[论文解读] Application in the Ethanol Fermentation of Immobilized Yeast Cells in Matrix of Alginate/Magnetic Nanoparticles, on Chitosan-Magnetite Microparticles and Cellulose-coated Magnetic Nanoparticles

Viara Ivanova, P. Ts. Petrova+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2011

Biofuel production and bioconversion参考文献 48被引用 73

一句话总结

本研究开发了基于磁性纳米颗粒的载体，用于固定 *Saccharomyces cerevisiae* 细胞，以提高乙醇发酵效率。利用海藻酸盐、壳聚糖-磁铁矿以及纤维素包覆的磁性纳米颗粒，研究人员在一步反应器系统中实现了高达91%的理论乙醇产率，最优条件下乙醇生产速率可达264.0 g/L·h，表明该体系可作为稳定、可重复使用的生物催化剂用于生物燃料生产。

ABSTRACT

Saccharomyces cerevisiae cells were entrapped in matrix of alginate and magnetic nanoparticles and covalently immobilized on magnetite-containing chitosan and cellulose-coated magnetic nanoparticles. Cellulose-coated magnetic nanoparticles with covalently immobilized thermostable α-amylase and chitosan particles with immobilized glucoamylase were also prepared. The immobilized cells and enzymes were applied in column reactors - 1/for simultaneous corn starch saccharification with the immobilized glucoamylase and production of ethanol with the entrapped or covalently immobilized yeast cells, 2/ for separate ethanol fermentation of the starch hydrolysates with the fixed yeasts. Hydrolysis of corn starch with the immobilized α-amylase and glucoamylase, and separate hydrolysis with the immobilized α-amylase were also examined. In the first reactor the ethanol yield reached approx. 91% of the theoretical; the yield was approx. 86% in the second. The ethanol fermentation was affected by the type of immobilization, the initial particle loading, feed sugar concentration and the dilution rate. The ethanol productivity with entrapped cells reached 264.0 g/L.h at particle loading rate 70% and dilution rate 3.0 h-1 with reducing sugar concentration of 200.0 g/L. The prepared magnetic particles with fixed yeast cells were stable at 4oC in saline for more than 1 month. .

研究动机与目标

• 开发可重复使用、可磁性分离的酵母细胞固定化系统，以实现高效乙醇发酵。
• 评估不同磁性载体材料（海藻酸盐、壳聚糖-磁铁矿、纤维素包覆纳米颗粒）在乙醇生产中的性能。
• 比较使用固定化酶和酵母的同步糖化发酵（SSF）与分步水解与发酵（SHF）工艺的性能。
• 优化颗粒负载量、糖浓度和稀释率等工艺参数，以实现最大乙醇生产速率。

提出的方法

• 通过凝胶化法将酵母细胞包埋于海藻酸盐/磁性纳米颗粒载体中。
• 利用化学交联法将酵母细胞共价固定于壳聚糖-磁铁矿微粒上。
• 合成纤维素包覆的磁性纳米颗粒，并用于共价结合耐热α-淀粉酶。
• 对壳聚糖颗粒进行功能化处理，以固定葡萄糖淀粉酶用于淀粉水解。
• 采用柱式反应器测试同步（SSF）与分步（SHF）发酵工艺。
• 系统地改变工艺参数，包括颗粒负载量（最高70%）、稀释率（最高3.0 h⁻¹）和还原糖浓度（最高200.0 g/L）。

实验结果

研究问题

• RQ1 将 *Saccharomyces cerevisiae* 固定于海藻酸盐/磁性纳米颗粒上，对连续发酵中乙醇生产速率有何影响？
• RQ2 不同磁性载体材料（海藻酸盐、壳聚糖-磁铁矿、纤维素包覆）对乙醇产率和工艺稳定性有何影响？
• RQ3 使用固定化酶和酵母的同步糖化发酵（SSF）是否能实现比分步水解与发酵（SHF）更高的乙醇产率？
• RQ4 颗粒负载量、进料糖浓度和稀释率的变化如何影响乙醇生产速率和产率？

主要发现

• 在使用包埋酵母细胞的同步糖化发酵（SSF）系统中，实现了约91%理论乙醇产率的最高值。
• 在最优条件下（70%颗粒负载量、3.0 h⁻¹稀释率、200.0 g/L还原糖浓度），乙醇生产速率可达264.0 g/L·h。
• SSF系统优于分步水解与发酵（SHF）系统，后者乙醇产率约为理论值的86%。
• 固定于磁性颗粒上的酵母细胞在4 °C的生理盐水中保存一个月以上仍保持稳定，表明具有长期可重复使用性。
• 固定化载体类型显著影响发酵性能，其中海藻酸盐/磁性纳米颗粒体系表现出更优的生产速率。
• 通过固定化α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶，玉米淀粉的水解得到有效实现，使SSF和SHF系统中的底物转化效率显著提升。