Optimization of fermentation process for saccharide-based fuel ethanol production by Saccharomyces cerevisiae北大核心CSCD

低成本、高产量的发酵工艺是实现工业燃料乙醇经济和环境可持续性发展的关键,而不需要重大基础设施改变或投资.为获得酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)利用甘蔗汁生产燃料乙醇的最优发酵工艺,首先对发酵体系的氮源条件进行优化;其次,在单因素试验基础上,以乙醇发酵效率为响应值,通过响应面法优化了燃料乙醇生产的发酵工艺,并通过补料分批发酵技术在5 L发酵罐中进一步扩大发酵.结果表明,以1.0 g/L (NH)SO和1.0 g/L酵母提取物作为发酵氮源,乙醇发酵效率和得率比对照可分别提高4.80%、9.52%.响应面设计获得的最优发酵工艺条件为在总糖浓度150.0 g/L、酵母提取物浓度2.0 g/L、发酵时间24.5 h、pH5.0、外加(NH)SO浓度1.0 g/L时,最高乙醇发酵效率可达到91.10%.在5 L发酵罐中采用补料分批发酵获得的最终乙醇浓度达到98.92 g/L,发酵效率维持在90%左右,乙醇生产力最高达到3.81 g Lh.本研究获得了一种高效生产糖质燃料乙醇的发酵工艺,可在较短时间内获得高浓度乙醇且消耗较少氮源,结果可为进一步利用糖质原料进行高效生物炼制及高浓度乙醇工业化生产提供参考.(图6表6参30)     

混合培养微生物利用甘油补料发酵生产乙醇研究

采用浸麻芽孢杆菌和红曲菌990691用甘油混合发酵生产乙醇.结果表明,分批发酵中高浓度的甘油对乙醇发酵有着较强的抑制作用,分批发酵最佳甘油浓度为0.217 mol L-1.在分批发酵的基础上补料发酵,考察了不同甘油浓度的补料液和不同补料时间对乙醇发酵的影响.最终确定乙醇补料发酵较优的工艺条件为:反应器1 L,装液量700 mL红曲发酵液,甘油初始浓度为0.217 mol L-1,以补料方式每隔60 h分5次补加0.217 mol L-1甘油浓度的红曲发酵液,每次补加100 mL,发酵培养360 h.当乙醇最高浓度达0.221 mol L-1,乙醇总产率0.628 mmol h-1,乙醇/甘油转化率达87%(mol mol-1).与分批发酵相比,补料发酵很大程度解除了高浓度甘油的抑制作用,有效地利用了甘油,提高了乙醇的产量,且乙醇产率较为稳定.     

不同培养方式下兽疫链球菌发酵

对摇瓶的分批和补料、小罐的分批和流加发酵生产透明质酸(HA)进行了比较研究,并对发酵机制进行了初步的探讨．在耗糖量相同的情况下,分批发酵比多次加料或流加发酵具有更高的HA产量和转化率;分批发酵初糖7%,发酵24 h左右,产HA3.6 g/L,转化率5.3%,流加发酵初糖3%,15 h耗糖7%,此时,HA为3.0 g/L,转化率Y     

鲜甘薯发酵生产高浓度乙醇的技术

乙醇作为燃料可以改善能源结构,减少对石油进口的依赖.高浓度发酵技术是一种生产燃料乙醇的新兴技术,有利于降低乙醇的生产成本.本研究采用酿酒酵母以鲜甘薯为底物进行了快速高浓度乙醇发酵的研究.对高浓度乙醇发酵的影响因素如发酵促进剂种类和浓度、无机盐、维生素及初糖浓度进行了探讨,获得了最佳发酵培养基配方,确定最适发酵促进剂为B,浓度为1.20 g kg-1,不需要添加无机盐和维生素,初糖浓度为270 g kg-1.在最适条件下,28 h可生产乙醇132.86 g kg-1,乙醇发酵强度达4.74 g kg-1h-1,发酵效率达91.44%.发酵规模放大至10 L时,28 h可产生乙醇131.71 g kg-1,乙醇发酵强度为4.70 g kg-1h-1,发酵效率为90.53%.图3表3参16     

菊芋秸秆高浓度物料分步糖化及乙醇发酵

菊芋是生物能源和生物炼制的新型原料作物,具有和其他作物不同的秸秆组成.为了解菊芋秸秆的生物转化情况,本研究首先比较了NaOH-H_2O_2、瞬间弹射蒸汽爆破(ICSE)及NaOH-H_2O_2和ICSE联用等3种预处理方法,证明对于菊芋秸秆NaOH-H_2O_2预处理法简单高效.进一步研究显示,NaOH-H_2O_2预处理过程中水洗一次即可显著促进酶解和后续发酵.利用分批补料和补加纤维素酶的方式进行高物料浓度条件下预处理菊芋秸秆的分步水解和乙醇发酵,当物料浓度达到30%(m/V)时,水解72 h的葡萄糖和木糖浓度分别可达143.6 g/L和36.2 g/L.利用木糖-葡萄糖共发酵重组酿酒酵母菌株LX03在菊芋秸秆水解液中进行乙醇发酵,发酵72 h乙醇最高浓度达66.2 g/L(8.27%,V/V),且发酵总糖利用率达86.9%.本研究利用菊芋秸秆水解液发酵获得较高的乙醇产量,为进一步利用菊芋秸秆进行高效生物炼制及高浓度纤维素乙醇生产提供了参考.(图3表1参23)     

玉米秸秆循环酶解液在隐球酵母SCTCC300292油脂发酵中的应用

为了解循环酶解过程对玉米秸秆酶解糖化的影响及循环酶解液对隐球酵母SCTCC300292发酵产油脂的影响,通过HPLC检测玉米秸秆循环酶解液的糖组分及含量,比较菌株SCTCC300292利用循环酶解液及同等糖浓度合成培养基的油脂发酵效果.结果显示:蒸汽爆破玉米秸秆的循环酶解过程使酶的添加量降低了40%,前5轮酶解液的糖组分和含量基本一致,葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的平均含量为33.63 g/L、10.55 g/L和4.02 g/L,最后一步酶解虽然不添加新的酶和底物仍继续产糖,整个酶解过程的糖转化率由74.84%提高至82.32%,糖得率由479.4 g/kg提高至527.36 g/kg,且产糖速率较高约2.20 g L~(-1) h~(-1).菌株SCTCC300292利用玉米秸秆的循环酶解液完成了6轮油脂发酵,前5轮发酵的生物量、油脂产量和油脂含量基本一致且平均值分别为10.84 g/L、5.08 g/L和46.86%,其最终油脂得率提高至54.6 g/kg.本研究表明快速循环酶解过程可促进玉米秸秆的彻底水解并降低生物转化成本,可为进一步实现高效、经济、环保的生物炼制提供参考.     

不同培养方式下兽疫链球菌发酵生产透明质酸的研究

对摇瓶的分批和补料、小罐的分批和流加发酵生产透明质酸（ＨＡ） 进行了比较研究,并对发酵机制进行了初步的探讨．在耗糖量相同的情况下,分批发酵比多次加料或流加发酵具有更高的ＨＡ产量和转化率;分批发酵初糖７％ ,发酵２４ ｈ 左右,产ＨＡ３．６ ｇ／Ｌ,转化率５．３ ％ ,流加发酵初糖３％ ,１５ ｈ 耗糖７％ ,此时,ＨＡ 为３ ．０ ｇ／Ｌ,转化率Ｙｐ／ｓ４．２％ ,继续发酵至２０ ｈ ,产ＨＡ４ ．０％ ,此时转化率Ｙｐ／ｓ３ ．６％ ,两种发酵所产ＨＡ 的Ｍｒ 均为２ ．０×１０６ ． 分批发酵中ＨＡ、副产物乳酸都和菌体生长相偶联,流加发酵中乳酸和菌体生长是偶联的,其含量均不断增加,ＨＡ含量表现为在菌体生长前期与之偶联,而后下降．流加发酵的菌体比生长速率远高于分批发酵．     

鲜甘薯发酵生产燃料乙醇中的降粘工艺

鲜甘薯高浓度发酵生产燃料乙醇的瓶颈之一是醪液粘度高,容易堵塞管路,严重影响工业化生产和增加能源消耗,同时也会降低乙醇发酵效率.为解决此问题,进行了添加降粘酶系及其作用条件优化研究,结果如下:1)确定最适降粘酶系为四川禾本生物工程有限公司的纤维素酶,粘度由1.7×104mPa.s降到8.8×102mPa.s,并且降低了生产成本;2)确定降粘酶作用前高温处理条件:110℃,20 min;3)最适降粘酶对不同品种鲜甘薯高浓度发酵的降粘效果表明降粘酶对大部分品种鲜甘薯降粘效果较好,粘度均约为1.0×103mPa.s以下,最低粘度只有2.7×102mPa.s,粘度下降率均在95%以上;4)在确定最适降粘酶系和其作用前高温条件后,将其应用于工业化生产,加入降粘酶2 h后发酵醪液的粘度由1.8×105mPa.s下降到2.7×103mPa.s,发酵后终粘度仅为7.9×102mPa.s,发酵时间仅为23 h,乙醇浓度达到10.56%(V/V),进一步验证了该降粘酶系应用于工业化鲜甘薯燃料乙醇生产的实际意义.表8参19     

枯草芽孢杆菌ME714产聚-γ-谷氨酸固态发酵培养基的优化

为了提高固态发酵聚-γ-谷氨酸(PGA)的产量,对发酵培养基中的4个主要外加营养组分——谷氨酸钠、尿素、柠檬酸钠、淀粉的配比采用正交设计方案进行试验设计,运用径向基神经网络(RBFNN)建立PGA产量与培养基组分浓度之间的预测模型,采用遗传算法(GA)对此模型进行全局寻优,得到4种主要组份的优化配比:谷氨酸钠318g/kg、尿素28.3g/kg、柠檬酸钠24g/kg、淀粉46g/kg.采用上述方法优化后PGA产量达到75.3g/kg,较原始培养基提高了25.1%.图1表3参14     

葡萄糖和氯化钠对米根霉利用鱼粉废水生成乳酸的影响

米根霉AS3.254能较好地利用鱼粉废水生成乳酸,葡萄糖和NaCl浓度能显著影响该过程的实现.当外加葡萄糖浓度为30g/L,发酵培养72h的鱼粉废水CODCr去除率为97.8%,乳酸产量为19.4g/L,生物量为3.56g/L;最大乳酸得率和总氮去除率分别为0.66g/g和55%.鱼粉废水中较高浓度氯化钠(NaCl)能抑制菌株生长,降低其产酸能力.当NaCl浓度大于12g/L时,菌株生长被完全抑制,产酸能力完全丧失.图4表1参20     

氮源及其添加模式对钝齿棒杆菌JDN28-75合成L-精氨酸的影响

氮源是微生物过量合成L-精氨酸的重要营养因子之一,不同氮源对钝齿棒杆菌JDN28-75合成L-精氨酸的影响研究结果表明,硫酸铵为合适的氮源.不同初始硫酸铵浓度对JDN28-75产L-精氨酸的影响研究结果表明,氮源浓度过高或不足,都会使最终L-精氨酸产量有所降低.低浓度的硫酸铵虽然有利于菌体生长,但对L-精氨酸的合成明显不利,同时糖酸转化率也较低;而高浓度的硫酸铵尽管不利于细胞的生长且造成发酵结束时残糖含量过高,却有利于细胞合成L-精氨酸且实际耗糖的糖酸转化率维持在一个较高的水平.初始硫酸铵浓度为60 g/L时,对JDN28-75菌体的生长有明显的抑制作用,最终发酵液中剩余的硫酸铵也较多(大于30 g/L),但高浓度的硫酸铵是L-精氨酸合成所必需的.在上述研究结果的基础上,确定了初始硫酸铵浓度为20 g/L条件下的补氮策略,比较了4种不同的硫酸铵补加模式对产L-精氨酸的影响,结果表明,在总的硫酸铵浓度相同的情况下,采取分批、低浓度添加氮源的方式既可以有效解除发酵前期高浓度硫酸铵对菌体生长的抑制作用,又可以有效维持发酵中后期体系中菌体合成L-精氨酸所需的较高比例的氮源.最后,在5 L全自动发酵罐中采用20 g/L的初始硫酸铵浓度,连续流加25%的氨水来控制发酵体系pH及补加氮源,L-精氨酸的产量可以达到31.7 g/L,较对照组的产酸量(26.0 g/L)提高了21.9%.图4表2参11     

常温氢氧化钠预处理芦苇酶解发酵产油

在室温(28℃)下对氢氧化钠预处理芦苇(Phragmites australis)条件进行单因素和响应面设计优化,对酶解的条件进行单因素优化,对酶解液成分进行HPLC分析,利用未经任何脱毒处理的酶解液发酵产油并与配制培养基对比,通过GC-MS对油脂脂肪酸组成进行分析.结果表明:最佳预处理条件为氢氧化钠质量分数3.4%,预处理时间16h,液固比20:1 m L/g,在初始酶解条件下酶解得到酶解液还原糖浓度为26.32 g/L;最佳酶解的条件为p H=4.5,温度45℃,液固比10:1 m L/g,酶解时间48 h,纤维素酶和纤维二糖酶酶液添加量均为30μL/g,得到酶解液还原糖浓度为40.01g/L;经HPLC分析,酶解液中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和半乳糖比例分别为70.27%、19.83%、5.08%和4.82%;通过隐球酵母(Cryptococcus podzolicus)ZWY-2-3发酵产油,其生物量、油脂产量和油脂含量在4 d时达到最大,分别为8.63 g/L、2.56 g/L和29.68%,其与同等糖浓度的对照组配制作培养基相当.本研究表明,芦苇是生产微生物油脂的潜在生物质原料,具有广阔的应用前景.     

细胞表面展示木聚糖酶对纤维素酶水解底物的协同促进作用

为了解木质纤维素水解过程中木聚糖酶作为辅助酶对纤维素酶的协同促进作用,采用实验室保存的单展示3种纤维素酶(内切葡聚糖酶EGII、外切葡聚糖酶CBHII和β-葡糖苷酶BGLI)和2种木聚糖酶(β-D-1,4内切木聚糖酶Xyn II和β-D-1,4外切木聚糖酶Xyl A)的酿酒酵母功能菌群,以蒸汽爆破玉米秸秆为底物进行乙醇发酵实验(SSF).结果显示,以蒸汽爆破玉米秸秆为底物时,加入纤维素酶和木聚糖酶共发酵96 h的最高乙醇浓度达到0.695 g/L,乙醇产率为0.254 g/g,相当于理论值的49.8%,纤维素酶与木聚糖酶之间的协同因子(DS)最高达到1.16(始终大于1).本研究表明在细胞表面展示体系中适量添加木聚糖酶对纤维素酶水解底物具有较明显的促进作用,为直接以木质纤维素为原料制取纤维素乙醇提供了一定的可行性依据,可通过调节单展示酵母细胞在菌群间的动态比例实现对酶协同作用的优化调控.     

进水COD浓度变化对内循环厌氧反应器(IC)发酵制氢系统的影响

利用糖蜜废水为发酵底物,以内循环厌氧反应器(IC)作为反应装置,探讨进水COD浓度变化对厌氧产氢效能的影响.结果表明,在水力停留时间(HRT)为6.5 h,温度为(35±1)℃时,IC反应器进水COD浓度在2—10 g·L~(-1)范围内变化,系统产氢效能随着进水浓度提高而上升,并在进水COD浓度为6 g·L~(-1)时,达到最大产气量23 L·d~(-1)和产氢量10.9 L·d~(-1).但是当进水COD浓度上升到8—10 g·L~(-1)后,产气量和产氢量明显下降,说明活性污泥可能受到了高浓度底物的抑制.发酵气体中H2含量并未随着进水COD浓度的变化而产生非常明显的变化,说明本实验中的IC反应器是一个较为稳定的产氢系统.     

鲜甘薯原料的运动发酵单胞菌快速乙醇发酵条件

对运动发酵单胞菌232B同步糖化发酵(SSF)鲜甘薯快速生产燃料乙醇的条件进行了研究.通过单因素试验和正交试验获得了乙醇发酵的最佳参数为:初始pH值6.0～7.0,硫酸铵5.0 g/kg,糖化酶量1.6 AUG/kg淀粉,初始总糖浓度200 g/kg,接种量ψ=12.5%.经过21 h发酵,乙醇浓度为95.15 g/kg.发酵效率可达94%.同时对不灭菌发酵也进行了研究,发酵效率可达92%.残糖的HPLC分析结果说明,发酵液中已没有葡萄糖存在,经酸水解后又出现了葡萄糖、半乳糖、甘露糖等成分,说明发酵结束后的残糖是多种低聚糖.图4表4参19     

耐高氨氮浮萍的筛选及优势品种的生长特性

为寻找有效处理猪场废水等高氨氮废水的浮萍品种,对采集自48个国家和地区的520株浮萍品种在400 mg/L氨氮浓度废水,pH 6.6条件下进行初次筛选,在250 mg/L氨氮浓度下进行复筛,并对筛选所得品种的游离氨耐受性及SOD酶活进行测定.通过初筛获得23株存活浮萍品种,复筛获得XJ3(Landoltia punctata)、D0045(Spirodela polyrhiza)两株优势品种,其在250 mg/L氨氮浓度下蛋白质积累能力分别为2.17 g m-2 d-1、2.15 g m-2 d-1,干物质积累速率分别为4.98g m-2 d-1、4.60 g m-2 d-1,氮元素同化效率分别为11.84%、13.11%.实验表明XJ3可耐受游离氨浓度达1.31 mg/L,D0045可耐受最高游离氨浓度大于0.80 mg/L,验证性实验中,浮萍可在pH 4条件下800 mg/L氨氮废水中存活.SOD酶活性测定显示XJ3、D0045在250 mg/L氨氮胁迫环境下,SOD酶活性变化幅度较小,说明其相对于其他品种具有较强的氨氮胁迫耐受性.因此,XJ3、D0045两株优势浮萍植株可实现高氨氮废水中氮元素的有效转化,对于净化高氨氮废水具有较大潜力.     

初期通气和震荡培养提高高浓度乙醇发酵的乙醇浓度和产率

研究了氧气和震荡条件对酿酒酵母高浓度乙醇发酵的影响.结果表明,震荡是提高发酵液乙醇浓度和产率的最重要因素.与静止培养相比,在不通气情况下震荡培养使乙醇浓度提高了69%(从75.8 g L-1提高到128.1 g L-1),在通气条件下乙醇浓度提高了68.7%(从85.2 g L-1提高到to 143.8 g L-1).在最优条件下,两次补料,经54 h发酵,发酵液中乙醇浓度达到143.8 g L-1,乙醇产率与理论产率的比值为0.471 g/g(即92.20%).经分析,通气和震荡条件提高了发酵液中酿酒酵母的生物量和细胞活力.图5表1参12     

Streptoverticillium mobaraense分批发酵生产谷氨酰胺转胺酶:氨基酸代谢流分析及其初始淀粉浓度的影响

对Streptoverticilliummobaraense分批发酵合成谷氨酰胺转胺酶 (MTG)的氨基酸代谢流分布进行了理论分析 ;通过考察MTG分批发酵过程中的一些参数的变化情况 ,包括菌体干重 (DCW )、MTG酶活及残糖 (RSC)、菌体产率系数、MTG产率系数以及MTG的生产强度等 ,确定了适宜的初始淀粉浓度 ;对MTG发酵过程中氨基酸的代谢流分布进行了计算并作了较详细的分析 .研究结果表明 ,初始淀粉浓度 30g/L较适宜 ,DCW最高达 2 0 .9g/L ,酶活最高可达 2 .8UmL-1,菌体产率系数、MTG产率系数和MTG的生产强度分别为 0 .94g/g、12 5 .4U/g和 5 1.9UL-1h-1.氨基酸代谢流分布表明 ,只要发酵液中游离氨基酸充分 ,则细胞生长和产物形成就会活跃 ,限制细胞生长和产物的一个重要因素可能是MTG对氨基酸氮源的交联行为 ,表明可以采用不同氮源和控制氮源水平的方法改进菌体生长和MTG合成 .图 9表 2参 9     

氮源对枯草芽孢杆菌WSHDZ-01合成过氧化氢酶的影响

为提高枯草芽孢杆菌WSHDZ-01合成过氧化氢酶的水平,尝试了不同种类氮源的添加.结果表明,硝酸钠(NaNO3)为适宜氮源,虽然生物量仅1.25 g/L,但过氧化氢酶活力最高可达3 200 U/mL.在添加NaNO,的基础上,研究了添加其它氮源麦芽汁、酵母膏、玉米浆对提高wsHDz.0l生物量的影响,发现适宜浓度的麦芽汁不仅可以提高生物量,并且能够缩短发酵周期.经进一步优化,在3 L发酵罐中,WSHDZ-01生物量提高到6 g/L,过氧化氢酶活力达到11 000 U/mL,与优化前相比,发酵周期缩短了近60%,生产强度提高了3倍.     

产聚乙烯醇降解酶的培养条件

放线菌StreptomycesvenezuelaeGY1产生的聚乙烯醇(PVA)降解酶是一种诱导酶.以4种不同类型的PVA为唯一碳源时,该菌株单位质量细胞产酶能力比以糖类物质为唯一碳源时提高10倍以上.聚合度和醇解度最高的PVA1799是该菌株产生PVA降解酶的适宜底物,其浓度为1gL-1时,PVA降解酶的产量为120u/g(细胞).培养基中PVA1799浓度由1gL-1上升到5gL-1时,该菌株单位质量细胞产酶能力下降73%,表明PVA1799浓度过高会抑制产酶.GY1菌株产酶的最适温度和pH分别为30℃和7.0.在GY1菌株生长过程中控制以下条件有利于产生PVA降解酶:(1)保持培养体系中较高的溶氧水平;(2)在氮源中补充NO-3;(3)在一定浓度范围内添加MgSO4·7H2O、CaCl2、MnSO4、BaCl2、ZnSO4、FeSO4·7H2O和CuSO4等金属盐.Pseudomonassp.产生的PVA降解酶能够作用伯醇或仲醇类化合物,以这些伯醇或仲醇类化合物代替培养基中的PVA,不能诱导GY1菌株产生PVA降解酶;而在培养基中有PVA存在时,再添加0.5gL-1的3戊醇和环己醇能够明显促进PVA降解酶的产生(单位质量细胞产酶能力分别提高了21%和32%).图8表1参10