论文摘要
由酵母菌发酵超高浓度葡萄糖为乙醇,即超高浓度乙醇发酵,由于潜在提高发酵终点乙醇浓度并由此带来经济效益,因而,这种发酵方式自提出以来就引起人们的浓厚兴趣。然而,要成功开展超高浓度乙醇发酵,尚需要解决一些富有挑战性的问题。其中最大难题之一是酵母菌受到由超高浓度乙醇发酵苛刻条件引起的诸如高渗透压和强产物抑制产生的胁迫作用,使菌体生长受到强烈抑制乃至大量死亡,最终导致发酵中途停止。因此,如何改进发酵工艺,以提高和维持酵母菌在这种胁迫条件下的活力是非常重要的。为此,本论文将综合优化超高浓度乙醇发酵工艺和探索通气补料发酵新工艺作为研究的重点。本工作以自絮凝酵母——粟酒裂殖酵母和酿酒酵母的融合株作为研究对象。实验首先利用响应面法优化摇瓶发酵工艺条件,得出基于起始葡萄糖浓度为300 g·L-1的超高浓度乙醇发酵最佳工艺条件:300 g·L-1葡萄糖,16.82 g·L-1 （NH4）2SO4,8.24 g·L-1 KH2PO4,0.50 g·L-1 CaCl2,2.00 g·L-1 MgSO4,0.08 g·L-1 ZnSO4,6.00 g·L-1酵母浸出膏,6.00 g·L-1蛋白胨,接种量11%,温度30℃。优化后实验测得发酵终点乙醇浓度均值高达137.7 g·L-1,比未优化时提高28%。终点乙醇浓度预测最优结果为137.9 g·L-1,与实测值接近。同时,优化后发酵周期从72 h缩短至60 h,乙醇产率由1.49 g·L-1·h-1显著提高至2.30 g·L-1·h-1。据我们所知,在300 g·L-1起始葡萄糖浓度条件下开展超高浓度乙醇发酵,通常都积累大量残糖和终点乙醇浓度低。但是,本研究的终点乙醇浓度达到137.7 g·L-1,葡萄糖转化利用率达到96.6%,取得了较好的实验结果。基于上述工艺优化结果,进行发酵罐实验,同时进一步考察通气对超高浓度乙醇发酵的影响,并通过调整通气策略（通气速率和通气时间）,进一步改善发酵状况。实验得到的最佳通气策略为:以10 L·h-1的通气速率全程通气,发酵终点乙醇浓度达到127.3 g·L-1,与未通气发酵相比,提高了10%。同时发酵周期缩短至39 h,乙醇产率由2.42 g·L-1·h-1显著提高至3.26 g·L-1·h-1,提高了35%。同时,研究提示,对于处于高浓度葡萄糖或者高浓度乙醇环境中的酵母而言,超高浓度乙醇发酵副产物（甘油）的适量生成可能对于酵母细胞具有一定的保护作用。研究最后在通气发酵工艺基础上,进行了结合补料的发酵研究。实验首先考察了起始葡萄糖浓度对于补料分批发酵的影响,结果表明起始葡萄糖浓度为100 g·L-1时,发酵状况优于150 g·L-1和200 g·L-1。并在此基础上,进一步考察了通气和发酵活性物质对于补料分批发酵的影响,实验表明发酵过程中通气和补加发酵活性物质可以提高酵母发酵活性及其对乙醇的耐受性,从而明显改善发酵状况。最终确定了超高浓度乙醇发酵通气补料的最佳策略为:起始葡萄糖浓度为100 g·L-1,发酵过程中以0.8 mL·min-1的速率连续补加优化培养液,同时以10 L·h-1的速率进行通气,结果,最高乙醇浓度可达到143.3 g·L-1,比通气分批发酵提高了13%。