酵母固定化技術在燃料乙醇生產中的應用

劉利 中糧生物科技股份有限公司

固定化技術是在水不溶性載體上穩定和重復使用生物催化劑（細胞或酶）。固定化酵母可以提高反應系統中細胞的濃度，加速發酵，同時相比傳統的游離細胞，底物和產物以減少對細胞的影響。持續發酵、循環利用、減少發酵的數量和生產成本；發酵周期縮短和生產力提高。固定化酵母技術也有局限性，如限制酵母的傳播，用固體營養物質抑制酵母，但從長遠來看，乙醇生產具有很高的增長潛力。

一、酵母固定化技術

根據酵母細胞的固定化方法，有吸附、包埋、膜隔離、絮凝法。根據固定化是否需要載體，可以將其分為載體和無載體固定化方法。

1.吸附法。在吸收方法中，酵母細胞通過其自身的靜力、疏水或與支共價的功率吸附在面上。由于酵母在載體表面形成膜，因此生物膜法中使用的載體大多是高纖維、高粱渣、橘皮等。對酵母沒有毒性作用。另一方面，酵母細胞和載體表面和本身都是有基因的，但不是用來抑制酵母的生長。但酵母和細胞層的產生卻不是自發，因為酵母厚度不均勻。此外，酵母干細胞容易減少，因為吸收力較低，酵母與載體之間沒有障礙。因此，有必要進一步研究酵母干細胞的表面特性和吸收機制，以優化其吸收性能。

2.包埋法。是一種固定化多孔細胞或復合材料的方法。細胞固定化有兩種主要類型：多孔物質中細胞的增加和多端口材料中真菌的產生，最終受到空間限制。聚氨酯泡沫塑料、泡沫塑料、沸點和陶瓷是常見的固體材料。另一種方法是在親水性聚酰胺中將細胞包裹。所選塑料材料包括透明氯化鈉、瓊脂、角叉（菜）膠、聚丙烯酰胺等。包埋法減少了基本產品和產品對酵母的抑制，也減少了酵母中的分裂細胞數量，因為酵母可以準確地包埋介質，但是，細胞儲存常常會阻礙傳統的酵母代謝，變化包埋介組織結構周期、基本模式的傳播和酵母的分布。此外，包埋介質費用昂貴，難以回收。

3.膜隔離。一種固定的方法，可使用半透明酶將細胞從發酵中分離出來。當球狀制造分離時，它被稱為微膠囊，由于傳質瓶頸、膜堵塞和生產成本高，使用的乙醇較少。但是，一些研究者也進行了研究。

4.絮凝法。是一種固定化無載體方法，絮凝顆粒利用細胞間吸附形成。關于絮凝機制，絮凝是一個不可逆和無菌的過程。絮凝機理可分為兩類：第一類是細胞表面的團聚體和相鄰細胞表面的甘油相結合形成的絮凝；另一種是由于吸附在細胞表面或疏水肽引起的絮凝，用絮凝劑編碼的酵母表面蛋白與絮凝效果有關。人們還發現，自然界酵母菌株FLO1 基因仍處于快速進化階段。此外，對于某些低絮凝性或低絮凝性酵母，有時可以添加助凝劑或交聯劑，以促進絮凝，這種方法稱為交聯法。自絮凝形式的無載體固定化比載體固定化具有許多重要優勢，例如，通過消除固定媒體來降低生產成本；固定簡單，降低細菌感染風險；絮凝顆粒結構松散，無代謝抑制或轉運限制。酵母保持高代謝活性；絮凝顆粒中細菌與絮凝顆粒之間存在動態平衡，穩定絮凝性能。因此，在釀酒中使用絮凝酵母有著悠久的歷史。但是，酵母冷凝的深層機理尚未確定，酵母冷凝與許多因素有關，在復雜的環境中，酵母極大地影響絮凝的發酵和發酵時間。直接決定發酵效果。因此，有必要進一步研究酵母的絮凝機理，達到調節其絮凝特性的水平；此外，基因工程技術可用于制造適合工業生產的工程測量儀器。

二、固定化對酵母的影響

自從酵母細胞發展初期，不同研究顯示某些酵母細胞和酵素細胞的生物特征及代謝活動有很大的差異。同時，穩定酵母與自由酵母的生理生化特性不同，使其在極端環境下具有不同的應激能力。

1.生理代謝狀態。固定化酵母可以對酵母的形狀、細胞內滲透性、pH 值、細胞膜滲透性等產生許多影響，破壞酵母原有的生物和生化平衡，導致臨界酶活性的波動、相容溶液的出現和細胞周期的變化。結果表明固定酵母細胞含有較多多糖。同時，細胞中DNA、RNA 和蛋白質的種類和濃度差異很大。人們認為這是由于固定對酵母正常細胞周期的影響。結果表明，固定酵母生產乙醇的速度比自由酵母快，磷酸鹽基激酶活性和ATP 基酶活性均較高。自絮凝酵母細胞膜飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的比值高于游離酵母，前者的酶活性高于游離酵母。

2.抗脅迫能力。固定化酵母生物和生化特性的變化不可避免地導致其適應環境的變化。混合自絮凝酵母菌層及其親本菌株被置于乙醇溶液中相同濃度進行沖擊試驗。結果表明，自絮凝提升層的融合更能抵抗乙醇脅迫。與此同時，研究表明，固定可以提高凸輪在低溫和高滲透性下的抗壓性。穩定酵母之所以更能適應艱苦環境，是因為固定培養環境的微內部環境產生的高滲透性壓力在酵母細胞（甘油）的溶解度中起著重要作用。結果表明，絮凝酵母在乙醇發酵初期，海藻糖含量、ATP 質量膜酶活性和細胞膜滲透性發生了顯著變化。固定凸輪也可能導致這些變化，從而提高其強度。

三、發酵工藝

在燃料乙醇的研究和生產中，發酵過程逐漸從傳統的轉變為連續發酵，酵母的固定化技術可以大大提高燃料乙醇生產過程中連續發酵儲存的效率，使連續發酵的細胞固定化相結合。

1.反應器流化床。具有操作連續、細菌污染風險低、剪切速率低、傳熱效果好等優點。但是，這些反應器需要固定化的基本密度和低密度的酵母，這可能導致能源消耗增加、酵母周期改變、分布不均甚至洗出。

2.氣升式反應器。具有以下優點：抗菌強度高、流動性均勻、結構簡單、衛生死角少、功耗低。當用氣升式反應器處理燃料乙醇中的酶時，固定化的密度應接近發酵通量的密度。應當指出，發酵顆粒與其他穩態營養物質相比密度較低，機械強度較低，形狀不規則，因此只能用于軟酵母中的懸浮發酵。為此，氣升式反應器特別適用于利用自絮凝酵母生產乙醇。在小型實驗室和大型工廠，利用磷酸鹽酵母在多級串聯反應器中繼續發酵酶。

3.填充床反應器。可提供低返混、簡單結構和載體機磨損等優點。但是，其缺陷，例如不可更換的固體催化劑容易導致風管或風管，傳熱效果差。此外，填充床反應器中使用的固定化介質不可壓縮。

4.攪拌反應器配備攪拌裝置，質量和傳熱性能較好。但是，攪拌可能會產生很大的剪切力，因此在固定構造環境中需要一定的機械力，否則在固定構造環境中可能會產生機械磨損，從而導致酵母泄漏。

固體酵母制備乙醇有許多優點，前景廣闊。但是，固定化介質的選擇、技術建設的擴大和生產成本的提高限制了固定酵母技術在乙醇生產中的廣泛應用。今后的任務包括：利用基因工程方法建造能提高吸力和發酵性能的動力裝置；開發新的、低成本的、固定化介質；修改現有的固定化介質；改進現有的或開發新的固定化介質；分子生物技術通常用于研究酵母在絮凝機理的作用，可以構建或篩選具有發酵特性的絮凝酵母菌層，并將其作為載體。因此，我們研究酵母的生物化學特性，這些酵母在發酵過程中是穩定的，轉移、熱力、反應器內流體特性，基于此，我們試圖優化生物反應器的設計，使其在基質的發酵和產物中接合。固定技術深入酵母上的研究，該技術將逐步進入燃料型乙醇工業生產，促進燃料型乙醇工業的迅速發展。