酵母細(xì)胞超高濃度乙醇連續(xù)發(fā)酵振蕩行為的研究.pdf

1、生產(chǎn)成本過高是制約燃料乙醇大規(guī)模推廣應(yīng)用的主要因素。目前以淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料乙醇的成本構(gòu)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(chǎn)成本的主要方向之一。超高濃度乙醇發(fā)酵技術(shù)可以減少單位產(chǎn)量乙醇的物料總量，進(jìn)而減少精餾過程及廢糟液處理的能耗，是燃料乙醇生產(chǎn)領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)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(duì)于誘發(fā)這類振蕩現(xiàn)象的機(jī)理至今沒有

2、深入的研究報(bào)道。 酵母細(xì)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(diǎn)，與文獻(xiàn)中報(bào)道的酵母細(xì)胞連續(xù)培養(yǎng)時(shí)，在特定條件下由于不對(duì)稱芽殖導(dǎo)致子母細(xì)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(gè)完整的振蕩周期內(nèi)，酵母細(xì)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(duì)優(yōu)勢(shì)；而振蕩過程中酵母細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)上關(guān)鍵代謝節(jié)點(diǎn)處碳通量分布呈周期性變化，反映了細(xì)

3、胞在振蕩周期內(nèi)不同相位點(diǎn)上對(duì)能量和細(xì)胞組分需求的差異和調(diào)節(jié)過程。實(shí)驗(yàn)中證明了振蕩過程中胞外乙醇是酵母細(xì)胞主要的抑制因素，而酵母細(xì)胞的代謝活性對(duì)乙醇抑制表現(xiàn)出100h左右的滯后，受胞外乙醇刺激后胞內(nèi)海藻糖積累等乙醇耐受機(jī)制的逐步啟動(dòng)，抵消了乙醇對(duì)酵母細(xì)胞的抑制作用，是這種振蕩現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)原因。利用流式細(xì)胞分析技術(shù)對(duì)振蕩過程中細(xì)胞群體周期分布分析，表明這種振蕩行為發(fā)生時(shí)，不存在細(xì)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(yīng)器串聯(lián)組成的反應(yīng)系統(tǒng)，開展酵母細(xì)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(duì)細(xì)胞進(jìn)行固定化處理來調(diào)控振蕩過程。裝填木塊和聚氨酯填料的管式反應(yīng)器對(duì)來自前面攪拌罐的振蕩行為能夠產(chǎn)生不同的影響，不同填料對(duì)酵母細(xì)胞生理參數(shù)影響的差異是造成這種效果的原因。經(jīng)過木塊填料吸附以后，酵母細(xì)胞的比糖消耗速率及乙醇耐受能力得到改善，能夠?qū)碜詳嚢韫薜膹?qiáng)制振蕩產(chǎn)生弱化作用，而聚氨酯填料則沒有類似的效果。表面微觀結(jié)構(gòu)的差異是造成兩種填料對(duì)酵母細(xì)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(xì)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榻湍讣?xì)胞提供了良好的附著表面，而聚氨酯填料孔隙較大，內(nèi)壁光滑，對(duì)酵母細(xì)胞起到的只是截流效果。 在0.027h-1和0.040h-1兩個(gè)稀釋速率下，通過不同的操作方式可以分別實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和振蕩兩個(gè)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(chǎn)生的必要條件。以不同的操作方式達(dá)到同一稀釋速率，會(huì)造成系統(tǒng)的初始條件不同，進(jìn)而產(chǎn)生了不同狀態(tài)的發(fā)酵過程

6、。在稀釋速率0.04h-1時(shí)，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(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度，單級(jí)攪拌罐中設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度提高了12.3％。動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)在稀釋速率0.04h-1時(shí)，與穩(wěn)態(tài)發(fā)酵過程相比，振蕩過程的動(dòng)力學(xué)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(xì)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(xì)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(yùn)行。組合式反應(yīng)系統(tǒng)中引入振

7、蕩現(xiàn)象可以大幅度提高設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度，縮短發(fā)酵時(shí)間，同時(shí)可以利用裝填填料的管式反應(yīng)器對(duì)振蕩過程進(jìn)行弱化，保證穩(wěn)定的終點(diǎn)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(jìn)一步試圖通過周期性切換稀釋速率的方式對(duì)發(fā)酵過程施加強(qiáng)制振蕩，并研究其對(duì)發(fā)酵性能的影響。在稀釋速率為0.02h-1和0.04h-1兩個(gè)穩(wěn)態(tài)過程之間反復(fù)切換，保證一個(gè)周期內(nèi)的平均稀釋速率為0.03h-1，分別嘗試了4d、2d和1d三個(gè)周期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)強(qiáng)制振蕩周期為4d時(shí)，

8、殘?zhí)?、乙醇和生物量等發(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(shí)的穩(wěn)態(tài)過程，設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)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(shí)的穩(wěn)態(tài)過程，表明強(qiáng)制振蕩周期必須滿足酵母細(xì)胞的生理特點(diǎn)，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(xì)胞生理特點(diǎn)的最佳周期，強(qiáng)制振蕩的周期長度只有在接近自發(fā)振蕩周期時(shí)，才能對(duì)系