張昊 王德宇 張慶軍 陳亮(吉林燃料乙醇有限公司,吉林 吉林 132101)
酒精酵母菌的高密度培養(yǎng)及其發(fā)酵性能的研究
張昊 王德宇 張慶軍 陳亮(吉林燃料乙醇有限公司,吉林 吉林 132101)
通過(guò)對(duì)酒精酵母的高密度培養(yǎng)發(fā)酵技術(shù)及其發(fā)酵性能的研究,提高酵母細(xì)胞的酒精耐力,降低它的產(chǎn)物,進(jìn)而提高酒精的生產(chǎn)效率,這是發(fā)酵工業(yè)近幾年重要的研究方向之一,它推動(dòng)了國(guó)家綠色能源的發(fā)展,減少了環(huán)境的污染。實(shí)驗(yàn)通過(guò)三種方法研究對(duì)酒精酵母細(xì)胞生長(zhǎng)的影響因素。通過(guò)分批培養(yǎng)、分批補(bǔ)料培養(yǎng)和連續(xù)流加培養(yǎng)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明第二種和第三種方法更加有利于酒精酵母菌的高密度生長(zhǎng)。
酒精酵母菌;高密度培養(yǎng);發(fā)酵性能
酵母菌的快速生長(zhǎng)是當(dāng)代工藝技術(shù)水平的特征指標(biāo),也是工業(yè)酒精發(fā)酵的首選。酒精酵母的高密度培養(yǎng)和其發(fā)酵性能的研究成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。當(dāng)今社會(huì)上研究人員對(duì)酵母菌的研究并不少,但是對(duì)酵母菌高密度培養(yǎng)的報(bào)道卻不是很多。世界各國(guó)現(xiàn)在都在采用微生物發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行酵母菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),這是提高細(xì)胞密度的主要內(nèi)容,對(duì)減少環(huán)境的污染有重要意義。本文對(duì)酵母菌的高密度培養(yǎng)以及酒精酵母菌的發(fā)酵性能進(jìn)行研究。
菌種:酒精酵母、木薯淀粉
培養(yǎng)基:葡萄糖、甘氨酸、蛋白、酵母浸膏
流加培養(yǎng)基:葡萄糖、甘氨酸、蛋白、酵母浸膏
發(fā)酵培養(yǎng)基:木薯淀粉水解液、甘氨酸、酵母浸膏
搖瓶種子培養(yǎng)、分批培養(yǎng)、分批補(bǔ)料流加培養(yǎng)、恒速流加培養(yǎng)、循環(huán)酒精發(fā)酵
a.殘?zhí)菧y(cè)定法:DNS
b.乙醇濃度測(cè)定:采用FID檢測(cè)器
c.酵母細(xì)胞存活率測(cè)定:采用次甲基染色法和雪球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)法
d.酵母細(xì)胞濃度測(cè)定:采用干重法測(cè)定
分別取40g/L、60g/L、80g/L的濃度的葡萄糖藥瓶培養(yǎng)基,分別對(duì)酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行跟蹤。從結(jié)果中可以看出來(lái),培養(yǎng)基濃度在40g/L和60g/L時(shí)比80g/L濃度的生長(zhǎng)更早的達(dá)到細(xì)胞生物量積累的最高點(diǎn)。而且葡萄糖的濃度為60g/L的時(shí)候細(xì)胞生物量的底物轉(zhuǎn)化效率最高。
通過(guò)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)一定濃度的甘氨酸可以促使細(xì)胞生長(zhǎng)。當(dāng)甘氨酸的用量達(dá)到3g/ml細(xì)胞生物量提高到了20g/ml。與不加甘氨酸相比較,細(xì)胞濃度比現(xiàn)在提高了86.88%。而且酒精酵母細(xì)胞的存活率非常的高。所以可以得出添加適當(dāng)?shù)馗拾彼峥梢詫?duì)酒精酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)速度和密度積累有重要的幫助。
將三個(gè)發(fā)酵罐中的通氣量分別設(shè)定為不同的值。保持葡萄糖的濃度不變。在攪拌速度也不變的情況下分析酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通氣量低的與高的相比較細(xì)胞生物量增加了82.233%。但通氣量為1.5vvm時(shí),細(xì)胞的生長(zhǎng)量提高了13.09%。所以適當(dāng)?shù)耐庥兄诰凭湍妇纳L(zhǎng)和高密度培養(yǎng)。
通過(guò)對(duì)酒精酵母細(xì)胞的生長(zhǎng)和糖消耗的能量進(jìn)行定時(shí)的取樣檢測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)達(dá)到43小時(shí)后糖的消耗速率逐漸降低。細(xì)胞濃度也不在繼續(xù)升高,因?yàn)榕囵B(yǎng)基中碳源的濃度太高,使溶液的滲透壓也升高抑制了酵母菌的生長(zhǎng)。
細(xì)胞生長(zhǎng)的量隨著糖的消耗逐漸增加的時(shí)候,細(xì)胞的生物量達(dá)到了71.33克每毫升。所以與分批培養(yǎng)相比較,培養(yǎng)液中的細(xì)胞濃度提高了156.77%。
葡萄糖流加12小時(shí)速率為0.159g/L,45小時(shí)以后細(xì)胞積累量為75.01g/L,在這個(gè)過(guò)程中,葡萄糖有一定的積累量??梢缘贸觯毫骷优囵B(yǎng)過(guò)程中葡萄糖有過(guò)量累積,糖流加速率高于細(xì)胞吸收的速率。所以流加速率對(duì)酒精酵母菌生長(zhǎng)是有一定影響的。速率如果過(guò)慢,不利于實(shí)現(xiàn)酒精酵母細(xì)胞密度的培養(yǎng),并且,細(xì)胞快速生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求得到滿足。如果速率太快的話也會(huì)影響細(xì)胞對(duì)糖的吸收利用。葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)過(guò)度積累會(huì)引起細(xì)胞膜內(nèi)滲透壓升高,進(jìn)而影響酒精酵母菌的生長(zhǎng)速率。所以要適當(dāng)?shù)目刂坪昧骷铀俾省?/p>
在發(fā)酵罐中,可以研究出高密度酒精酵母的發(fā)酵性能。發(fā)酵四十小時(shí)以后如果發(fā)酵液的糖濃度和酒精濃度并沒(méi)有明顯的上下波動(dòng),就把發(fā)酵液過(guò)濾從發(fā)酵罐中拿出。將新鮮的發(fā)酵底物溶液用泵打入,隨后跟蹤檢測(cè)其參數(shù)變化,多次重復(fù)的進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),對(duì)酒精酵母高密度重復(fù)發(fā)酵生產(chǎn)酒精的能力進(jìn)行考察。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),高糖濃度對(duì)高密度酵母酒精發(fā)酵性能有很大的影響。將高密度培養(yǎng)的酒精酵母液加入,每個(gè)瓶子中加入相同體積的酵母液,跟蹤檢測(cè)它的變化??傻玫讲煌瑵舛染凭珜?duì)酵母的影響,對(duì)細(xì)胞的正常呼吸和代謝有抑制性作用。高密度酵母可忍受12%濃度的酒精。這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了酵母發(fā)酵時(shí)酒精的濃度只適合于在12%。高密度酵母發(fā)酵后,如果投入酒精生產(chǎn)過(guò)程的話可以重復(fù)使用。但如果重復(fù)到第七次的使用的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)酒精濃度仍然很高。如果使用次數(shù)增加的話可以發(fā)現(xiàn),細(xì)胞產(chǎn)生酒精的能力和速度明顯的下降,第九次重復(fù)使用以后酒精濃度降低到10%。因此可以確定高濃度酒精酵母活化重復(fù)使用的次數(shù)為七次。
高密度酒精酵母在發(fā)酵生產(chǎn)乙醇時(shí)可以使其濃度達(dá)到16.3%。普通的發(fā)酵時(shí)間可以縮短十二個(gè)小時(shí)。如果不經(jīng)過(guò)活化直接進(jìn)行循環(huán)讓酒精發(fā)酵的話,可以發(fā)現(xiàn),前四次使用時(shí)濃度保持在14%以上。如果使用次數(shù)在四次以上的話能力就會(huì)下降。但經(jīng)過(guò)活化的高密度酒精酵母菌可以重復(fù)七次的循環(huán)使用并能達(dá)到13%以上。實(shí)驗(yàn)證明了酵母活化的重要性。活化的酵母菌可以展示它良好的性能,這也為可重復(fù)循環(huán)發(fā)酵能力的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。
[1]朱作華,嚴(yán)理,李智敏,耐高溫、高濃度酒精酵母高密度培養(yǎng)條件優(yōu)化.《中國(guó)釀造》.2010.
[2]成少寧,許先猛,馬欣,廢糖液酒精發(fā)酵中酵母菌的分離、篩選和驗(yàn)證.《食品與發(fā)酵科技》.2016.