廢糟液全循環(huán)對(duì)絮凝酵母乙醇連續(xù)發(fā)酵的影響.pdf

1、燃料乙醇作為一種可再生清潔能源，對(duì)緩解石油資源短缺、降低環(huán)境污染具有重要意義。目前糖質(zhì)和淀粉質(zhì)原料發(fā)酵生產(chǎn)的燃料乙醇占市場(chǎng)總量的90％以上，但生產(chǎn)成本高一直是這一產(chǎn)業(yè)面臨的主要問(wèn)題，使其嚴(yán)重依賴政府補(bǔ)貼。能耗是僅次于原料消耗的燃料乙醇生產(chǎn)第二大成本，主要用于乙醇蒸餾和廢糟液處理，特別是糧食類淀粉質(zhì)原料燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程中，廢糟液處理普遍采用的多效蒸發(fā)系統(tǒng)。顯然，廢糟液直接循環(huán)使用是減少?gòu)U液排放和降低其處理能耗最具有競(jìng)爭(zhēng)力的策略。
　

2、　本論文研究開(kāi)發(fā)了廢糟液循環(huán)條件下絮凝酵母乙醇連續(xù)發(fā)酵新工藝。由于酵母細(xì)胞在發(fā)酵罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)自固定化而不隨發(fā)酵液的排出而流失，發(fā)酵液乙醇蒸餾過(guò)程中酵母細(xì)胞自溶產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物顯著減少，為提高廢糟液循環(huán)比例，乃至實(shí)現(xiàn)全循環(huán)，奠定了良好基礎(chǔ)。
　　本文首先研究了廢糟液全循環(huán)對(duì)絮凝酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵過(guò)程的影響。與無(wú)廢糟液循環(huán)發(fā)酵過(guò)程相比，廢糟液全循環(huán)對(duì)乙醇發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生了明顯的抑制，表現(xiàn)為發(fā)酵液中殘?zhí)菨舛鹊纳撸掖己蜕锪科骄鶟舛确謩e降低了

3、5.3％和10.9％。發(fā)酵液中副產(chǎn)物和金屬離子檢測(cè)結(jié)果表明，在廢糟液全循環(huán)過(guò)程中，除琥珀酸和5-羥甲基糠醛外，其余10種副產(chǎn)物和4種金屬離子均有明顯積累，其積累濃度為對(duì)照組的3倍以上。其中Ca2+、甘油和丙酸的積累濃度最高，分別為1126 mg/L，15080 mg/L和2100mg/L。其余副產(chǎn)物濃度都遠(yuǎn)小于1 g/L。進(jìn)一步的碳流分布分析表明，廢糟液全循環(huán)對(duì)酵母糖酵解和磷酸戊糖途徑的碳流分配沒(méi)有產(chǎn)生明顯的抑制，但使酵母細(xì)胞對(duì)底物的吸

4、收速率和糖酵解途徑三個(gè)限速酶己糖激酶、6-磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶活性逐漸降低，到整個(gè)廢糟液全循環(huán)結(jié)束時(shí)，流向乙醇的碳流量降低了33％。
　　為了找出主要抑制物，進(jìn)行了添加副產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)研究。單一副產(chǎn)物添加實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，檸檬酸、α-酮戊二酸、富馬酸、乳酸、丙酮酸、琥珀酸、2-苯乙醇、糠醛和5-羥甲基糠醛濃度低于1 g/L時(shí)，對(duì)絮凝酵母生長(zhǎng)的抑制率低于5％，對(duì)乙醇發(fā)酵的抑制率低于4％，且低濃度單一金屬離子可促進(jìn)酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵。而

5、丙酸濃度低于1 g/L時(shí)，對(duì)絮凝酵母生長(zhǎng)的抑制率低于20.3％，2 g/L時(shí)對(duì)生長(zhǎng)的抑制率達(dá)到30.2％，對(duì)乙醇發(fā)酵的抑制率低于5％。除丙酸外(MIC10:0.4 g/L)，其余所有副產(chǎn)物和金屬離子在實(shí)際發(fā)酵液中的積累濃度遠(yuǎn)小于其最小抑制濃度(MIC10)?；旌咸砑訉?shí)驗(yàn)結(jié)果表明金屬離子對(duì)酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵有促進(jìn)作用，進(jìn)一步的協(xié)同實(shí)驗(yàn)證實(shí)了丙酸是影響絮凝酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵的主要抑制物。
　　系統(tǒng)研究了丙酸對(duì)絮凝酵母代謝過(guò)程的影響。丙

6、酸對(duì)酵母生長(zhǎng)的影響非常顯著，當(dāng)發(fā)酵培養(yǎng)基中丙酸濃度超過(guò)40 mmol/L時(shí)，對(duì)絮凝酵母生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵、糖酵解途徑三個(gè)限速酶活性以及酵母絮凝均產(chǎn)生顯著抑制。當(dāng)培養(yǎng)基中丙酸濃度達(dá)到60 mmol/L時(shí)對(duì)生長(zhǎng)的抑制率達(dá)到67％，對(duì)乙醇發(fā)酵的抑制率達(dá)到66％，酵母絮凝顆粒粒徑降低至50μm，接近游離酵母，不利于廢糟液全循環(huán)絮凝酵母乙醇連續(xù)發(fā)酵的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　酵母代謝不生成丙酸，進(jìn)一步分析檢測(cè)發(fā)現(xiàn)玉米原料中半纖維素在酸性和高溫條件下的分解

7、是產(chǎn)生丙酸的主要來(lái)源，且其濃度隨原料處理溫度和時(shí)間的增加而升高，但玉米糖化液在60℃長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)，丙酸濃度幾乎無(wú)變化。據(jù)此提出了發(fā)酵培養(yǎng)基不經(jīng)高溫滅菌直接用于廢糟液全循環(huán)乙醇連續(xù)發(fā)酵的工程策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)酵液各副產(chǎn)物濃度明顯低于培養(yǎng)基高溫滅菌的廢糟液全循環(huán)工藝，其中丙酸濃度降低了62％，乙醇和生物量濃度分別提高了7.4％和59.3％，殘還原糖濃度降低了40.1％，且優(yōu)于培養(yǎng)基高溫滅菌無(wú)廢液循環(huán)乙醇發(fā)酵工藝各主要