木块填料对高浓度乙醇连续发酵过程中振荡行为的弱化机制

前期研究发现,添加木块填料可有效弱化管式反应器中的振荡行为,并推测其机理可能与酵母细胞的固定化、酵母细胞生长微环境的改变和管式反应器中稀释速率的改变三方面因素有关。本文实验证明了木块填料反应器的稀释率的改变不是导致振荡弱化的主要原因。进一步研究表明：一方面,与其他填料体系相比,木块填料体系不仅维持了较高的生物量浓度,而且维持了较高的细胞活性,从而具备了弱化振荡的前提条件;另一方面,与无填料体系培养出的酵母细胞相比,木块填料体系培养的酵母细胞具有较高的乙醇耐受性,从而弱化了乙醇浓度变化导致的发酵参数的大幅度波动。     

高浓度酒精连续发酵过程中振荡行为的模拟及填料弱化振荡的机理

在利用酿酒酵母进行高浓度酒精连续发酵中,观察到了一种持久稳定的振荡现象,表现为当严格控制发酵参数时,发酵罐中残糖浓度、酒精浓度和生物量浓度呈现大幅度的周期性波动。前期研究工作推测,细胞对环境胁迫的延迟反应是引起这种振荡行为的主要原因之一,并发现填料具有弱化这种振荡行为的作用,但描述这种振荡行为的动态模型尚未建立,填料弱化振荡的机理也尚不清楚。通过引入时滞加权函数,建立了预测高浓度发酵（VHGF）条件下振荡行为的过程动态模型。并在前期实验研究基础上,分别采用3种性质不同的填料,通过考察其弱化振荡行为的差异,在一定程度上揭示填料对振荡行为弱化作用的机理。实验结果表明：采用木块填料能明显地弱化振荡现象,金属丝网环和聚氨酯填料则不能弱化振荡现象;填料弱化振荡现象的原因与酵母细胞生长微环境的改变有关;利用聚氨酯作为填料能显著提高反应器中的生物量浓度,从而显著提高反应器系统的设备生产强度指标。     

连续发酵生产燃料乙醇过程的优化分析

在社会经济的高速发展之下,石油、天然气等资源在人们的生产与生活中发挥着非常重要的作用,但是这些资源属于不可再生的资源,人们应用资源期间会产生大量的有害物质,导致诸多环境污染问题发生,并且此种资源数量在日益减少,所以需要研究人员借助于当前先进的科学技术进行新型的可再生清洁能源的寻找,以此替代不可再生能源。燃料乙醇为现阶段一种新型的可再生燃料,借助于生物发酵作用便可以进行资源的大量生产,而且应用过程中对于环境产生的影响非常小,所以为了进一步提升燃料乙醇的生产质量与产量,需要对连续发酵生产全过程的各个环节进行优化处理,以此显著增强燃料乙醇生产工艺价值,控制各个生产环节的成本,降低生产厂家的经济风险。在本文的研究中即就对燃料乙醇、连续发酵的相关内容进行了概述,结合燃料生产情况从三个方面进行了过程优化研究,以此为更多燃料乙醇生产厂家高效、低成本的生产燃料提供指导。     

乙醇连续发酵与膜超滤耦合过程研究

采用ＣＡ－Ｔｉ复合管式膜组件与发酵耦合操作，用啤酒酵母从葡萄糖连续发酵乙醇是一个从不稳态到稳态的过程。其稳态的最佳操作参数为：初始葡萄糖浓度１４０ｇ／Ｌ，稀释率０．３ｈ~（－１），轴出比０．６３８，相应的细胞浓度２×１０~９ｃｅｌｌ／ｍＬ，葡萄糖利用率９２％，生产率２２ｇ／（Ｌ·ｈ）。当细胞浓度增加到一定程度时，乙醇生产率和酵母比生长速率的增长减缓。反应器中细胞的浓度由稀释率和轴出比决定。     

连续发酵生产乙醇的过程模拟与优化研究

对发酵过程进行模拟优化是降低乙醇生产成本、促进乙醇工业化生产的有效途径。考虑到乙醇发酵过程中存在的各种竞争性抑制作用,结合连续生产的全混釜模型方程,利用AspenPlus软件编写并建立了用户模型,实现了玉米清液连续发酵制乙醇过程的全流程模拟,模拟结果与工厂生产所测数据一致。同时对发酵过程进行了分析,优化了生产条件。计算结果表明,发酵罐中糖液的进料情况对结果影响较大,预发酵以及酵母回流是为了维持系统内合适的菌体浓度,需要根据实际情况调整;为了避免系统染菌,发酵过程宜采取带压操作,压力0.12~0.14MPa为佳;工厂实际生产工艺中,前3个发酵罐的热负荷较大,需要重点采取散热措施。对发酵系统进行热量优化有利于生产发酵罐的温度控制,提高产品质量。     

酵母细胞连续发酵过程振荡现象的研究进展

振荡现象在连续发酵过程中普遍存在,本文综述了酿酒酵母连续发酵中不同类型振荡现象的研究进展。一类以乙醇连续发酵过程中参数振荡为代表的特殊振荡现象,普遍存在于工业发酵过程,对发酵系统的稳定运行造成不利影响。本文论述了这类振荡现象产生的机理、调控策略的研究进展及其潜在的应用价值。     

气提法弱化超高浓度乙醇发酵过程中自絮凝酵母振荡行为

超高浓度(very high gravity,VHG)连续乙醇发酵过程中的振荡行为会导致发酵终点的乙醇浓度振荡和降低,是VHG连续乙醇发酵面临的主要问题。研究表明,游离酵母Saccharomyces cerevisiae 4126和自絮凝酵母BHL01在VHG连续乙醇发酵过程中,生物量、残糖、乙醇、甘油等发酵参数都呈现130～145 h的周期性振荡,且絮凝酵母发酵体系的平均乙醇浓度和乙醇生产强度都明显高于游离酵母体系。在絮凝酵母VHG连续乙醇发酵过程中利用发酵尾气气提分离乙醇,酵母细胞振荡行为被明显弱化,达到拟稳态状态,并且使发酵液中的残糖浓度控制在0.1 g·L^-1以下,平均乙醇浓度为110.87 g·L^-1,乙醇产率达到2.99 g·L^-1·h^-1。因此,本研究为弱化VHG连续乙醇发酵中的参数振荡行为提供了新的技术手段。     

代谢通量分析在酶合成过程中的应用研究进展

代谢通量分析可以有效预测微生物的代谢状况,指导生物合成过程,已在多个领域得到成功应用。本文概括分析了三大代谢通量分析技术（基于物料平衡、基于同位素示踪技术以及基于基因组尺度规模网络）在工业生物技术领域的应用,阐述了相关技术的优势及局限性。在此基础上重点论述了基于物料平衡及同位素示踪这两类通量分析技术在酶合成领域的研究进展,分析了代谢通量分析应用于复杂代谢产物可能存在的问题,指出如何将信号转导、转录调控等信息纳入代谢网络将成为未来酶合成过程代谢分析的研究重点。     

基于动态代谢通量分析的发酵过程多目标优化

通过动态代谢通量分析方法建立发酵过程模型,提出了一种基于微观代谢信息的发酵过程多目标优化策略,该策略基于所建微观模型,根据动态特性将发酵过程分为菌体生长和产物合成两个阶段,进行特征分析并从微观通量层面分别设计优化目标与约束条件,采用多目标粒子群算法求得最优解。该方法用于青霉素发酵过程底物流加速率和pH的操作轨迹优化,仿真实验结果表明,采用基于微观通量的多目标优化策略能够提高产物终端浓度,表明优化策略的有效性。     

产朊假丝酵母分批发酵生产谷胱甘肽的代谢通量分析

根据产朊假丝酵母利用葡萄糖作为惟一碳源生物合成谷胱甘肽的代谢网络,利用代谢通量分析方法分析了谷胱甘肽分批发酵不同阶段各代谢途径碳通量的分布和变化规律.在此基础上,通过分阶段温度控制和L-半胱氨酸添加等策略,调节谷胱甘肽分批发酵过程中的代谢通量分布,谷胱甘肽生物合成的产量明显提高,最大增加幅度分别达到23%和91%.同时对这些策略下谷胱甘肽的过量合成机理进行了解释.     

酿酒酵母在硅橡胶膜生物反应器中连续发酵的生长动力学

实验研究了酿酒酵母在硅橡胶膜生物反应器中的细胞生长速率与操作参数之间的关系。在三水平正交实验基础上,用Gauss Newton非线性最小二乘法拟合了细胞比生长率与葡萄糖浓度、乙醇浓度和细胞浓度3变量之间的关系式,得到硅橡胶膜生物反应器乙醇连续发酵的细胞最大比生长率、饱和常数、产物抑制常数和群聚抑制常数等基本动力学参数,表明当细胞浓度达到15g/L或乙醇浓度达到70g/L时细胞生长受到完全抑制。连续发酵实验验证了硅橡胶膜生物反应器中的细胞生长动力学满足拟合模型的规律。     

Metabolic flux analysis on arachidonic acid fermentation

The analysis of flux distributions in metabolic networks has become an important approach for understanding the fermentation characteristics of the process. A model of metabolic flux analysis of arachidonic acid (AA) synthesis in Mortierella alpina ME-1 was established and carbon flux distributions were estimated in different fermentation phases with different concentrations of N-source. During the exponential, decelerating and stationary phase, carbon fluxes to AA were 3.28%, 8.80% and 6.97%, respectively, with sufficient N-source broth based on the flux of glucose uptake, and those were increased to 3.95%, 19.21% and 39.29%, respectively, by regulating the shifts of carbon fluxes via fermentation with limited N-source broth and adding 0.05% NaNO₃ at 96 h. Eventually AA yield was increased from 1.3 to 3.5 g·L⁻¹. These results suggest a way to improve AA fermentation, that is, fermentation with limited N-source broth and adding low concentration N-source during the stationary phase. __________ Translated from Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2007, 21(2): 316–321 [译自: 高校化学工程学报]     

Production of L‐lactic acid with very high gravity distillery wastewater from ethanol fermentation by a newly isolated Enterococcus hawaiiensis

BACKGROUND: A great amount of wastewater with high contents of chemical oxygen demand (COD) are produced by ethanol production. It would be useful to utilize distillery wastewater to produce L‐lactic acid, which could be a high additional value byproduct of ethanol production. The fermentation process of L‐lactic acid production by a newly isolated Enterococcus hawaiiensis CICIM‐CU B0114 is reported for the first time. RESULTS: The strain produced 56 g L^?1 of L‐lactic acid after cultivation for 48 h in optimized medium consisting of (g L^?1) 80 glucose, 10 peptone, 10 yeast extract, 1.5 Na₂HPO₄ and 0.2 MgSO₄. E. hawaiiensis CICIM‐CU B0114 was isolated and purified by subculture for growing and producing L‐lactic acid in distillery wastewater of very high gravity (VHG) from ethanol fermentation. L‐lactic acid fermentation was further studied with distillery wastewater substrate in 7 L and 15 L fermentors. The results showed that L‐lactic acid concentrations of 52 g L^?1 and 68 g L^?1 was achieved in 7 L and 15 L fermentors with the initial sugar concentrations of 67 g L^?1 and 87 g L^?1, respectively. CONCLUSION: The production of L‐lactic acid by the newly isolated E. hawaiiensis CICIM‐CU B0114 was carried out and the fermentation medium was optimized by orthogonal experimental design. This new strain holds the promise of L‐lactic acid production utilizing distillery wastewater from VHG ethanol fermentation. Copyright © 2010 Society of Chemical Industry     

酿酒酵母代谢过程的振荡分析

振荡现象是生物的固有特征,在不同生物动态过程中都起着重要作用。为探究生物代谢过程中振荡产生的条件,以典型的酿酒酵母发酵生产乙醇过程为研究对象,采用函数连续性分析方法对其数学模型进行深入研究。首先对系统进行仿真,结合相图确认该过程存在等幅持续振荡现象（极限环振荡）;以此为切入点,利用分叉分析方法考察模型参数对系统振荡现象的影响;最后根据结果分析系统产生振荡现象的条件。结果显示,该代谢途径中各步反应均有参数会对系统的振荡现象产生影响,得出产生极限环振荡的参数范围,同时根据结果分析,为今后抑制振荡或利用振荡有利特性提供指导。