不同浓度蔗糖乙醇分批发酵过程及其动力学研究

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微生物发酵是一个动态变化的过程,为了找到蔗糖乙醇分批发酵过程中的主要规律,本文首先使用荧光桃红B建立了检测酵母细胞的活性与活力的方法,然后将其应用到不同浓度蔗糖乙醇分批发酵过程中,探究发酵过程规律并相应建立发酵动力学方程,主要结果如下:(1)在荧光桃红B染液浓度为10μg/m L,接触时间5 min,接触温度25℃时所测得酵母细胞稀释液OD值为0.24-0.952范围的结果与美兰法计数结果接近,说明荧光桃红B法可鉴别酵母细胞的死活且可同时测定酵母细胞的总细胞数及死、活细胞数。对荧光桃红B可见光扫描发现其在535 nm具有最大吸收峰,并且在此波长下细胞荧光桃红B吸附染料的量与细胞数呈线性关系,死细胞数越多,对染料的相对吸附量就越大,相对活力就越小;葡萄糖浓度200 g/L乙醇分批发酵过程中相对活力先升高后降低,12 h达到最高。选取五个时间点8 h、10 h、12 h、14 h、16 h的发酵液按一次性添加100 g/L葡萄糖进行补料分批发酵,发现12h的酵母细胞活力最高,乙醇产出最多142.02 g/L,发酵效率最高89.99%。(2)不同浓度g/L(180、220、260、300、340)蔗糖乙醇分批发酵中酵母快速生长期为0 h-9 h,酵母生长进入平稳期后维持的时间随着初蔗糖浓度的提高而缩短,细胞主活力期随着初蔗糖浓度提高而往后延迟。乙醇生成趋势大致相同,在蔗糖浓度小于260 g/L时,乙醇生成量在3 h之后快速增加,而当蔗糖浓度≥260 g/L时,乙醇生成量快速增加的时间段是6 h之后,五组实验的最大乙醇生成速率均发生在细胞活力最高的时候,并且高浓度蔗糖发酵过程中有相当一部分的总糖需要在酵母生长稳定期转化为乙醇。五组不同浓度蔗糖在发酵过程中几乎全部水解完全(100%-99.94%),在15 h之前,每组浓度的蔗糖都属于快速水解阶段,且最大水解速率没有很大的变化;葡萄糖利用率(99.81%-90.04%)始终大于果糖利用率(91.41%-62.18%);总糖实际消耗量在增加,但是利用率在减小。总的来说,在低浓度蔗糖乙醇发酵过程中,酵母细胞高活力维持时间久,蔗糖水解、总糖消耗、乙醇生成主要发生在细胞快速生长期中,高活力细胞有助于减小果糖与葡萄糖利用差异性;在高浓度蔗糖发酵中,细胞高活力较低且延迟,维持时间短,乙醇生成主要发生在快速生长期之后,终了乙醇浓度增加幅度小,实际总糖消耗量降低,细胞葡萄糖与果糖利用差异性大,残果糖量增加,导致发酵效率降低。最终,五组蔗糖浓度的总糖发酵效率依次是85.89±2.33%、88.57±1.31%、77.06±1.17%、70.25±2.30%、64.06±0.71%。(3)应用Logistic方程和Luedeking-Piret-like方程建立不同浓度(180、220、260、300、340)g/L蔗糖乙醇分批发酵过程中酵母生长、乙醇生成和总糖消耗的动力学模型,通过数学计算推理并将方程利用Origin 9.5对实验数据进行非线性拟合,得到模型预测值与试验真实值拟合度绝大部分>0.99,拟合结果较好,证明动力学方程可靠。
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