基于逸出气体的自适应连续底物进料策略提升分批补料乙醇发酵效率

为提升生物乙醇生产性能，研究人员探究自适应连续进料策略，提高乙醇产量，降低成本。

　　### 研究背景
在全球能源转型的浪潮中，生物乙醇作为一种绿色可持续的能源，正逐渐崭露头角，成为传统化石燃料的有力替代者。它不仅能有效减少燃烧化石燃料带来的温室气体排放，还能为众多国家的能源安全保驾护航。然而，生物乙醇的商业化生产之路并非一帆风顺，生产效率和成本问题就像两座大山，横亘在发展的道路上。

从原料角度来看，木质纤维素类原料，如玉米秸秆、小麦秸秆、稻糠和甘蔗渣等，因来源广泛、储量丰富，被视为生物乙醇生产的 “潜力股”。但这些原料细胞壁结构复杂，在预处理阶段需要耗费大量的人力、物力和财力，才能将其转化为可发酵的糖类。在发酵环节，传统的发酵方式存在诸多弊端。比如，分批发酵容易受到底物抑制的影响，高浓度的底物会抑制微生物的生长和代谢，导致乙醇产量低下；连续发酵虽然能在一定程度上解决底物抑制问题，但对设备和操作要求极高，成本居高不下。

在这样的背景下，开发一种高效的发酵策略，成为了生物乙醇领域的研究热点。研究人员迫切需要找到一种方法，既能提高乙醇的产量和生产效率，又能降低生产成本，从而推动生物乙醇产业的可持续发展。于是，来自加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）的研究人员勇挑重担，开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Applied Microbiology and Biotechnology 》上。

研究方法

研究人员以工业酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为实验菌株，在 5-L 搅拌式生物反应器中进行分批补料发酵实验。实验设置了固定进料和自适应进料两种策略，通过监测发酵过程中产生的逸出气体量，来实时调整葡萄糖的进料速率。利用 UV-Vis 分光光度计测定细胞干重（CDW），采用高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）分别检测葡萄糖和乙醇的浓度。为探究氮含量对发酵性能的影响，研究人员还调整了培养基的氮碳比（N/C）进行实验。

研究结果

1. 进料策略对乙醇发酵的影响：自适应进料策略下，酵母细胞的干重最终达到约 3.4g/L，高于固定进料策略的约 2.6g/L，表明该策略能更有效地为细胞生长提供糖分。在整个发酵过程中，两种进料策略都严格控制葡萄糖浓度在 100g/L 以下，以避免底物抑制。但自适应进料策略下，葡萄糖消耗速率更快，累积葡萄糖的时间更晚，说明其能更高效地利用葡萄糖。此外，监测逸出气体流量发现，自适应进料策略下该流量更高，进一步证明其葡萄糖消耗速率更快。在乙醇浓度方面，两种进料策略下乙醇浓度都随葡萄糖进料而增加，但自适应进料策略下乙醇积累速度更快，且在停止进料后，葡萄糖能更快地被消耗殆尽。
2. 自适应进料策略对乙醇发酵的整体提升：综合分析发酵性能参数，自适应进料策略使乙醇生产力提高了约 21%，且无论培养基氮含量高低，都能达到相似的乙醇浓度（约 90g/L 或 11%，v/v）和发酵效率（约为理论最大糖乙醇转化率的 70.5%）。同时，自适应进料策略下的残留葡萄糖含量更低，更有利于减少杂菌污染的风险。

研究结论与讨论

这项研究成功开发了一种基于逸出气体的自适应连续进料策略，显著提升了分批补料乙醇发酵的效率。与固定进料策略相比，该策略能使乙醇生产力提高 21%，且在低氮培养基中也能保持良好的发酵性能。研究还发现，乙醇浓度达到 60g/L 时，可能会触发酵母细胞的代谢抑制，导致葡萄糖积累和逸出气体流量下降。

从工业应用角度来看，该研究成果具有重要意义。一方面，自适应进料策略可直接应用于现有发酵设施，无需对设备进行大规模改造，就能提高乙醇产量，降低生产成本；另一方面，减少培养基中的氮含量不仅能降低成本，还能减少下游过程中含氮废物的产生，有利于环境保护。

然而，研究也存在一定的局限性。虽然自适应进料策略在实验中表现出色，但在大规模工业生产中，还需要考虑更多复杂因素，如发酵罐的规模放大、设备的稳定性等。未来，研究人员可以进一步探索将自适应进料策略与其他发酵技术相结合，优化发酵条件，以实现生物乙醇的高效生产。同时，深入研究氮含量对发酵过程的影响机制，也将为生物乙醇发酵的优化提供更多理论依据。