酵母細胞超高濃度乙醇連續(xù)發(fā)酵振蕩行為的研究.pdf

1、生產成本過高是制約燃料乙醇大規(guī)模推廣應用的主要因素。目前以淀粉質為原料生產燃料乙醇的成本構成中，能耗成本約占30％，僅次于原料成本(約占60％)，因此降低能耗是降低燃料乙醇生產成本的主要方向之一。超高濃度乙醇發(fā)酵技術可以減少單位產量乙醇的物料總量，進而減少精餾過程及廢糟液處理的能耗，是燃料乙醇生產領域最具發(fā)展前景的技術之一。超高濃度乙醇連續(xù)發(fā)酵過程中極易出現(xiàn)大幅度的參數(shù)振蕩現(xiàn)象，影響發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，而對于誘發(fā)這類振蕩現(xiàn)象的機理至今沒有

2、深入的研究報道。 酵母細胞在超高濃度乙醇連續(xù)發(fā)酵過程中呈現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，具有周期長、振幅大的特點，與文獻中報道的酵母細胞連續(xù)培養(yǎng)時，在特定條件下由于不對稱芽殖導致子母細胞分裂周期同步激發(fā)的周期短、振幅小的振蕩行為不同。代謝通量分析表明在一個完整的振蕩周期內，酵母細胞代謝狀態(tài)沒有根本性改變，乙醇代謝途徑碳通量占總碳通量的比例始終保持在80％以上，占絕對優(yōu)勢；而振蕩過程中酵母細胞代謝網絡上關鍵代謝節(jié)點處碳通量分布呈周期性變化，反映了細

3、胞在振蕩周期內不同相位點上對能量和細胞組分需求的差異和調節(jié)過程。實驗中證明了振蕩過程中胞外乙醇是酵母細胞主要的抑制因素，而酵母細胞的代謝活性對乙醇抑制表現(xiàn)出100h左右的滯后，受胞外乙醇刺激后胞內海藻糖積累等乙醇耐受機制的逐步啟動，抵消了乙醇對酵母細胞的抑制作用，是這種振蕩現(xiàn)象發(fā)生的本質原因。利用流式細胞分析技術對振蕩過程中細胞群體周期分布分析，表明這種振蕩行為發(fā)生時，不存在細胞周期同步化現(xiàn)象。 建立了一套由攪拌式發(fā)酵罐和管式反

4、應器串聯(lián)組成的反應系統(tǒng)，開展酵母細胞超高濃度乙醇連續(xù)發(fā)酵的研究工作，嘗試了利用填料吸附對細胞進行固定化處理來調控振蕩過程。裝填木塊和聚氨酯填料的管式反應器對來自前面攪拌罐的振蕩行為能夠產生不同的影響，不同填料對酵母細胞生理參數(shù)影響的差異是造成這種效果的原因。經過木塊填料吸附以后，酵母細胞的比糖消耗速率及乙醇耐受能力得到改善，能夠對來自攪拌罐的強制振蕩產生弱化作用，而聚氨酯填料則沒有類似的效果。表面微觀結構的差異是造成兩種填料對酵母細胞生

5、理參數(shù)影響效果不同的可能原因之一，木塊填料表面的精細結構能夠為酵母細胞提供了良好的附著表面，而聚氨酯填料孔隙較大，內壁光滑，對酵母細胞起到的只是截流效果。 在0.027h-1和0.040h-1兩個稀釋速率下，通過不同的操作方式可以分別實現(xiàn)穩(wěn)定和振蕩兩個發(fā)酵狀態(tài)，這表明稀釋速率和系統(tǒng)的初始狀態(tài)都是超高濃度乙醇連續(xù)發(fā)酵過程振蕩行為產生的必要條件。以不同的操作方式達到同一稀釋速率，會造成系統(tǒng)的初始條件不同，進而產生了不同狀態(tài)的發(fā)酵過程

6、。在稀釋速率0.04h-1時，與穩(wěn)態(tài)發(fā)酵過程相比，振蕩過程表現(xiàn)出更高的發(fā)酵效率和設備生產強度，單級攪拌罐中設備生產強度提高了12.3％。動力學分析發(fā)現(xiàn)在稀釋速率0.04h-1時，與穩(wěn)態(tài)發(fā)酵過程相比，振蕩過程的動力學行為不僅存在滯后，而且在相同殘?zhí)呛鸵掖紳舛葪l件下，酵母細胞平均比生長速率比穩(wěn)態(tài)過程提高了53.8％，表明振蕩過程能夠在更高乙醇濃度條件下保證酵母細胞的平均比生長速率與稀釋速率平衡，使連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)得以運行。組合式反應系統(tǒng)中引入振

7、蕩現(xiàn)象可以大幅度提高設備生產強度，縮短發(fā)酵時間，同時可以利用裝填填料的管式反應器對振蕩過程進行弱化，保證穩(wěn)定的終點乙醇濃度和較低濃度的殘?zhí)?，滿足工業(yè)過程的要求論文工作進一步試圖通過周期性切換稀釋速率的方式對發(fā)酵過程施加強制振蕩，并研究其對發(fā)酵性能的影響。在稀釋速率為0.02h-1和0.04h-1兩個穩(wěn)態(tài)過程之間反復切換，保證一個周期內的平均稀釋速率為0.03h-1，分別嘗試了4d、2d和1d三個周期。實驗結果表明當強制振蕩周期為4d時，

8、殘?zhí)恰⒁掖己蜕锪康劝l(fā)酵參數(shù)表現(xiàn)出規(guī)律性的振蕩，且發(fā)酵性能優(yōu)于稀釋速率0.03h-1時的穩(wěn)態(tài)過程，設備生產強度提高3.4％。隨著振蕩周期縮短，殘?zhí)堑劝l(fā)酵參數(shù)變化的周期性也變得模糊，且系統(tǒng)的發(fā)酵性能不如稀釋速率0.03h-1時的穩(wěn)態(tài)過程，表明強制振蕩周期必須滿足酵母細胞的生理特點，周期太短既不能得到周期顯著的振蕩過程，也不能提高發(fā)酵效率。自發(fā)振蕩周期是能夠滿足酵母細胞生理特點的最佳周期，強制振蕩的周期長度只有在接近自發(fā)振蕩周期時，才能對系