固定化細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用于酒精發(fā)酵中的研究進(jìn)展

張強(qiáng)，嵇冶

（長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

固定化細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用于酒精發(fā)酵中的研究進(jìn)展

張強(qiáng)，嵇冶

（長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

固定化細(xì)胞技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后期，是在固定化酶基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。近年來(lái)，固定化細(xì)胞技術(shù)被廣泛應(yīng)用于燃料酒精的研究與生產(chǎn)中。因其可以反復(fù)使用、連續(xù)發(fā)酵以及提高酒精得率等優(yōu)勢(shì)顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＱ芯抗潭ɑ?xì)胞酒精發(fā)酵具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文綜述了固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精發(fā)酵領(lǐng)域的研究進(jìn)展，介紹了酒精生產(chǎn)中常用的細(xì)胞固定化方法、特性及優(yōu)勢(shì)、固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精發(fā)酵中應(yīng)用以及在酒精發(fā)酵中存在的問(wèn)題及解決辦法等。指出開展細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與酶的共固定化技術(shù)，無(wú)載體自絮凝細(xì)胞固定化技術(shù)以及開發(fā)新型酒精專用固定化載體材料是未來(lái)固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。

生物工程；固定化；酒精；發(fā)酵

自從20世紀(jì)70年代石油危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，燃料短缺以及日益惡化的環(huán)境問(wèn)題，使燃料酒精作為可再生能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1]。然而菌體發(fā)酵周期長(zhǎng)、耐受性差、酒精得率低以及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題阻礙了燃料酒精工業(yè)的迅速發(fā)展。圍繞這些問(wèn)題，人們開展了大量細(xì)致的研究工作，其中將固定化細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用于燃料酒精生產(chǎn)，已經(jīng)引起了人們極大的興趣[2]。

20世紀(jì)70年代后期，人們?cè)诠潭ɑ傅幕A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種新興生物技術(shù)——固定化細(xì)胞技術(shù)。它采用物理或化學(xué)方法將游離細(xì)胞閉鎖于特定的空間使其保持活性并可以重復(fù)使用。目前固定化細(xì)胞技術(shù)廣泛應(yīng)用在食品、能源、環(huán)境保護(hù)以及發(fā)酵等工業(yè)中，尤其在酒精生產(chǎn)領(lǐng)域研究得最為深入和成熟。同傳統(tǒng)的游離細(xì)胞酒精發(fā)酵相比，應(yīng)用固定化細(xì)胞發(fā)酵具有增加細(xì)胞濃度，提高酒精得率，菌體能夠反復(fù)使用以及提高設(shè)備利用率等優(yōu)點(diǎn)[3]。

本文主要對(duì)酒精生產(chǎn)中常用細(xì)胞固定化方法、固定化細(xì)胞在酒精生產(chǎn)中特性及優(yōu)勢(shì)、固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精生產(chǎn)中應(yīng)用以及存在的問(wèn)題及解決辦法等進(jìn)行綜述，并提出固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精生產(chǎn)中的未來(lái)研究方向。

1 酒精生產(chǎn)中常用的細(xì)胞固定化方法

目前用于酒精生產(chǎn)中細(xì)胞固定化的方法較多，任何限制細(xì)胞自由流動(dòng)的技術(shù)，都能夠用來(lái)固定化細(xì)胞。按照固定化模式與載體的不同，主要有吸附法、包埋法、膜隔離法和絮凝法等（見(jiàn)圖1）[4]。

圖1 細(xì)胞固定化方法

1.1 吸附法

吸附法是指載體和細(xì)胞通過(guò)離子鍵作用或物理吸附作用結(jié)合在一起，使細(xì)胞吸附在載體表面或內(nèi)部的固定化方法。吸附法要求載體對(duì)于細(xì)胞應(yīng)無(wú)毒害作用。載體吸附細(xì)胞數(shù)量多少往往受到溫度、pH以及細(xì)胞和載體的特性等多種因素的影響。吸附法制備條件溫和、操作簡(jiǎn)便易行、對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖沒(méi)有明顯影響。但吸附力較弱、細(xì)胞容易脫落、酒精生產(chǎn)中使用受到限制。

泡沫陶瓷是常用的多孔網(wǎng)格狀吸附材料，孔徑比微生物細(xì)胞大，有利于吸附在載體表面及網(wǎng)格內(nèi)部的微生物細(xì)胞與發(fā)酵液接觸，細(xì)胞增殖培養(yǎng)效果較好。李丹等[5]利用泡沫多孔陶瓷為載體吸附酵母細(xì)胞，在溫度20℃、菌體濃度108個(gè)/mL、搖床轉(zhuǎn)速120r/min、吸附90min后固定化酵母細(xì)胞濃度達(dá)到107～108個(gè)/g。程江峰等[6]將用清水浸泡沖洗處理好的泡沫陶瓷，200℃滅菌后裝入柱式反應(yīng)裝置中，14℃條件下充分吸附酵母細(xì)胞20min，吸附后細(xì)胞密度達(dá)到4.0×107～2.0×108個(gè)/mL料液，與包埋法幾乎達(dá)到了等同的細(xì)胞密度。

1.2 包埋法

包埋法是采用物理方法將微生物細(xì)胞限制在各種載體形成的有限空間內(nèi)。具有細(xì)胞容量大、操作簡(jiǎn)便、固定化后細(xì)胞強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在眾多包埋載體中，海藻酸鈉包埋法在酒精生產(chǎn)中研究應(yīng)用最為廣泛。作為天然高分子多糖類包埋載體，包埋后細(xì)胞活性高，傳質(zhì)效果好。但海藻酸鹽形成的凝膠機(jī)械強(qiáng)度低，在含鉀鈉等陽(yáng)離子的高濃度溶液中易發(fā)生破碎。

海藻酸鈉和氯化鈣的濃度也會(huì)影響固定化細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度及質(zhì)量傳遞，進(jìn)而影響酒精發(fā)酵微生物細(xì)胞的活性。尤業(yè)兵等[7]研究了海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度和固定化時(shí)間對(duì)抗凍酵母AFY-1活性的影響，發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.45%、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.45%、固定化時(shí)間1.09h時(shí)，固定化酵母的生長(zhǎng)繁殖能力明顯高于游離酵母，固定化酵母與游離酵母的細(xì)胞總數(shù)從5.0×108個(gè)分別增加到11.2×108個(gè)和7.5×108個(gè)，因此最終固定化酵母的酒精得率比游離酵母高3.2%。

1.3 膜隔離法

膜隔離法是指利用滲析膜、超濾膜或中空纖維膜等半通透性膜，將細(xì)胞同發(fā)酵液隔離，底物和產(chǎn)物可透過(guò)此膜，而微生物細(xì)胞不能透過(guò)。膜隔離法簡(jiǎn)單、可選擇性控制底物和產(chǎn)物擴(kuò)散、基質(zhì)與細(xì)胞接觸充分。但容易造成半透膜堵塞以及增加生產(chǎn)成本等問(wèn)題，所以限制了在燃料酒精領(lǐng)域的使用。

1.4 絮凝法

某些微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，能夠形成面積較大的菌膠團(tuán)，這些菌膠團(tuán)可以大量絮凝。利用細(xì)胞自身絮凝形成的顆粒作為一種固定化細(xì)胞的方法稱為絮凝法，也稱無(wú)載體固定法。絮凝法是新的細(xì)胞固定化技術(shù)，關(guān)于絮凝機(jī)理至今還沒(méi)有完全弄清楚，它與諸多因素有關(guān)。STRATFORD[8]把絮凝看作是一個(gè)可逆的、無(wú)性的過(guò)程。VERSTREPEN等[9]認(rèn)為細(xì)胞絮凝有兩種原因：一是由于臨近細(xì)胞表面的凝集素與甘露糖相結(jié)合導(dǎo)致絮凝；二是由于細(xì)胞表面的多肽吸引作用或者疏水作用導(dǎo)致絮凝。絮凝法簡(jiǎn)單、細(xì)胞具有較高的代謝活力、傳質(zhì)阻力小。白鳳武[10]報(bào)道，在年產(chǎn)酒精3000t的10m3試驗(yàn)裝置中，絮凝酵母的濃度達(dá)到30～40kg/m3，而采用載體固定及傳統(tǒng)工藝的酵母濃度僅為10～20kg/m3和3～4kg/m3，表明絮凝酵母在適宜條件下生長(zhǎng)繁殖的高效性，但絮凝微生物細(xì)胞機(jī)械強(qiáng)度較差、容易變形、不耐剪切力。

2 酒精生產(chǎn)中固定化細(xì)胞特性及優(yōu)勢(shì)

通過(guò)細(xì)胞固定化技術(shù)，高活性菌體細(xì)胞聚集于特定的空間內(nèi)并快速地生長(zhǎng)繁殖，能夠形成高濃度的酒化酶系，從而加快了酒精發(fā)酵速度，提高了酒精得率。但固定化后的菌體細(xì)胞與游離細(xì)胞存在較大差異，主要體現(xiàn)在固定化方式對(duì)菌體細(xì)胞生理特性（如細(xì)胞形態(tài)、滲透壓以及細(xì)胞膜通透性等）、代謝活性以及耐受性等方面會(huì)產(chǎn)生明顯影響，從而導(dǎo)致菌體細(xì)胞內(nèi)原有的生理平衡被破壞，細(xì)胞內(nèi)相關(guān)酶活性發(fā)生變化[11]。通過(guò)固定化作用可以明顯提高菌體細(xì)胞對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性，對(duì)高糖高滲作用的應(yīng)對(duì)能力也明顯強(qiáng)于游離細(xì)胞。

秦晴[12]采用自絮凝酵母進(jìn)行濃醪酒精發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)固定化細(xì)胞內(nèi)質(zhì)膜ATPase活性、海藻糖含量以及細(xì)胞膜通透性均發(fā)生了明顯變化，這些變化導(dǎo)致了酵母細(xì)胞能夠抗高滲透壓和抗脅迫能力。伍彥華等[13]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與其他三株酵母菌株相比，自絮凝酵母菌株FJY的酒精生產(chǎn)能力最高，86h發(fā)酵最終酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15.7%，甘油產(chǎn)量卻比其他三株酵母菌株低20%。而自絮凝酵母FJY 的死亡率最低，只有28%。甘油和海藻糖等物質(zhì)能增強(qiáng)細(xì)胞抗性，經(jīng)過(guò)固定化的自絮凝酵母產(chǎn)生的甘油卻有所下降，表明固定化作用使菌體細(xì)胞產(chǎn)生了抗性，其耐高濃度、高酒精度的能力明顯增強(qiáng)。

另外，固定化細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)種類與含量也與游離細(xì)胞明顯不同。通過(guò)載體的保護(hù)作用，也可以避免pH、溫度、有機(jī)溶劑以及有毒有害物質(zhì)等外界環(huán)境的影響。

固定化技術(shù)更適合于酒精工業(yè)生產(chǎn)中的連續(xù)化和自動(dòng)化操作。應(yīng)用于酒精發(fā)酵工業(yè)，固定化細(xì)胞優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[14]。

（1）在一定空間范圍內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，細(xì)胞密度增大，酒精形成速率加快。

（2）酒精生產(chǎn)中，節(jié)省了傳統(tǒng)菌種擴(kuò)培工序，節(jié)約非生產(chǎn)時(shí)間，設(shè)備利用率高。

（3）由于有固定化載體的保護(hù)作用，酒精生產(chǎn)中抗乳酸菌、醋酸菌等雜菌能力增強(qiáng)。

（4）提高淀粉質(zhì)及糖質(zhì)等原料出酒率，降低單位能耗，降低酒精生產(chǎn)成本。

固定化酵母和游離酵母酒精發(fā)酵主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 固定化酵母和游離酵母酒精技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

3 固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精生產(chǎn)中應(yīng)用

固定化細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用于酒精工業(yè)生產(chǎn)是目前最活躍、最深入和最為成熟的領(lǐng)域，相關(guān)研究報(bào)道較多。

樊婧等[15]以甘蔗二壓汁與原蜜的混合糖料作為發(fā)酵原料，采用海藻酸鈣包埋酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。溫度為31℃時(shí)，酒精度達(dá)到11.4%（體積比，下同），殘?zhí)呛績(jī)H為0.89%。MARTINI等[16]采用稻殼吸附釀酒酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵，48h酒精得率達(dá)到0.59g/(L·h)，是游離酵母細(xì)胞酒精得率0.26g/(L·h)的2.3倍。葉世超等[17]采用海藻酸鈣凝膠包埋法固定化釀酒酵母發(fā)酵甘蔗汁生產(chǎn)酒精。52h酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到12.8%，糖的利用率90.27%，發(fā)酵效率達(dá)到86.7%。作者目前采用海藻酸鈣凝膠包埋法固定釀酒酵母進(jìn)行餐廚垃圾酒精發(fā)酵，酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到7.28%，與采用游離酵母發(fā)酵相比，發(fā)酵周期縮短了24h，酒精體積分?jǐn)?shù)提高了近0.4%[18]。這些研究表明，與游離細(xì)胞相比，通過(guò)細(xì)胞固定化作用，增大了菌體細(xì)胞濃度，提高了酒精得率，降低了發(fā)酵殘?zhí)撬剑s短了發(fā)酵周期，發(fā)酵更為徹底。

熊亞[19]利用海藻酸鈣包埋的活性酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固定化酵母不僅酒精得率比游離酵母高將近30%，而且酸度比游離酵母變化小，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程酸度一直比較穩(wěn)定。陳明等[20]采用海藻酸鈣凝膠包埋法固定基因重組酵母進(jìn)行酒精發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固定化酵母對(duì)乙酸的耐受濃度由0.5g/L提高到1.2g/L。可見(jiàn)酒精生產(chǎn)中由于有固定化載體的保護(hù)作用，固定化細(xì)胞的抗雜菌能力、耐酸性能明顯增強(qiáng)。

總之，通過(guò)固定化細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用，酒精生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備利用率、發(fā)酵周期、酒精得率、抗雜菌能力以及殘?zhí)堑戎笜?biāo)都有了明顯的提高。

4 固定化酵母酒精發(fā)酵存在的問(wèn)題及解決辦法

酒精生產(chǎn)企業(yè)使用固定化細(xì)胞發(fā)酵后，由于生產(chǎn)原料、生產(chǎn)方式等不同，出現(xiàn)問(wèn)題各不相同，要根據(jù)實(shí)際情況采取有效措施，才能保證固定化細(xì)胞的使用效果。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，酒精生產(chǎn)企業(yè)主要存在著固定化載體易結(jié)垢以及雜菌污染問(wèn)題。

4.1 固定化載體結(jié)垢

酒精生產(chǎn)中載體結(jié)垢成分以膠體、灰分、無(wú)機(jī)鹽和懸浮物為主，主要由于糖質(zhì)原料中雜質(zhì)增多，產(chǎn)生過(guò)多的灰分，導(dǎo)致結(jié)垢。另外，糖蜜原料酸化不徹底、用酸過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致膠體灰分等沉淀在載體表面結(jié)垢[21]。

為有效避免載體結(jié)垢，首先可以強(qiáng)化酸化處理工序，在酸化階段使沉淀物盡可能除去。其次要合理控制發(fā)酵液中糖濃度，避免灰分與膠體的沉淀，必要時(shí)可適當(dāng)加入阻垢劑，減少灰分物質(zhì)聚集，使積垢變得疏松易除。另外固定化載體也可以通過(guò)適當(dāng)保養(yǎng)避免結(jié)垢。通?？稍趐H 2.0～3.0下酸洗浸泡3～4h。但應(yīng)避免多次長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)酸環(huán)境下處理固定化載體，容易導(dǎo)致菌體細(xì)胞活性下降以及雜菌的耐受性增強(qiáng)。

4.2 雜菌污染

固定化細(xì)胞酒精發(fā)酵工藝與游離細(xì)胞不同，發(fā)酵過(guò)程中容易出現(xiàn)雜菌感染的現(xiàn)象，及早快速發(fā)現(xiàn)染菌非常重要。揮發(fā)酸是發(fā)酵過(guò)程中菌體產(chǎn)生的有機(jī)酸類，是判斷染菌的一個(gè)重要的指標(biāo)。正常發(fā)酵液中揮發(fā)酸濃度一般在0.012%以下。雜菌感染必然會(huì)影響生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致酒精產(chǎn)率下降，因此防治雜菌污染非常重要[22]。發(fā)酵過(guò)程出現(xiàn)雜菌感染的原因主要有以下幾點(diǎn)。

（1）固定化細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)使用，容易導(dǎo)致菌體衰老，酒化酶活力降低。而雜菌生長(zhǎng)條件適宜，形成優(yōu)勢(shì)，造成染菌。

（2）酒精生產(chǎn)中所使用的固定化細(xì)胞載體存在死角，殺菌不徹底導(dǎo)致染菌。

（3）由于固定化載體結(jié)垢使酒精發(fā)酵受阻，為雜菌的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

針對(duì)上述染菌現(xiàn)象，可以采用高溫蒸汽對(duì)死角進(jìn)行徹底滅菌，或者添加酒精專用殺菌劑、青霉素、漂白粉等進(jìn)行殺菌。也可以先用清水清洗固定化載體，然后在酸性條件下浸泡1～2h。另外，可以通過(guò)保持酒母培養(yǎng)罐中酵母數(shù)在每毫升2.0億個(gè)以上，形成群體優(yōu)勢(shì)，有效抑制雜菌繁殖。

5 共固定化技術(shù)的發(fā)展

近年來(lái)隨著固定化細(xì)胞技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上又提出了共固定化技術(shù)的概念。共固定化就是將不同的細(xì)胞與細(xì)胞、酶與酶或細(xì)胞與酶同時(shí)閉鎖于同一載體內(nèi)形成的一種固定化技術(shù)。這種體系可將幾種不同功能的酶或細(xì)胞在同一系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行協(xié)同作用，從而可以獲得相應(yīng)的酶活性以及較高的產(chǎn)物收率。

酒精生產(chǎn)中，多菌種混合發(fā)酵往往采用不同的菌種，但由于各菌種之間差異較大，難以實(shí)現(xiàn)共同生長(zhǎng)。通過(guò)構(gòu)建共固定化體系可以解決這一問(wèn)題，多種微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中協(xié)調(diào)共生，通過(guò)發(fā)酵作用能夠形成豐富的酶系和產(chǎn)物體系，能夠有效地控制多種微生物之間的配比，保證酒精發(fā)酵過(guò)程平穩(wěn)地進(jìn)行，從而有效避免各菌種隨發(fā)酵的進(jìn)行而生理狀態(tài)發(fā)生改變，影響產(chǎn)品質(zhì)量。酒精生產(chǎn)中共固定化常采用吸附法和包埋法，有時(shí)也可以將這兩種方法聯(lián)合使用。王克明[23]采用共固定化的德氏根霉、釀酒酵母以及產(chǎn)香酵母對(duì)大米原料進(jìn)行酒精發(fā)酵。發(fā)現(xiàn)根霉與釀酒酵母以及產(chǎn)香酵母3種共固定化細(xì)胞的最佳接種量為4∶3∶2，酒精發(fā)酵的最適溫度為30～33℃，發(fā)酵時(shí)間為70h，最終酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到6%。LEE等[24]采用DEAE材料將釀酒酵母和樹干畢赤酵母進(jìn)行共固定化，利用海帶水解物進(jìn)行酒精發(fā)酵試驗(yàn)。結(jié)果表明，酒精生產(chǎn)速率為0.126g/(L·h)，產(chǎn)量為0.37g/g，比單獨(dú)使用釀酒酵母和樹干畢赤酵母產(chǎn)量高出2.7倍。LEBEAU等[25]采用瓊脂包埋法將釀酒酵母和休哈塔假絲酵母進(jìn)行共固定化，利用混合糖漿（葡萄糖∶木糖=7∶3）進(jìn)行酒精發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，發(fā)酵結(jié)束時(shí)，葡萄糖完全被消耗，而僅27%的木糖未被消耗，酒精得率為0.48g/g總糖。休哈塔假絲酵母能夠發(fā)酵木糖，釀酒酵母能夠發(fā)酵葡萄糖，通過(guò)共固定化作用，兩種微生物協(xié)調(diào)共生，所以獲得較高的酒精產(chǎn)率。

不僅細(xì)胞可以共固定化，酶與細(xì)胞也可以實(shí)現(xiàn)共固定化。有時(shí)酶與細(xì)胞很難實(shí)現(xiàn)對(duì)某一底物的共同作用，通過(guò)共固定技術(shù)則可以充分發(fā)揮酶和細(xì)胞的協(xié)同作用。李魁[26]利用木薯為原料，采用聚乙烯醇為載體，將酵母菌和糖化酶采用包埋共固定化進(jìn)行酒精發(fā)酵試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pH 4.5，酵母菌與糖化酶共固定化凝膠顆粒填裝量為50%。發(fā)酵醪酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到12.3%，殘?zhí)菫?.6g/L，總糖利用率達(dá)96.91%。BANDARU等[27]采用海藻酸鈣包埋法將運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌與葡萄糖苷酶共固定化進(jìn)行酒精發(fā)酵。在發(fā)酵溫度32.4℃，pH 4.92，發(fā)酵周期17.24h條件下，最大酒精濃度達(dá)到55.3g/L。EVRIM GüNES等[28]利用連續(xù)攪拌反應(yīng)器，將葡萄糖苷酶和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞細(xì)胞進(jìn)行共固定化，利用淀粉生產(chǎn)酒精。發(fā)現(xiàn)幾乎98%的底物都轉(zhuǎn)化為酒精，酒精生產(chǎn)速率為7.6g/(L·h)，產(chǎn)量為0.45g/g。

吸附法和包埋法也可以聯(lián)合使用進(jìn)行共固定化。侯紅萍等[29]采用吸附法（硅藻土為吸附劑）和包埋法（聚乙烯醇和海藻酸鈉為包埋材料）相結(jié)合對(duì)糖化酶和酵母菌共固定化進(jìn)行酒精發(fā)酵試驗(yàn)。硅藻土添加量為0.6g/20mL，聚乙烯醇和海藻酸鈉兩種材料的最佳配比為9∶1，發(fā)酵溫度30℃，發(fā)酵周期7 天，最終酒精體積分?jǐn)?shù)達(dá)到11%。

無(wú)論是細(xì)胞與細(xì)胞還是細(xì)胞與酶共固定化進(jìn)行酒精發(fā)酵，都具有反應(yīng)時(shí)間短、酒精得率高、可以連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。很大程度上可降低酒精生產(chǎn)成本，提高企業(yè)利潤(rùn)。共固定化技術(shù)用于酒精行業(yè)具有非常廣闊的發(fā)展空間[30]。

6 結(jié)論

固定化細(xì)胞技術(shù)在酒精生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的成績(jī)。眾多的研究成果表明，利用固定化細(xì)胞代替游離細(xì)胞發(fā)酵有諸多的優(yōu)勢(shì)。但是，固定化載體選擇、雜菌污染、占罐空間大以及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題一直制約著該項(xiàng)技術(shù)在酒精生產(chǎn)中的大規(guī)模應(yīng)用[31-32]。今后應(yīng)從以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入開展研究工作。

（1）開展細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與酶共固定化技術(shù)研究。建立細(xì)胞與細(xì)胞或細(xì)胞與酶復(fù)合反應(yīng)體系，對(duì)共固定化方法以及工藝進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)酒精連續(xù)糖化發(fā)酵，降低酒精生產(chǎn)成本。另外，也應(yīng)關(guān)注多細(xì)胞及多酶共固定酒精發(fā)酵技術(shù)的研究。

（2）無(wú)載體自絮凝細(xì)胞固定化技術(shù)研究。探索細(xì)胞絮凝機(jī)制，開發(fā)適宜的生物反應(yīng)器，篩選或構(gòu)建具有優(yōu)良酒精發(fā)酵性能的自絮凝菌株，對(duì)于酒精行業(yè)將是新的突破。

（3）新型酒精專用固定化載體材料。開發(fā)廉價(jià)耐用、對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性或毒性小、易與糖及酒精等物質(zhì)擴(kuò)散的酒精生產(chǎn)專用固定化載體材料，也是未來(lái)研究的主要方向。

相信隨著固定化細(xì)胞技術(shù)研究的不斷深入和日漸成熟，必將推動(dòng)燃料酒精工業(yè)快速發(fā)展。

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Research progress on cell immobilization technology in ethanol production

ZHANG Qiang，JI Ye
（School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin，China）

Cell immobilization technology was developed in 1970’s based on the enzyme immobilization. Recently，cell immobilization is widely used in research and production of fuel ethanol. It demonstrated great potential with advantages of repeated applications，continuous operations，and high ethanol yield. So researches on cell immobilization in ethanol production are very important for practical applications. This article reviewed research progresses on cell immobilization in ethanol production. The article discussed the common methods，characteristics and advantages and applications of cell immobilization，problems，and solutions. The keys for future ethanol productions are developingco-immobilization of cell-cell，cell-enzyme and self-immobilization cell technologies， and developing new immobilization support materials for ethanol production.

biological engineering；immobilization；ethanol；fermentation

TK6

A

1000–6613（2017）04–1404–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.033

2016-09-08；修改稿日期：2016-11-16。

及聯(lián)系人：張強(qiáng)（1969—），男，博士，副教授，主要從事生物質(zhì)能源研究。E-mail：corn11@126.com。