氧化还原电位调控混合糖为底物的丁醇发酵

控制丁醇发酵过程中的氧化还原电位(oxidoreduction potential,ORP)能够大幅提高丁醇产量和果糖利用率,并降低终点有机酸浓度。实验考察了以葡萄糖和果糖混合糖为底物,通过泵入无菌空气控制ORP分别不低于-490、-460、-430及-400 mV丁醇发酵情况。其中,控制ORP不低于-460 mV时,丁醇和总溶剂产量分别达到13.19 g·L-1及19.71 g·L-1,相对于不控制ORP的丁醇自然发酵分别提高了139.38%及117.07%,残糖浓度降低至3.20 g·L-1,糖利用率高达94.18%。该调控策略有效地解决了以葡萄糖和果糖混合糖为底物的丁醇发酵过程中存在的残糖浓度高、丁醇产量低的问题。     

ORP调控对葡萄糖和果糖混合底物丁醇发酵的影响

采用氧化还原电位(oxidoreduction potential,ORP)调控以模拟菊芋块茎酸解液(葡萄糖和果糖混合糖)为底物进行的丙酮丁醇发酵过程,能够有效控制"酸崩溃"现象的发生。已通过实验确定最佳调控策略为控制整个发酵过程的ORP不低于-460mV。本研究在最佳调控策略下,发酵终点丁醇浓度从3.39g/L提高到11.65g/L,残糖浓度从30.82g/L降低到1.38g/L。对比ORP调控组和对照组发现,ORP调控能够改变发酵过程中细胞内还原力水平,能量状态和代谢流向,因此ORP调控能有效防止"酸崩溃"现象发生,调节菌体生长和溶剂产量。ORP调控策略应用于以葡萄糖和果糖混合糖为底物的丁醇发酵具有操作可行性,是一种简便而有效的工艺优化手段。     

基于果糖与葡萄糖不同混合比例的丙酮丁醇发酵

介绍了以不同底物的丁醇发酵结果,阐述了在以55g/L葡萄糖与果糖（1∶4）混合糖模拟菊芋物料为底物的丁醇发酵过程中存在果糖利用及丁醇产量较低等问题,研究了基于葡萄糖与果糖不同混合比例（1∶2、2∶3、3∶2及3∶1）的丁醇发酵性能。研究结果说明了随着混合比例提高,发酵时间由76h缩短至48h,菌体最大生物量OD620由2.1提高至4.3,而当葡萄糖与果糖混合比例为1∶2时,发酵过程中菌体细胞对果糖代谢能力最佳,且终点残糖浓度仅为2.1g/L,果糖利用效率达到95.03%,丁醇及总溶剂产量分别达到9.7g/L与16.0g/L。     

ORP调控对马克斯克鲁维酵母发酵纤维素水解液的影响

采用通气的方式进行氧化还原电位（oxidation-reduction potential,ORP）调控,研究在添加抑制物条件下Kluyveromyces marxianus 1727-5利用葡萄糖、木糖以及两者混合体系的发酵性能,在此基础上考察了ORP调控策略对玉米秸秆水解液发酵的影响。研究结果表明：在调控ORP策略下,多种混合抑制物对酵母生长代谢造成的损害得以有效改善,细胞活性高,木糖、葡萄糖代谢速率加快。葡萄糖与木糖共发酵时,ORP调控至-150 mV时,葡萄糖发酵时间缩短近30%,木糖醇浓度由3 g·L^-1增加到10 g·L^-1。ORP调控策略也同样能有效缓解玉米秸秆水解液中较高浓度的多种抑制物对酵母细胞的胁迫,ORP为-100 mV时,相比于对照组,在保持终点乙醇不变的情况下,葡萄糖的发酵时间缩短了22%;木糖消耗由4.88 g·L^-1增至10.27 g·L^-1,木糖醇得率也由0.20 g·g^-1提高至0.48 g·g^-1。     

氧化还原电位控制下自絮凝酵母高浓度乙醇发酵

控制自絮凝酵母高浓度乙醇发酵过程的氧化还原电位（oxidoreduction potential, ORP）能降低环境胁迫对细胞的影响,提高乙醇生产强度和乙醇收率。实验考察了初始糖浓度为200、250、300 g·L^-1及ORP控制为-100、-150 mV和不控制的乙醇发酵情况。结果表明控制ORP的发酵过程,生物量和细胞存活率均高于不控制的系统,相应的发酵速度得到了提高,但是乙醇对糖的收率存在最优值。在实验设定初始糖浓度最高的300 g·L^-1的发酵过程中,控制ORP为-150 mV时,取得了最大的净乙醇生成量和乙醇对糖的收率。ORP控制改变了絮凝颗粒的粒径分布,运用多元线性拟合,发现ORP对絮凝的影响是正向的。ORP改变了发酵液中生物量及代谢物的浓度而间接影响了细胞的絮凝状况。     

自产气气提与纤维床反应器耦合发酵生产丁醇

采用发酵产物中的二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）作为循环气提气源,对丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum CGMCC 5234）发酵产物进行原位气提,实现丙酮、丁醇和乙醇混合物（ABE）的连续纤维床固定化发酵生产。连续发酵实验进行了12批次共309 h,总溶剂ABE当量浓度为133.3 g·L^-1（其中丁醇 83.5 g·L^-1,丙酮38.4 g·L^-1,乙醇11.4 g·L^-1）,葡萄糖消耗率为1.29 g·（L·h） ^-1,总溶剂ABE产率为0.431 g·（L·h） ^-1,转化率为0.333 g·g^-1,其中丁醇产率为0.270 g·（L·h） ^-1,转化率为 0.209 g·g^-1,发酵液中丁醇浓度控制在8～12 g·L^-1,显著优于游离发酵的结果。气提提取之后冷凝的ABE溶液出现分层现象,其中丁醇相丁醇浓度高达603.7 g·L^-1,极大地减缓后续分离提纯的负担。结果表明,自产气循环气提与纤维床固定化耦合连续发酵生产ABE（特别是丁醇）的工艺具有可行性和竞争力。     

不同C源对丙酮丁醇梭菌产丁醇的影响

对丙酮丁醇梭菌在以葡萄糖、木糖、蔗糖、混合糖、玉米芯酸解糖液分别作C源的P2培养基中的产丁醇状况进行研究。结果表明:不同C源对丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇有显著的影响;葡萄糖为底物时,丁醇产量最高达到13.50 g/L,总溶剂为19.66 g/L;蔗糖为底物时,丁醇所占比例都在70%以上,丁醇产量可达12 g/L;木糖、混合糖为底物时,丁醇产量在10 g/L左右;只有丙酮丁醇梭菌I4-28能利用玉米芯酸解糖液发酵产丁醇,丁醇产量为7 g/L。     

Zn2+、Ca2+和Mn2+对丙酮丁醇发酵的协同影响

在丙酮丁醇发酵中共同添加0.001g/L ZnSO₄·7H₂O和4.0g/L CaCO₃时,丁醇及总溶剂产量达到14.41g/L和23.69g/L,发酵终点乙酸和丁酸浓度为2.33g/L和1.02g/L。当共同添加0.001g/L ZnSO₄·7H₂O、4.0g/L CaCO₃和0.8g/L MnSO₄·H₂O时,丁醇的比生成速率为0.48g/(g·h),相对于共同添加Zn²⁺和Ca²⁺条件下的丁醇比生成速率0.23g/(g·h)提高了108.69%,而发酵终点乙酸和丁酸浓度分别为1.99g/L和0.54g/L,同比分别降低了14.59%和47.06%。Zn²⁺、Ca²⁺和Mn²⁺ 3种金属离子对丙酮丁醇发酵具有正向协同调控作用。     

聚偏氟乙烯/聚二甲基硅氧烷渗透气化膜在丁醇分离中的应用

通过相转化法制备PVDF多孔支撑膜,在其上涂覆致密的PDMS分离层制备得到PVDF/PDMS复合膜,用于丁醇的分离纯化。以丁醇水溶液为原料液,流速为1.6 L·min^-1,丁醇浓度为15 g·L^-1,温度为37℃时, PVDF/PDMS复合膜的总通量为158.2 g·m^-2·h^-1,分离因子为17.3。向丁醇水溶液中按丁醇：丙酮：乙醇比例为6：3：1添加丙酮和乙醇模拟发酵液,PVDF/PDMS复合膜的总通量升高到189.5 g·m^-2·h^-1,分离因子降低到14.8。进一步考察了以丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵液为原料液的渗透气化膜分离性能,发酵液中不存在菌体时,PVDF/PDMS复合膜的总通量和分离因子分别为120.2 g·m^-2·h^-1和19.7,而菌体存在时,复合膜的总通量和分离因子分别为122.1 g·m^-2·h^-1和16.7。与PDMS均质膜相比,PVDF/PDMS复合膜在丁醇分离过程中的分离性能有了显著的提升, 具有潜在的应用价值。     

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。     

氧化还原电位控制的自絮凝酵母自动重复批次发酵

引言随着石油资源的日益减少和环境污染的逐渐加剧,使用可再生的清洁能源已经是世界各国的共识。在众多形式的非矿物质能源中,基于生物质的燃料乙醇已得到了广泛的应用[1]。但是,由于生产成本较高,各国的燃料乙醇生产大都依靠着政策扶植和税收优惠[2]。因此,看似十分"成熟"的乙醇生产产业,仍然需要进一步开发降低成本的创新技术[3]。近些年来,通过基因工程手段改造菌种[4]、     

嗜盐单胞菌利用乙酸盐合成PHB的研究

首先测试了嗜盐单胞菌Halomonas sp.TD1.0对乙酸钠的耐受性,结果显示乙酸钠浓度由25 g·L^-1提高到100 g·L^-1时对TD1.0生长的抑制率只有45.8%。在摇瓶培养中,TD1.0在36 h内消耗完27.3 g·L^-1乙酸钠,细胞干质量达到9.6 g·L^-1,其中PHB质量分数为61%,表明该菌株具有很好的高浓度乙酸钠耐受性和利用乙酸合成PHB的特性。随后为进一步提高乙酸钠的利用速度,在TD1.0中分别用高拷贝和低拷贝表达载体表达了来自枯草芽孢杆菌的乙酰辅酶A合成酶基因acs,结果显示,含有高拷贝表达质粒的菌株TD-PN59的乙酸盐平均利用速率为0.91 g·L^-1·h^-1,比 TD1.0提高了19.7%。TD-PN59的细胞干质量和PHB质量分数分别达到9.98 g·L^-1和65%,PHB产量达到6.49 g·L^-1,比TD1.0提高了约10.8%。在以葡萄糖和乙酸钠为混合碳源(10 g·L^-1 Glu和10 g·L^-1 NaAC)的培养基中,利用低拷贝载体表达acs的TD-PN85菌株的乙酸钠利用速率显著高于TD1.0,并且在一定程度上缓解了碳分解代谢物阻遏现象(CCR),促进了葡萄糖和乙酸钠的共利用。     

离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐对酿酒酵母AY93161的毒性及其酒精发酵过程的影响

为了考察离子液体在由木质纤维原料制备可发酵糖中的残留对后续酒精发酵过程的影响,对离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim]Ac)对酿酒酵母AY93161的毒性及其酒精发酵过程的影响进行研究。通过亚甲基蓝染色,利用OLYMPUS CX41显微镜观察不同[Emim]Ac浓度下对数生长期酵母细胞的形态结构,出芽情况及代谢活性,发现在[Emim]Ac浓度高于5 g·L^-1时,酵母细胞的形态结构会发生变化,在[Emim]Ac浓度高于0.1 g·L^-1时,随着[Emim]Ac浓度的增加,酵母的出芽速率及代谢活性降低。通过平板培养和液体悬浮培养测得[Emim]Ac对酵母的半有效浓度EC50和半抑制浓度IC50分别为4.45、7.70 g·L^-1。通过测定不同[Emim]Ac浓度下酵母酒精发酵的过程数据,发现在[Emim]Ac浓度低于0.1 g·L^-1时,对酵母酒精发酵过程几乎无影响,在[Emim]Ac浓度高于0.1 g·L^-1时,对酵母酒精发酵有抑制作用,[Emim]Ac对酵母酒精发酵的抑制作用主要是由其对菌体生长的抑制所致。     

Optimizational production of phenyllactic acid by a Lactobacillus buchneri strain via uniform design with overlay sampling methodology

A Lactobacillus buchneri GBS3 strain isolated from the traditional Chinese pickles was used for the production of 3-phenyllactic acid(PLA), an important compound with antimicrobial activities against a wide species of grampositive and gram-negative bacteria and some fungi. The growth performance of this strain in the de Man, Rogosa and Sharpe(MRS) medium, the production of metabolites of valuable organic acids, and the biosynthesis of PLA using this strain as the whole-cell biocatalyst and phenylpyruvic acid(PPA) as the precursor, were investigated experimentally. The uniform design method with overlay sampling was developed for the optimization of the biotransformation conditions. The results showed that although it produced naturally lactic acid with the maximum concentration of 1.84 g·L~(-1) and PLA with the concentration of 0.015 g·L~(-1) after 66 to 72 h cultivation in MRS broth by fermentation, the present strain displayed an effective utilization ability by transforming PPA to PLA. By the uniform design method with overlay sampling for the design and optimization of transformation conditions, a maximum yield of 10.93 g·L~(-1) PLA with the mole conversion ratio of 83.07% from PPA to PLA was achieved under the optimized condition, i.e., 20 g·L~(-1) glucose, 270 g·L~(-1) cells, 13 g·L~(-1) PPA, pH 8.0 and the reaction time of 15 h, indicating that Lactobacillus buchneri GBS3 was an interesting strain for the biosynthesis of PLA via the microbial transformation. The prediction of PLA yield under different conditions was achieved successfully based on the limited information of only a small number of experiments by the uniform design with overlay sampling. Therefore, the present methodology is effective and helpful for the optimization of the biosynthesis processes of PLA.     

Enhanced production of glycyrrhetic acid 3-O-mono-β-D-glucuronide by fed-batch fermentation using p H and dissolved oxygen as feedback parameters

Glycyrrhetic acid 3-O-mono-β-D-glucuronide(GAMG), the major functional ingredient in licorice, has widespread applications in food, pharmacy and cosmetics industry. The production of GAMG through Penicillium purpurogenum Li-3 cultivation was for the first time performed through both batch and fed-batch processes in bioreactors. In batch process, under optimal conditions(p H 5.0, temperature 32 °C, agitation speed 100 r·min-1), 3.55 g·L-1GAMG was obtained in a 2.5 L fermentor. To further enhance GAMG production, a fine fed-batch process was developed by using p H and DO as feedback parameters. Starting from 48 h, 100 ml 90 g·L-1substrate Glycyrrhizin(GL) was fed each time when p H increased to above 5.0 and DO was increased to above 80%. This strategy can significantly enhance GAMG production: the achieved GL conversion was 95.34% with GAMG yield of 95.15%, and GAMG concentration was 16.62 g·L-1which was 5 times higher than that of batch. Then, a two-step separation strategy was established to separate GAMG from fermentation broth by crude extraction of 15 ml column packed with D101 resin followed by fine purification with preparative C18 chromatography. The obtained GAMG purity was 95.79%. This study provides a new insight into the industrial bioprocess of high-level GAMG production.