固定化细胞发酵生产化学品和燃料

---

关键词

酵母，乙醇，填充床反应器，连续发酵，备选控制策略，生物乙醇，细胞固定化，稀酸水解。

介绍

固定化细胞发酵技术讨论了固定化对细胞生理、代谢、遗传和发酵行为的影响，以及各种类型的固定化细胞生物反应器系统及其在发酵中的应用。生物乙醇是一种来自不同种类可再生原料的可再生燃料，例如甘蔗、玉米、小麦、木薯和纤维素生物质。

为了优化发酵过程，已经开发了各种固定化细胞生物反应器。固定化细胞目前正用于工业生产醋、有机物和氨基酸，以及废水处理。细胞固定化在乙醇生产中应用的各种方法。

已经尝试在各种类型的生物反应器中利用固定化酵母和细菌细胞进行乙醇生产。固定化细胞系统乙醇生产力的实质性提高表明，乙醇和酒精饮料生产的未来发展将转向利用固定化细胞系统。

在反应器中进行酵母细胞固定化，以研究载体容积容量以及不同发酵模式对燃料乙醇生产的影响。固定化细胞发酵的生产力比悬浮细胞发酵高 16%。

一种采用新型固定化方法的有效乙醇生产方法，通过切换流动方向，可以极大地改进传统的连续发酵，这可能对工业应用具有实际和广泛的影响。

细胞固定化

细胞固定化在填充床反应器 (PBR) 中进行，该反应器包括两个主要部分：固定化填料和一个 20 L 的循环罐，直径为 14 厘米，高度为 33 厘米。此前，螺旋缠绕载体已被用于固定化细胞；然而，由于液体垂直流动，与载体表面的接触减少，因此固定化速率降低。

将棉纤维片材填充到多孔空心球中，增加了游离细胞的接触面积，同时减少了钢丝网的使用。游离细胞浓度取决于吸附时间和使用的载体数量。

载体上吸附的细胞数量大致等于先前描述的悬浮细胞浓度降低。发现所有实验组中悬浮细胞的浓度在最初的 30 小时内下降，这种下降似乎与添加的不同载体数量有关。

分批和重复分批发酵

固定化细胞的重复分批同时糖化发酵 (SSF) 也在固定化过程后的 20 L PBR 中进行，其中 16 L 相同的发酵培养基添加到反应器中。发酵条件与游离细胞发酵中使用的条件相同。在每个批次的结束时，由还原糖水平降至低于 1 g/l 定义，发酵液被去除，添加相同量的鲜培养基，并启动下一批。

固定化细胞用于 6 个连续批次。定期收集样品并分析乙醇生产产量和还原糖。为了评估固定化酵母细胞应用的价值，我们将其与传统发酵技术进行了比较。

我们发现，固定化酵母发酵中残留总糖和还原糖的消耗速率以及乙醇的生产速率均快于游离细胞发酵，尤其是在早期阶段。固定化细胞在第一批中的乙醇产量与游离细胞发酵的乙醇产量相似，而在后续批次中，固定化细胞发酵的平均产量高于游离细胞发酵获得的产量，这很可能是由于残留总糖和游离细胞的浓度较低。

此结果可以通过以下事实来解释：固定化酵母细胞在乙醇生产中可以克服先前报道的产物抑制，并且糖可以更完全地消耗，从而导致乙醇浓度提高。

连续乙醇生产

使用固定化细胞进行连续乙醇生产是在串联生物反应器中进行的。发现底物、乙醇和游离细胞的浓度以及细胞死亡率随着稀释率的变化而变化。

这种现象可以用质量传递增强和细胞活性通过较低的乙醇浓度随着稀释率的增加而得到改善来解释。在 0.058 h-1 的稀释率下获得的最大乙醇产率为 97.63%。

观察到低搅拌和较高细胞浓度对乙醇生产具有积极影响。搅拌是发酵过程中一个非常重要的参数，直接干扰营养物质的吸收速率和氧气转移。搅拌提供更好的培养基均质化并维持细胞内部和外部之间的梯度，促进营养物质的进入和气体以及其他细胞分解代谢产物的排出。

连续乙醇生产的可行性

这种固定化增加了游离细胞的接触面积并改善了细胞的吸附，确保了高效的连续乙醇生产。此外，它还避免了使用钢丝网，从而降低了生产成本。通过切换生物反应器的流动方向，在整个过程中增强了细胞的活性，从而保持了长期稳定的发酵，而不会发生污染。总之，在 PBR 中使用固定化细胞进行连续乙醇生产的应用对于工业生产是可行的。

控制策略的影响

尽管连续乙醇生产提高了生产力和产量，但围绕发酵的可持续性和稳定性的问题仍然存在，限制了其应用。长期培养中营养不足和产物抑制，在最后一个生物反应器中，不仅导致酵母细胞活性下降，而且增加了细菌感染的风险。为了解决这个问题，一些人提高了曝气率以维持菌株的活性，而另一些人则补充了营养。

结论

发酵过程中的搅拌是影响固定化细胞生产乙醇的关键因素。该参数表明氧气对微生物的可用性和固定化载体的稳定性具有极其重要的意义。一种新型的具有高强度、强吸附性和完美传质的固定化介质被用作细胞固定化载体。

在分批发酵中，使用固定化细胞的乙醇产量与游离细胞发酵获得的产量相似。使用四个生物反应器的连续乙醇生产显示出更高的生产力，稀释率为 (0.092 h-1)。切换生物反应器的流动方向用于提高细胞活性并保持长期稳定的发酵，而不会发生污染，并且是一种有效的乙醇生产方法。