基于细胞集群效应的乙醇发酵技术开发及应用

成果编号：38695

价格：面议

完成单位：工业生物技术研究所

单位类别：企业

完成时间：2023年

成熟程度：小批量生产阶段

服务产业领域：生物技术与医药

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发布人：Gabriel 离线

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传统的燃料乙醇发酵工艺主要是单批次游离发酵，每批生产需要培养新的酒母，导致部分的粮耗被用于生产菌种；同时菌种生长阶段也会消耗大量的能耗，造成整体发酵过程发酵转化率低、生产强度低和能耗高等问题。采用流加、包埋等传统连续发酵方式可以一定程度上缓解这些问题，但是游离的酵母细胞在搅拌环境中受流体剪切压力大，使得酵母耐受性差，易衰退或死亡，即便采用传统连续发酵方式，也极易出现衰退、凋亡。针对传统乙醇生产过程中存在的资源综合利用率低、能耗高、工业生产周期长等问题，开展了基于微生物集群效应的新型催化技术开发和乙醇产品应用研究，并致力于该技术领域关键技术和核心技术的开发。通过对生物膜关键基因改造、固定化介质改性以及生物反应器模拟设计等手段强化细胞生物膜形成途径，构建了高强度发酵的细胞集群效应的新型生物催化体系（EPS发酵体系），并成功实现了燃料乙醇产业化应用。

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成果介绍

科技计划：国家级：

成果形式：新技术

合作方式：技术服务

参与活动：第二届江苏产学研合作对接大会 2023年高校院所服务苏北五市产学研合作对接活动

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 0 项
已授权专利,其中:发明专利 0 项

成果简介

成果概况

创新要点

1、阐明了酵母群体感应信号分子等影响生物膜形成的机制，采用Crispr无痕敲除、元件整合表达等手段，构建了酵母生物膜智能调控元件，实现了固定化发酵中酿酒酵母生物膜的人为调控，显著增强了固定化发酵的效果。 2、基于载体表面疏水性和电荷性与酵母细胞之间界面作用规律，通过理性修饰固定化载体表面关键化学官能基团，提高载体表面与细胞表面的疏水作用力和电荷力，实现了载体表面对酵母细胞吸附作用的显著增强。 3、利用CFD模拟计算流体力学，优化流场分布，发明了多层悬挂式固定化生物反应器，构建了新型基于细胞集群效应的千吨级固定化连续发酵体系，并首次在3400m3规模实现了燃料乙醇的固定化连续工业生产。

主要技术指标

本成果先后在河南天冠、中粮集团实现了转化，完成了吨级、百吨级和千吨级中试放大；并基于逐级放大经验，于2023年上半年在吉林燃料乙醇有限责任公司创新性地构建了3400立方发酵规模的高效吸附和发酵的新型固定化生物反应器。试验指标如下： 1、以玉米糖化醪为原料，实现了长达数十批次的稳定运行。相比于传统发酵工艺，平均酒度达14.27%（v/v），提高了0.64个酒份（%, v/v）。 2、粮耗下降近4.7%，即新工艺粮耗水平约为2.91-2.95吨/吨。 3、按新工艺吨乙醇生产粮耗可节约140kg计算，结合对种子和发酵环节原辅料和能耗成本分析，预估生产吨酒精约节约成本370元。 4、通过对成熟醪量计算，相比较大生产每天成熟醪产量提升12.5%以上，叠加酒度的提升量因素，合计乙醇生产效率可提升15%以上，即若大生产每个发酵罐年产量3.2万吨，则固定化可多产近5000吨乙醇，单罐综合效益可获得1000余万元的净收益。本项目真正实现了“零酒母接入”的间歇式发酵新工艺，革新了传统工艺中反复制备酒母的过程，提升了整体生产强度，避免了发酵过程碳源的过度浪费现象。新工艺是国外内传统生物制造的在发酵技术领域首次突破，对于生物制造过程中节能减排、技术升级和绿色可持续化发展等方面具有重大的战略意义。

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