固定化細胞發酵生產化學品和燃料

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關鍵詞

酵母，乙醇，填充床反應器，連續發酵，備選控制策略，生物乙醇，細胞固定化，稀酸水解。

介紹

固定化細胞發酵技術討論了固定化對細胞生理、代謝、遺傳和發酵行為的影響，以及各種型別的固定化細胞生物反應器系統及其在發酵中的應用。生物乙醇是一種來自不同種類可再生原料的可再生燃料，例如甘蔗、玉米、小麥、木薯和纖維素生物質。

為了最佳化發酵過程，已經開發了各種固定化細胞生物反應器。固定化細胞目前正用於工業生產醋、有機物和氨基酸，以及廢水處理。細胞固定化在乙醇生產中應用的各種方法。

已經嘗試在各種型別的生物反應器中利用固定化酵母和細菌細胞進行乙醇生產。固定化細胞系統乙醇生產力的實質性提高表明，乙醇和酒精飲料生產的未來發展將轉向利用固定化細胞系統。

在反應器中進行酵母細胞固定化，以研究載體容積容量以及不同發酵模式對燃料乙醇生產的影響。固定化細胞發酵的生產力比懸浮細胞發酵高 16%。

一種採用新型固定化方法的有效乙醇生產方法，透過切換流動方向，可以極大地改進傳統的連續發酵，這可能對工業應用具有實際和廣泛的影響。

細胞固定化

細胞固定化在填充床反應器 (PBR) 中進行，該反應器包括兩個主要部分：固定化填料和一個 20 L 的迴圈罐，直徑為 14 釐米，高度為 33 釐米。此前，螺旋纏繞載體已被用於固定化細胞；然而，由於液體垂直流動，與載體表面的接觸減少，因此固定化速率降低。

將棉纖維片材填充到多孔空心球中，增加了遊離細胞的接觸面積，同時減少了鋼絲網的使用。遊離細胞濃度取決於吸附時間和使用的載體數量。

載體上吸附的細胞數量大致等於先前描述的懸浮細胞濃度降低。發現所有實驗組中懸浮細胞的濃度在最初的 30 小時內下降，這種下降似乎與新增的不同載體數量有關。

分批和重複分批發酵

固定化細胞的重複分批同時糖化發酵 (SSF) 也在固定化過程後的 20 L PBR 中進行，其中 16 L 相同的發酵培養基新增到反應器中。發酵條件與遊離細胞發酵中使用的條件相同。在每個批次的結束時，由還原糖水平降至低於 1 g/l 定義，發酵液被去除，新增相同量的鮮培養基，並啟動下一批。

固定化細胞用於 6 個連續批次。定期收集樣品並分析乙醇生產產量和還原糖。為了評估固定化酵母細胞應用的價值，我們將其與傳統發酵技術進行了比較。

我們發現，固定化酵母發酵中殘留總糖和還原糖的消耗速率以及乙醇的生產速率均快於遊離細胞發酵，尤其是在早期階段。固定化細胞在第一批中的乙醇產量與遊離細胞發酵的乙醇產量相似，而在後續批次中，固定化細胞發酵的平均產量高於遊離細胞發酵獲得的產量，這很可能是由於殘留總糖和遊離細胞的濃度較低。

此結果可以透過以下事實來解釋：固定化酵母細胞在乙醇生產中可以克服先前報道的產物抑制，並且糖可以更完全地消耗，從而導致乙醇濃度提高。

連續乙醇生產

使用固定化細胞進行連續乙醇生產是在串聯生物反應器中進行的。發現底物、乙醇和遊離細胞的濃度以及細胞死亡率隨著稀釋率的變化而變化。

這種現象可以用質量傳遞增強和細胞活性透過較低的乙醇濃度隨著稀釋率的增加而得到改善來解釋。在 0.058 h-1 的稀釋率下獲得的最大乙醇產率為 97.63%。

觀察到低攪拌和較高細胞濃度對乙醇生產具有積極影響。攪拌是發酵過程中一個非常重要的引數，直接干擾營養物質的吸收速率和氧氣轉移。攪拌提供更好的培養基均質化並維持細胞內部和外部之間的梯度，促進營養物質的進入和氣體以及其他細胞分解代謝產物的排出。

連續乙醇生產的可行性

這種固定化增加了遊離細胞的接觸面積並改善了細胞的吸附，確保了高效的連續乙醇生產。此外，它還避免了使用鋼絲網，從而降低了生產成本。透過切換生物反應器的流動方向，在整個過程中增強了細胞的活性，從而保持了長期穩定的發酵，而不會發生汙染。總之，在 PBR 中使用固定化細胞進行連續乙醇生產的應用對於工業生產是可行的。

控制策略的影響

儘管連續乙醇生產提高了生產力和產量，但圍繞發酵的可持續性和穩定性的問題仍然存在，限制了其應用。長期培養中營養不足和產物抑制，在最後一個生物反應器中，不僅導致酵母細胞活性下降，而且增加了細菌感染的風險。為了解決這個問題，一些人提高了曝氣率以維持菌株的活性，而另一些人則補充了營養。

結論

發酵過程中的攪拌是影響固定化細胞生產乙醇的關鍵因素。該引數表明氧氣對微生物的可用性和固定化載體的穩定性具有極其重要的意義。一種新型的具有高強度、強吸附性和完美傳質的固定化介質被用作細胞固定化載體。

在分批發酵中，使用固定化細胞的乙醇產量與遊離細胞發酵獲得的產量相似。使用四個生物反應器的連續乙醇生產顯示出更高的生產力，稀釋率為 (0.092 h-1)。切換生物反應器的流動方向用於提高細胞活性並保持長期穩定的發酵，而不會發生汙染，並且是一種有效的乙醇生產方法。