离子液体对酵母酒精发酵过程的影响及其热动力学分析

利用离子液体将木质纤维原料中的碳水化合物转化为可发酵糖为由木质纤维原料生产燃料酒精提供了一种有效的技术手段，但离子液体在可发酵糖中的残留不可避免，因此研究可发酵糖中残留离子液体对后续酵母酒精发酵过程影响对由木质纤维原料生产燃料酒精有重要意义。本项目将对离子液体对酵母酒精发酵过程影响及其热动力学规律进行研究。首先研究不同离子液体浓度对酵母生长和酒精发酵过程的影响，得到不同离子液体浓度下酵母生长和酒精发酵的过程数据，建立离子液体对酵母酒精发酵过程影响的动力学模型，然后采用微量热技术测得不同离子液体浓度下酵母生长和酒精发酵完整的代谢热谱图，最后通过对离子液体对酵母酒精发酵过程影响的动力学模型和代谢热谱图进行分析，揭示离子液体对酵母酒精发酵过程影响的热动力学规律。该项目填补了离子液体对酵母酒精发酵过程影响研究方面的空白，为离子液体在燃料酒精工业生产过程中的应用及工艺优化提供基础数据和技术支撑。

利用离子液体将木质纤维原料中的碳水化合物转化为可发酵糖为由木质纤维原料生产燃料酒精提供了一种有效技术手段，但离子液体在可发酵糖中残留不可避免，因此研究发酵糖中残留离子液体对后续酒精发酵过程影响对由木质纤维原料生产燃料酒精有重要意义。本项目对离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑（BMIMCl）对酵母AY93161生长毒性、酒精发酵过程热动力学及代谢活性影响进行了研究。在BMIMCl对酵母生长毒性方面，通过美蓝染色，利用显微镜下观察了不同BMIMCl浓度下（10-6—5 g.L-1）酵母在不同生长阶段的形态、出芽情况和死细胞数量，发现BMIMCl对酵母的形态基本无影响，但随着BMIMCl浓度的增加，酵母在对数生长期出芽速率变慢，在对数生长期和稳定期的死细胞数量均增加，说明BMIMCl对酵母繁殖有一定的抑制作用，会导致酵母代谢活性下降；同时测定了BMIMCl对酵母的半致死浓度LC50大于5 g.L-1，半有效浓度EC50和半抑制浓度IC50分别为0.53和0.39 g.L-1。在BMIMCl对酵母酒精发酵过程及动力学影响方面，测定了不同BMIMCl浓度（10-6--5 g.L-1)下酵母酒精发酵的过程数据，建立了BMIMCl对酵母酒精发酵过程影响的动力学模型，模型的模拟结果能与实验数据较好吻合。在BMIMCl对酵母酒精发酵过程代谢活性影响方面，采用微量热法测定了不同BMIMCl浓度（10-3--5 g.L-1)下酵母酒精发酵过程的代谢热谱图，结合在不同BMIMCl浓度下酵母酒精发酵的过程数据，得到了在不同BMIMCl浓度下酵母酒精发酵过程的热动力学参数，结果显示随着BMIMCl浓度的增加，菌体的比生长速率下降，菌体的比生成热和整个发酵过程的生物反应热增加。通过对BMIMCl对酵母酒精发酵影响的热动力学数据分析，发现离子液体对酵母酒精发酵影响的机制可能是由于离子液体与酵母菌膜蛋白相互作用，使酵母酒精发酵过程的生物反应热增加，抑制了酵母的繁殖和生长，最终导致发酵酵母终浓度和酒精终浓度下降。基于上述研究，为了降低离子液体残留对后续酒精发酵影响，提出了4种改善含离子液体酒精发酵过程的工艺策略（菌体固定化、两步酒精发酵、中间补料酒精发酵和增加接种量），初步结果显示这4种工艺策略均能有效提高含离子液体酒精发酵酒精生产能力。这些研究结果可以为离子液体在燃料酒精工业化开发提供参考。