在利用酿酒酵母进行超高浓度酒精连续发酵过程中,观察到了一种持久稳定的振荡现象,表现为当严格控制发酵参数时,发酵罐中残糖,酒精,生物量浓度呈现大幅度的周期性波动。前期工作推测,细胞对环境胁迫的延迟反应是引起振荡的主要原因之一。本文在已有发酵动力学研究工作基础上,引入时滞加权因子,对酵母细胞比生长速率进行加权处理,进而建立了物料衡算微分方程组,描述这一动态过程,并对模型参数进行估值和实验验证。 前期实验工作发现,填料具有弱化超高浓度酒精连续发酵过程振荡现象的作用并进而推断填料对振荡现象的弱化机理可能是其对酵母细胞的固定化作用。本实验采用了由一个搅拌式反应器与三个管式反应器串联组成的反应器系统,并在管式反应器中填加表面性能差异明显,因而细胞固定化效果不同的填料:90目φ10×10mm的不锈钢丝网环、5×5×10mm的木块和10×10×10mm多孔性聚氨酯,其对酵母细胞固定化效果依次增强。通过比较这三种填料对振荡现象弱化效果的差异,以期阐明填料弱化振荡现象的机理。实验结果表明,尽管木块填料对酵母细胞的固定化效果介于不锈钢丝网环和聚氨酯填料之间,但它对振荡现象的弱化效果却最好,表明填料对振荡现象的弱化作用,不仅与细胞固定化作用有关,而且还受其它因素影响。进一步的数据分析表明,填料改变反应器内部微环境,进而导致酵母细胞比生长速率的改变,及反应器填充填料后有效工作容积的降低,在培养基流加速率不变的条件下导致反应器稀释速率相应增大,也对振荡现象的弱化产生影响。 实验还考查了不同酵母菌株在超高浓度酒精连续发酵中出现的振荡现象,实验结果表明,不同的酵母菌株在同样的发酵条件下产生振荡的稀释率是不同的,而且其振荡的周期和幅度也会有所不同,表明超高浓度酒精连续发酵条件下呈现的振荡行为与菌株特异性相关。 这些研究工作进展,对模拟超高浓度酒精发酵条件下产生的振荡行为,阐明填料弱化振荡行为的机理,进而理性设计振荡行为弱化策略,指导过程操作与控制,具有重要意义。