高濃度乙醇連續發酵系統振盪條件下動態動力學

《高濃度乙醇連續發酵系統振盪條件下動態動力學》是依託大連理工大學,由白鳳武擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高濃度乙醇連續發酵系統振盪條件下動態動力學
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：白鳳武

項目摘要

超高濃度（Very High Gravity,VHG）發酵可以顯著降低能耗，是糖質和澱粉質原料生產燃料乙醇技術開發的主要方向。然而釀酒酵母（Saccharomyce cerevisiae）在VHG條件下進行乙醇連續發酵時，呈現長周期、大振幅的振盪行為，不僅影響發酵系統的自身的性能，而且不利於乙醇精餾裝置的穩定運行。初步研究工作表明，誘發這一現象的機理是酵母胞內代謝對高濃度乙醇抑制的延遲反應，對在胞內代謝擬穩態假說前提下建立的酵母細胞糖酵解及相關代謝途徑通量分析模型的適用性提出了挑戰。本項目擬藉助LC-MS和GC-MS等現代分析技術手段，定量分析酵母細胞VHG乙醇連續發酵糖酵解及相關代解途徑的動態特徵，尋找關鍵酶並研究其對細胞乙醇抑制應激反應滯後調節的機制，構建動態代謝通量分析模型。在此基礎上，研究VHG乙醇連續發酵系統的動態動力學，為開發振盪行為前置干預調控策略奠定基礎。

結題摘要

乙醇是最重要的生物燃料，與汽油配混使用可以降低車輛尾氣有害組分，減輕對石油基燃料的依賴，促進經濟和社會的可持續發展。提高發酵過程終點乙醇濃度，不僅可以節省乙醇精餾能耗，而且減少廢糟液的排放，是燃料乙醇生產節能減排，降低成本的主要策略。然而，釀酒酵母高濃度乙醇連續過程誘發振盪行為，影響生產裝置的穩定運行。針對釀酒酵母高濃度乙醇連續發酵條件下誘發的振盪行為，提出了發酵過程逐漸積累的高濃度乙醇的抑制以及胞內代謝對這種抑制的延遲反映是誘發這一現象分子機理的科學假說。 基於高濃度乙醇發酵條件下底物糖的滲透壓脅迫與產物乙醇抑制偶聯的特點，首先通過分別向穩態運行的低濃度乙醇連續發酵系統分別添加釀酒酵母不能代謝利用的木糖和乙醇，模擬高濃度乙醇連續發酵工況條件，使酵母細胞經受的底物糖滲透壓脅迫和高濃度乙醇抑制解耦，在過程工程水平驗證了乙醇抑制是誘發釀酒酵母高濃度乙醇發酵系統振盪行為的根本原因，並推斷高濃度抑制性產物積累誘發振盪行為對微生物細胞連續培養與發酵過程具有普適性。建立了高濃度乙醇連續發酵系統振盪條件下釀酒酵母細胞內代謝活動快速淬滅後代謝物液質定量分析方法，深入研究了過程振盪完整周期內釀酒酵母細胞內代謝物組學和全局基因轉錄學特徵，藉助代謝通量分析構建了獨特的動態代謝網路，診斷了關鍵代謝途徑、酶和代謝物，並通過相位分析，比較了從上游糖的轉運和吸收到下游乙醇發酵生成的時間滯後，從分子水平驗證了關鍵代謝途徑對乙醇抑制回響的滯後。在此基礎上，建立了動態動力學模型。 研究工作取得的學術成果在Elsevier出版 SCI IF9.848的Biotechnology Advances及Springer出版SCI IF 6.444的Biotechnology for Biofuels等本領域高水平國際期刊正式發表論文六篇，為釀酒酵母高濃度乙醇連續發酵過程非穩態行為預測和前置干預策略創新技術開發奠定了科學基礎。