参与微生物发酵装备与电气控制系统的优化设计。对本项目主要技术贡献有:① 主要参与研制、设计上下位机协同运行的微生物发酵先进测控系统;②项目的研发过程中,为满足供电系统对输入电压平衡的要求,与宋永献副教授提出一种用于发酵装备的升压型双向电压平衡变换器以及升降压型输出电压平衡电路;③ 解决含有不可直接测量关键参量的微生物发酵过程的优化解耦控制问题;

主要完成人情况

姓名

龚成龙

排名

7

技术职称

教授(二级)

工作单位

淮海工学院

完成单位

准海工学院

曾获科技奖励情况

获江苏省科技进步三等奖1项、连云港市科技进步一等奖1项、连云港市科技进步二等奖1项、连云港市科技进步三等奖2项。

对本项目技术创造性贡献

   主要参与微生物液态发酵装备与电气控制系统的优化设计,对本项目主要技术贡献有:①主要参与研制、设计上下位机协同运行的液态发酵过程先进测控系统;②与刘瑞明副教授共同提出一种基于灵敏度分析的非线性支持向量回归特征提取方法; ③主要参与设计、加工测控系统控制柜,并设计相应电气系统。

主要完成人情况

姓名

徐启华

排名

8

技术职称

教授

工作单位

淮海工学院

完成单位

淮海工学院

曾获科技奖励情况

2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

    主要参与微生物发酵装备与电气控制系统的优化设计。对本项目主要技术贡献有:① 主要参与研制、设计上下位机协同运行的微生物发酵先进测控系统;② 针对现场环境参量的无线同步采集、在线检测与解耦控制,实现微生物发酵过程的远程可视化监控,提出网络控制系统容错控制及故障诊断方法;③ 参与微生物发酵罐相关组件的研究与设计工作,对项目的完成起到组织、管理和协调作用。

主要完成人情况

姓名

丁煜函

排名

9

技术职称

副教授

工作单位

江苏大学

完成单位

 江苏大学

曾获科技奖励情况

2017年获得中国商业联合会科技进步“二等奖”1项,2006年获得中国机械工业科学技术一等奖,2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

    主要负责微生物液态发酵过程左逆软测量方法和左右逆协同控制方法的研究,对本项目主要技术贡献有:①主持完成复杂系统测量与控制教育部重点实验室开放课题(MCCSE2012A03)“微生物发酵过程的神经网络逆协同控制方法研究”,中国博士后科学基金(20110491359)“生物发酵过程的神经网络逆软测量及控制方法研究”和江苏省博士后基金(1102109C)“神经网络左右逆协同控制方法及其在生物发酵过程中的应用研究”的研究工作;②提出一种微生物液态发酵过程关键参量的神经网络左逆软测量方法和一种神经网络左右逆协同控制方法;③参与了微生物液态发酵过程测控系统的研发。

主要完成人情况

姓名

郭飞

排名

10

技术职称

工程师

工作单位

 

镇江日泰生物工程设备有限公司

 

完成单位

 

江苏大学,镇江日泰生物工程设备有限公司

曾获科技奖励情况

2017年获得中国商业联合会科技进步“二等奖”1项,2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

   主要参与微生物液态发酵测控装备优化设计与电气控制系统的优化设计。对本项目主要技术贡献有: ①优化设计微生物液态发酵装备罐体及主要组件结构; ②设计液态发酵装备关键管路结构及测控系统控制柜电气系统; ③参与液态发酵装备相关组件的研究与设计工作,对项目的完成起到组织、管理和协调作用; 依托企业组织关键技术的应用与推广工作,共同解决微生物液态发酵智能装备现场应用的关键技术。

主要完成人情况

姓名

刘瑞明

排名

11

技术职称

副教授

工作单位

     淮海工学院

完成单位

准海工学院

曾获科技奖励情况

 获得连云港市科技进步二等奖1项,连云港市科技进步三等奖2项。

对本项目技术创造性贡献

    主要参与微生物液态发酵装备与电气控制系统的优化设计,对本项目主要技术贡献有:①主要参与研制、设计上下位机协同运行的液态发酵过程先进测控系统;②设计微生物液态发酵成套测控装备的机械结构,完成相关的组装与调试工作; ③主要参与设计、加工测控系统控制柜,并设计相应电气系统; 参与微生物液发酵装备备的现场调试与维护;与龚成龙教授共同提出一种基于灵敏度分析的非线性支持向量回归特征提取方法。

 

 

 

 

 

主要完成人情况

 

姓名

朱忠平

排名

12

技术职称

高级工程师

工作单位

镇江日泰生物工程设备有限公司

完成单位

江苏大学,镇江日泰生物工程设备有限公司

曾获科技奖励情况

2015年获得中国商业联合会科技进步“一等奖”1项,2018年度获得江苏省机械工业科技进步奖“一等奖”1项。

对本项目技术创造性贡献

主要负责秸杆固态液态并行发酵装备机械结构优化设计、产业化推广与现场调试工作,对本项目主要技术贡献有:① 研究设计一种适用于液态发酵的高精度空气过滤系统;②研究设计液态发酵自动取样系统,有效降低杂菌污染;③研究设计一种新型尾气处理、回收与利用系统;研究设计新型的磁耦合发酵搅拌系统,在罐内外完全隔离情况下实现微生物发酵液的均匀搅拌;设计液态发酵成套装备的机械结构,完成相关的组装与调试工作。

                     

 

 

 

[所属目录:新闻中心] [来源:原创] [作者:zjrtbio] [日期:19-04-10] [热度:]


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