[发明专利]一种利用气提弱化酵母细胞连续振荡行为的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，为一种发酵偶联气提技术弱化酵母细胞超高浓度连续乙醇发酵过程中产物浓度振荡的方法。

背景技术

燃料乙醇是最主要的生物能源产品之一，目前主要以糖质和淀粉质原料生产。淀粉质原料生产燃料乙醇，扣除副产品冲减后，原料成本仍然占总生产成本的60%左右，居首位，能耗成本占30%左右，次之。开发廉价原料资源，特别是以各类农作物秸杆为代表的木质纤维素类生物质，是解决燃料乙醇生产原料成本高的根本途径，但由于这类生物质对纤维素酶解的强抗性，从中获得糖的成本远远高于淀粉质原料，而且水解糖中含有20-30%的五碳糖，难以被乙醇发酵性能优良的菌株有效利用，致使其燃料乙醇的生产成本远远高于糖质和淀粉质原料，无法工业化大规模生产。因此，开发燃料乙醇生产的节能技术，降低生产过程能耗，具有十分重要的意义。

以提高发酵终点乙醇浓度为目标的高浓度发酵，不仅可以降低发酵醪精馏操作的能耗，而且还可以减少燃料乙醇生产废糟液总量，节省废糟液处理的能耗。目前，国内外淀粉质原料乙醇发酵，连续发酵乙醇体积比浓度一般为11-12%，间歇发酵略高，可以达到13-15%。发酵终点乙醇浓度超过15%的高浓度发酵，甚至达到20%的超高浓度发酵（Very high gravity,VHG），一直是学术界和工业界共同关注的研究方向，人们试图从发酵工艺的改进、培养基营养组分添加、发酵装置优化等方面着手，不断提高发酵终点乙醇浓度。然而，达到这样高乙醇浓度而导致发酵终点残余葡萄糖浓度升高，影响糖醇收率（工业生产中以进入发酵系统总糖来计算糖醇收率，发酵终点残余葡萄糖浓度升高会导致糖醇收率的显著降低），不显著延长发酵时间，增加杂菌污染的机会，造成糖和发酵生成乙醇的损耗，是基础研究和应用技术开发面临的最大挑战，也是VHG技术迄今为止未能在工业化生产中得到实际应用的根本原因。

因此，开发超高浓度连续乙醇发酵是燃料乙醇工业化发展的一个重要方向。加拿大的DP Bayrock博士利用多级串联反应器进行了短时间的超高浓度连续乙醇发酵并得到不错效果（非专利文献1），然而，白凤武教授发现进行长时间超高浓度连续乙醇发酵过程中酿酒酵母呈现长周期、大振幅的振荡行为，并发现其对其乙醇发酵性能产生明显影响（非专利文献2）。另外，巴西学者Walter Borzani教授也在利用酿酒酵母在含底物糖浓度20%的糖蜜（Blackstrap molasses，含有大量灰分和其它杂质）的连续乙醇发酵的研究工作中发现长周期，大振幅的振荡行为(非专利文献3)，遗憾的是Walter Borzani只报道了实验现象，分析了对乙醇发酵收率的影响，而没有开发这一振荡现象的弱化策略。目前，只有白凤武教授针对这种超高浓度连续乙醇发酵条件下振荡行为而开发相应的振荡弱化策略，在多级串联反应器条件下利用固定化方法较好地弱化了这种振荡，但这种多级罐串联操作的缺点在于增加了设备的投资和操作维护的难度（非专利文献2）。除此之外，而未见关于弱化或消除这种高浓度连续乙醇发酵振荡的报道或专利技术。

现有技术：

非专利文献1：Bayrock DP,Ingledew WM.2001.Application of multistage continuous fermentation for production of fuel alcohol by very-high-gravity fermentation technology.Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology27,87-93.

非专利文献2：Bai FW,Chen LJ,Anderson WA,Moo-Young M.2004.Parameter oscillations in very high gravity medium continuous ethanol fermentation and their attenuation on multi-stage packed column bioreactor system.Biotechnology and Bioengineering88:558-566.