酵母固定化技术在燃料乙醇生产中的应用

刘利 中粮生物科技股份有限公司

固定化技术是在水不溶性载体上稳定和重复使用生物催化剂（细胞或酶）。固定化酵母可以提高反应系统中细胞的浓度，加速发酵，同时相比传统的游离细胞，底物和产物以减少对细胞的影响。持续发酵、循环利用、减少发酵的数量和生产成本；发酵周期缩短和生产力提高。固定化酵母技术也有局限性，如限制酵母的传播，用固体营养物质抑制酵母，但从长远来看，乙醇生产具有很高的增长潜力。

一、酵母固定化技术

根据酵母细胞的固定化方法，有吸附、包埋、膜隔离、絮凝法。根据固定化是否需要载体，可以将其分为载体和无载体固定化方法。

1.吸附法。在吸收方法中，酵母细胞通过其自身的静力、疏水或与支共价的功率吸附在面上。由于酵母在载体表面形成膜，因此生物膜法中使用的载体大多是高纤维、高粱渣、橘皮等。对酵母没有毒性作用。另一方面，酵母细胞和载体表面和本身都是有基因的，但不是用来抑制酵母的生长。但酵母和细胞层的产生却不是自发，因为酵母厚度不均匀。此外，酵母干细胞容易减少，因为吸收力较低，酵母与载体之间没有障碍。因此，有必要进一步研究酵母干细胞的表面特性和吸收机制，以优化其吸收性能。

2.包埋法。是一种固定化多孔细胞或复合材料的方法。细胞固定化有两种主要类型：多孔物质中细胞的增加和多端口材料中真菌的产生，最终受到空间限制。聚氨酯泡沫塑料、泡沫塑料、沸点和陶瓷是常见的固体材料。另一种方法是在亲水性聚酰胺中将细胞包裹。所选塑料材料包括透明氯化钠、琼脂、角叉（菜）胶、聚丙烯酰胺等。包埋法减少了基本产品和产品对酵母的抑制，也减少了酵母中的分裂细胞数量，因为酵母可以准确地包埋介质，但是，细胞储存常常会阻碍传统的酵母代谢，变化包埋介组织结构周期、基本模式的传播和酵母的分布。此外，包埋介质费用昂贵，难以回收。

3.膜隔离。一种固定的方法，可使用半透明酶将细胞从发酵中分离出来。当球状制造分离时，它被称为微胶囊，由于传质瓶颈、膜堵塞和生产成本高，使用的乙醇较少。但是，一些研究者也进行了研究。

4.絮凝法。是一种固定化无载体方法，絮凝颗粒利用细胞间吸附形成。关于絮凝机制，絮凝是一个不可逆和无菌的过程。絮凝机理可分为两类：第一类是细胞表面的团聚体和相邻细胞表面的甘油相结合形成的絮凝；另一种是由于吸附在细胞表面或疏水肽引起的絮凝，用絮凝剂编码的酵母表面蛋白与絮凝效果有关。人们还发现，自然界酵母菌株FLO1 基因仍处于快速进化阶段。此外，对于某些低絮凝性或低絮凝性酵母，有时可以添加助凝剂或交联剂，以促进絮凝，这种方法称为交联法。自絮凝形式的无载体固定化比载体固定化具有许多重要优势，例如，通过消除固定媒体来降低生产成本；固定简单，降低细菌感染风险；絮凝颗粒结构松散，无代谢抑制或转运限制。酵母保持高代谢活性；絮凝颗粒中细菌与絮凝颗粒之间存在动态平衡，稳定絮凝性能。因此，在酿酒中使用絮凝酵母有着悠久的历史。但是，酵母冷凝的深层机理尚未确定，酵母冷凝与许多因素有关，在复杂的环境中，酵母极大地影响絮凝的发酵和发酵时间。直接决定发酵效果。因此，有必要进一步研究酵母的絮凝机理，达到调节其絮凝特性的水平；此外，基因工程技术可用于制造适合工业生产的工程测量仪器。

二、固定化对酵母的影响

自从酵母细胞发展初期，不同研究显示某些酵母细胞和酵素细胞的生物特征及代谢活动有很大的差异。同时，稳定酵母与自由酵母的生理生化特性不同，使其在极端环境下具有不同的应激能力。

1.生理代谢状态。固定化酵母可以对酵母的形状、细胞内渗透性、pH 值、细胞膜渗透性等产生许多影响，破坏酵母原有的生物和生化平衡，导致临界酶活性的波动、相容溶液的出现和细胞周期的变化。结果表明固定酵母细胞含有较多多糖。同时，细胞中DNA、RNA 和蛋白质的种类和浓度差异很大。人们认为这是由于固定对酵母正常细胞周期的影响。结果表明，固定酵母生产乙醇的速度比自由酵母快，磷酸盐基激酶活性和ATP 基酶活性均较高。自絮凝酵母细胞膜饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比值高于游离酵母，前者的酶活性高于游离酵母。

2.抗胁迫能力。固定化酵母生物和生化特性的变化不可避免地导致其适应环境的变化。混合自絮凝酵母菌层及其亲本菌株被置于乙醇溶液中相同浓度进行冲击试验。结果表明，自絮凝提升层的融合更能抵抗乙醇胁迫。与此同时，研究表明，固定可以提高凸轮在低温和高渗透性下的抗压性。稳定酵母之所以更能适应艰苦环境，是因为固定培养环境的微内部环境产生的高渗透性压力在酵母细胞（甘油）的溶解度中起着重要作用。结果表明，絮凝酵母在乙醇发酵初期，海藻糖含量、ATP 质量膜酶活性和细胞膜渗透性发生了显著变化。固定凸轮也可能导致这些变化，从而提高其强度。

三、发酵工艺

在燃料乙醇的研究和生产中，发酵过程逐渐从传统的转变为连续发酵，酵母的固定化技术可以大大提高燃料乙醇生产过程中连续发酵储存的效率，使连续发酵的细胞固定化相结合。

1.反应器流化床。具有操作连续、细菌污染风险低、剪切速率低、传热效果好等优点。但是，这些反应器需要固定化的基本密度和低密度的酵母，这可能导致能源消耗增加、酵母周期改变、分布不均甚至洗出。

2.气升式反应器。具有以下优点：抗菌强度高、流动性均匀、结构简单、卫生死角少、功耗低。当用气升式反应器处理燃料乙醇中的酶时，固定化的密度应接近发酵通量的密度。应当指出，发酵颗粒与其他稳态营养物质相比密度较低，机械强度较低，形状不规则，因此只能用于软酵母中的悬浮发酵。为此，气升式反应器特别适用于利用自絮凝酵母生产乙醇。在小型实验室和大型工厂，利用磷酸盐酵母在多级串联反应器中继续发酵酶。

3.填充床反应器。可提供低返混、简单结构和载体机磨损等优点。但是，其缺陷，例如不可更换的固体催化剂容易导致风管或风管，传热效果差。此外，填充床反应器中使用的固定化介质不可压缩。

4.搅拌反应器配备搅拌装置，质量和传热性能较好。但是，搅拌可能会产生很大的剪切力，因此在固定构造环境中需要一定的机械力，否则在固定构造环境中可能会产生机械磨损，从而导致酵母泄漏。

固体酵母制备乙醇有许多优点，前景广阔。但是，固定化介质的选择、技术建设的扩大和生产成本的提高限制了固定酵母技术在乙醇生产中的广泛应用。今后的任务包括：利用基因工程方法建造能提高吸力和发酵性能的动力装置；开发新的、低成本的、固定化介质；修改现有的固定化介质；改进现有的或开发新的固定化介质；分子生物技术通常用于研究酵母在絮凝机理的作用，可以构建或筛选具有发酵特性的絮凝酵母菌层，并将其作为载体。因此，我们研究酵母的生物化学特性，这些酵母在发酵过程中是稳定的，转移、热力、反应器内流体特性，基于此，我们试图优化生物反应器的设计，使其在基质的发酵和产物中接合。固定技术深入酵母上的研究，该技术将逐步进入燃料型乙醇工业生产，促进燃料型乙醇工业的迅速发展。