高浓度酒精连续发酵过程中振荡行为及其弱化机制的研究

论文摘要

通过在连续发酵系统中流加含有酒精的培养基，考察了外源性酒精对连续发酵过程振荡行为的影响。在流加不含酒精的低糖培养基使发酵系统达到拟稳态后，切换含酒精的培养基，发现随着酒精浓度的提高，生物量浓度显著下降，之后各发酵参数出现了与先前高糖浓度培养基情况下呈现的相似的持续振荡现象；重新切换为不含酒精的低糖培养基，使酒精浓度降低后，系统又恢复稳定。实验结果表明高浓度酒精，不论是外源性的还是内源性发酵过程产生的，是导致振荡现象发生的主要因素。研究发现酒精浓度与残糖浓度振荡行为同步，而酵母细胞生长的振荡行为滞后，证实了振荡过程中酵母细胞对酒精抑制的延迟反应。以D-木糖作示踪剂，采用阶跃示踪技术，测定了由一个搅拌式反应器和三段填充填料的管式反应器串联组成的高浓度酒精连续发酵系统的混合性能，实验数据表明，各管式反应器的混合行为均接近全混流，填料导致管式反应器轴向返混程度降低，进而弱化其酒精发酵过程振荡行为的推断不成立。采用与木块填料具有相同填充体积的非吸附性填料玻璃珠后，发现填料对振荡行为的弱化作用消失，表明添加填料的管式反应器弱化振荡的机制不是由于反应器本征稀释速率改变。进一步研究表明：与无弱化振荡作用的体系相比，可显著弱化振荡的木块填料体系不仅维持了较高的生物量浓度和细胞活性，而且培养出的酵母细胞具有较高的酒精耐受性，从而弱化了酒精浓度变化导致的振荡行为。以上研究工作的开展和取得的研究成果，不仅有助于进一步认识高浓度酒精连续发酵过程中振荡行为的产生及其弱化的机制，而且为开发更加有效的振荡弱化策略提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 燃料酒精的背景及其应用意义
• 1.1.1 各国燃料酒精生产的发展进程及现状
• 1.1.2 燃料酒精的发展方向
• 1.2 高浓度酒精发酵及研究进展
• 1.2.1 高浓度酒精发酵定义
• 1.2.2 影响高浓度酒精发酵的因素
• 1.2.3 高浓度酒精发酵的研究进展
• 1.3 微生物培养过程中的振荡行为及其研究进展
• 1.3.1 连续培养中微生物振荡现象的类型
• 1.3.2 振荡机理的研究进展
• 1.3.3 高浓度酒精连续发酵过程中的振荡行为及其研究进展
• 1.3.4 微生物振荡现象的研究展望
• 1.4 细胞固定化及其应用
• 1.4.1 细胞的固定化及其特点
• 1.4.2 细胞固定化的方法
• 1.4.3 固定化对细胞生理特性的影响
• 1.5 本实验的思路和方法
• 2 试剂、原料和分析方法
• 2.1 菌种
• 2.2 试剂与仪器
• 2.3 酵母的各级培养
• 2.3.1 斜面培养
• 2.3.2 摇瓶培养
• 2.3.3 种子罐培养
• 2.3.4 连续发酵
• 2.4 工艺技术指标的分析
• 2.4.1 葡萄糖浓度的测定
• 2.4.2 酒精浓度的测定
• 2.4.3 酵母浓度的测定
• 2.4.4 酵母细胞活性的测定
• 2.4.5 木糖浓度的测定
• 2.4.6 海藻糖浓度的测定
• 2.5 组合反应器系统
• 3 酒精抑制对连续发酵过程振荡的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 菌种
• 3.2.2 培养基
• 3.2.3 搅拌式反应器连续发酵操作流程
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 结论
• 4 组合反应器中流体混合特性的定量表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 菌种
• 4.2.2 填料
• 4.2.3 培养基、反应器系统及分析方法
• 4.2.4 示踪剂的选择及输入方式
• 4.3 流体混合特性定量表征的数学模型
• 4.3.1 停留时间分布模型
• 4.3.2 理想全混流反应器多级串联模型的建立
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 管式反应器中流体返混程度的考察
• 4.4.2 组合反应器中流体混合特性的定量表征
• 4.5 小结
• 5 填料对高浓度乙醇连续发酵过程中振荡行为的弱化机制
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.2.1 菌种
• 5.2.2 填料
• 5.2.3 填料体系与无填料体系中的酵母细胞培养
• 5.2.4 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 酵母细胞固定化与振荡弱化作用的关系
• 5.3.2 木块填料对酵母发酵及胞内海藻糖含量的影响
• 5.3.3 聚氨酯填料对酵母发酵及胞内海藻糖含量的影响
• 5.3.4 填料对振荡弱化的作用机制
• 5.4 结论
• 6 总结及后续工作
• 6.1 总结
• 6.2 后续工作
• 参考文献
• 附录A 符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢