通气速率和搅拌速率对微需氧分批发酵影响的研究

1通气速率和搅拌速率对微需氧分批发酵影响的研究摘要：在实验室规模上研究通气速率和搅拌速率对微需氧发酵的影响。结果表明，以面包酵母（Baker’syeast）为例，从低到高的通气速率可以提高生物乙醇的产率和产量，因为这样能提高细胞活性。转速固定为150rpm时，通气量从1增至1.5升/分钟，摄氧率峰值从600增加到1000mML-1h。同时产量增加7.5%.通气速率固定1.5LPM，搅拌150—250，OUR1000—457，产量增加64%.综上所述，通气和搅拌对微生物代谢都有重要影响，进而影响产率和产量。进一步的研究通过CFD建立模型和模拟，研究通气搅拌速率如何通过生物反应器中的机械混合装置来影响代谢。前言不可再生资源枯竭引起了越来越严重的环境问题，创造了对可再生资源的巨大需求，如乙醇。有人预言在未来十五年内来自可再生的农业残渣和木材的乙醇能替代20%的化石燃料。但实现这一目标需要显著的科学知识和技术。传统意义上说，面包酵母被作为生产乙醇的主要菌种广泛应用于工业。由于面包酵母作为模式生物，被认为是安全的有能力利用碳源生产20%乙醇的微生物。先前的研究证明葡萄糖供应增加时微生物反映不同，例如预培养不可控，接种后延滞期不同。由于葡萄糖的增加更多的糖进入细胞，造成NADH产生增多，不能被呼吸连完全氧化，多余的NADH用于发酵产酒精，即需氧发酵产酒精的根据。另一方面，啤酒酵母的应用有一定的局限性构成工业上的严峻挑战，公认的挑战是乙醇的积累对发酵过程的抑制。这是因为葡萄糖和铵摄入的减少和反馈抑制。此外，副产物甘油的产生和传统厌氧发酵中细胞活力的减弱导致乙醇产量降低。在大规模的发酵罐中溶氧是不均衡的。研究描述了面包酵母在不同的微需氧环境中的表现，即实验室规模的不同的通气和搅拌速率。自从酵母菌对乙醇的耐受可以提高，研究的重点是提高酵母细胞的渗透性和整体发酵速率。迄今为止，反应器中通气与混合因素结合的因素上的研究被屡次忽略，因此，本试验的主要目的是调查微需氧发酵过程中通气和混合的综合影响。2材料和方法材料和仪器：发酵罐用的是BIOSTATA2LMO-系统，工业用面包酵母作为菌种，葡萄糖作为底物。1.5L发酵培养基中含有75g葡萄糖，7.5g酵母，3.75gNH4Cl,4.37gNa2HP04,4.5gKH2P04,0.38gMgS04,0.12gCaC12,，6.45g柠檬酸4.5g柠檬酸钠。121摄氏度灭菌20min，冷却至室温。接种40ml，pH和温度控制为30℃和5。发酵周期为72h，每2-3h取样分析，吸光度，乙醇，葡萄糖和甘油浓度。乙醇，葡萄糖和甘油的检测：拜检测试剂盒和紫外可见分光光度计结果讨论通气和搅拌对葡萄糖，乙醇和甘油浓度的影响：为了研究通气速率和搅拌速度对实验室规模反应器中生物乙醇发酵的影响做了4批实验。表一列出4个试验的相关参数。一般来说，可以得出，乙醇及其副产物甘油会随通气搅拌的增加而增产。图一展示了不同通气搅拌条件下葡萄糖的浓度变化。可以看出，不同条件下的葡萄糖消耗相当。3图二展示了不同条件下乙醇浓度变化，4号明显优于其他条件，64h后乙醇产量由6.33变化到9.91gL-l图三展示不同条件下甘油浓度的变化，有趣的是最高甘油产量和最高乙醇产量一致。实验结果表明副产物即甘油的产生主要由通气决定。换句话说，在1.5LPM时，150和250rpm下甘油产量相当。这说明甘油的产生主要由通气决定而不是搅拌。4由图四可以看出，不同条件下生长状况相当。这说明乙醇和甘油发酵速率不同并不是之前被认为的决定于葡萄糖与菌体生长速度。在这种情况下更可能的解释，可能是由于增长率和细胞活力的乙醇产率的联系。发酵过程中乙醇生成越快，细胞活力就越低，这是因为细胞代谢不活跃时ATP的合成或者代谢物的渗透受到抑制。这会造成质膜的损伤，质膜在乙醇耐受中有重要作用，质膜损伤将导致细胞死亡。不同的搅拌和通气造成不同的葡萄糖利用，造成不同量的乙醇和甘油产生，图2可以看出，4号的乙醇产量最高。另一方面，图3中可以看出2号的甘油产量最高。3号和4号的区别在于通气速率不同，3号通气速率较低。有趣的是，4号高通气带来的是高乙醇产量但是降低了甘油产量，因此可以通过提高通气来提高乙醇产量并且抑制甘油产生。但是，通常乙醇产量随通气搅拌增大而增加时，甘油产量也增加。这可以由甘油在酿酒酵母的生物学作用的基本知识得到证实。由于甘油产生于发酵产乙醇的过程中调节氧化还原平衡和渗透调节。酵母细胞会加速生产甘油以降低胞外水活。细胞在高渗溶液中时，胞内甘油保持胞内外渗透平衡。因此，中期乙醇产生增多同时甘油产生也增多（取决于通气强度），以克服高渗。严格控制供氧的微需氧乙醇发酵中甘油产量减少时乙醇产量也减少。高通气高搅拌带来乙醇和甘油的高产量。得出结论：乙醇产量不仅与糖耗有关，还受通气和搅拌的影响。5通气搅拌对OUR的影响：图5展示了摄氧率的趋势。在150rpm的转速下，通气从1增加到1.5LPM时，OUR从600增长到1000mML-1，在250转的情况下，通气从1增加到1.5LPM时，OUR也增加。表2显示了不同条件下OUR峰值。通气搅拌对产量的影响：表3展示了不同条件下得到的产量。转速固定为150rpm时，通气量从1增至1.5升/分钟，产量增加7.5%.通气速率固定1.5LPM，搅拌150—250，产量增加64%。高转速提供高传质速率6即氧传递，几个生物合成途径需要分子氧，如固醇，不饱和脂肪酸，嘧啶和脱氧核糖核酸，所以高传氧可以提高乙醇生产。显而易见，高通气高搅拌可获得乙醇高产量。总体来说，酿酒酵母在1PLM，150rpm条件下能生产12.67%的乙醇，在1.5PLM，150rpm条件下能生产13.59%的乙醇，在1PLM，250rpm条件下能生产12.78%的乙醇，在1.5PLM，250rpm条件下能生产19.81%的乙醇，高通气搅拌下，乙醇产量显著提高。通气搅拌对溶氧的影响：图6展示了溶氧随时间变化的趋势。1，2，3基本一致，4不同于其他的大幅减弱，由于条件接近好氧发酵，说明搅拌转速会造成微需氧到好氧的急剧转变。结论：1.5LPMand250rpm时产量最高，产生接近20%乙醇，乙醇和甘油的产量受通气和搅拌的影响很大，因为这些参数会影响培养基和微生物之间的混合机制，生产乙醇和甘油的显著差异可能是水动力因素造成，特别是不同的通气和搅拌的情况下，在本研究一系列的实验条件下，这些差异可能不是由糖耗和菌体生长造成的，因为糖耗和菌体生长基本一致。