微生物油脂是指微生物在一定条件下合成并储存在菌体内的甘油脂,在轻工食品、医疗保健、能源化工领域有重要用途,是生物化工的研究热点之一,选用廉价原料以降低生产成本是其产业化的关键所在。因有机酸不能在蒸馏过程中去除,丁醇发酵废水(蒸馏后剩余的发酵液)含一定量有机酸,COD可达每升数万毫克。利用油脂酵母处理丁醇发酵废水可得到富含油脂与多糖的酵母菌体,在治理废水的同时可获得高附加值的产品,具有较好的应用前景。目前,尚缺乏有关丁醇发酵废水中油脂发酵底物代谢与产物积累的系统研究,缺乏指导该生化转化工艺优化与调控的理论基础。为了揭示丁醇发酵废水中油脂发酵底物代谢与产物积累的规律,阐明其机理,本文以四株油脂酵母(皮状丝孢酵母、浅白隐球酵母、Trichosporon dermatis与Trichosporon coremiiforme)为主要研究对象,首先研究酵母不同发酵模式对醇类发酵废水中各成分的降解效果,建立不同油脂酵母发酵模式;在此基础上,以集总动力学方法为核心,研究油脂酵母混菌发酵模式高效处理醇类发酵废水中的基本问题,揭示油脂酵母发酵过程中各种有机成分的降解规律,以及酵母细胞生长与产物积累的变化规律,阐明底物代谢与产物积累的机理;最后通过与发酵工程中的常规动力学方法比较,阐明了集总动力学方法在生化研究中的优势。四株油脂酵母中,皮状丝孢酵母与T.dermatis处理废水时COD去除率较高,且可获得较高的菌体生物量;T.coremiiforme可获得较高的油脂含量与油脂产量,但所得油脂中不饱和脂肪酸含量特别是亚油酸含量远远低于其他三株酵母获得的油脂;浅白隐球酵母处理丁醇发酵废水的COD去除率最低,获得的生物量最少。高COD浓度培养基环境中,皮状丝孢酵母与T.dermatis展现出大大优于T.coremiiforme与浅白隐球酵母的COD降解效果。皮状丝孢酵母与T.dermatis在高效降低COD的同时,可在胞外合成一定浓度的多糖胞外产品(占剩余COD一定比例)。四株油脂酵母的油脂脂肪酸组成与培养基中碳源组成有关,除合成微生物油脂外,四株油脂酵母还能在胞内大量积累多糖类物质以及少量的蛋白质与灰分。对于发酵5天后的酵母生物量与油脂含量,混菌发酵模式并未显示出优越性,这可能是因为提前进行油脂反转(lipid turnover)的生理现象;T.dermatis+T.cutaneum的混菌发酵模式对油脂得率没有促进作用,但其发酵后的油脂脂肪酸组成中油酸(C18:1)与亚油酸(C18:2)比例分别达到了29.46%与39.88%(不饱和度提高),该油脂产品比其它单菌发酵或者混菌发酵模式获得油脂产品不饱和度更高,具有更高的应用价值。油脂酵母混菌发酵模式中不同菌株间存在代谢的协同作用及生长的竞争作用;补料混菌模式可以获得比分批混菌模式更高的COD去除率,但去除更多的COD没有转化为酵母菌体。丁醇发酵废水中不同单菌或混菌发酵模式下细胞生长速率十分接近,且会出现油脂反转(lipid turnover)的生理现象,而多糖含量变化规律较为复杂,油脂通过复杂的机制在油脂反转过程中转化为多糖或者胞内外其它产物。总的来说混菌发酵模式下胞内多糖变化较单菌发酵模式稳定。皮状丝孢酵母与T.dermatis单菌与混菌在低温(23 oC)、中温(28 oC)、高温(33 oC)下发酵,对其底物降解和产物积累进行比较,发现:中温有利于酵母发酵前期的生长与COD降解,但对最终的酵母生物量与COD降解量影响不大,且中温发酵较快的生长速度会影响酵母的油脂积累,胞内代谢途径倾向于多糖合成。采用集总方法,把油脂酵母从底物到产物的整个代谢网络划分成COD、油脂、多糖、胞内其它产物、胞外其它产物五个集总。集总动力学网络中涉及的9个速率常数(k1-k9)对于不同的单菌或者混菌发酵模式存在一定的差异,集总动力学简单有效地解释了不同发酵模式生物转化的异同。大部分发酵模式的k3,k4,k9值均为0,说明COD不能直接转化为多糖与胞外其它产物,而胞内油脂在油脂反转(lipid turnover)的时候也不能直接转化为胞外其它产物。常规发酵动力学对典型糖基培养基中油脂发酵的细胞生长、油脂合成与糖代谢均有较好的拟合效果,但很难反映丁醇发酵废水中存在复杂的物质转化代谢规律与机理;集总动力学突破了常规发酵动力学限于某指定的经验方程,从发酵代谢网络出发,把网络中物质按不同性质划分为多个集总,并通过动力学分析获得不同物质之间转化的规律与机理,实现“化繁为简”,最终揭示与阐明复杂代谢网络物质转化规律与机理。通过本论文获得了一种丁醇发酵废水的高值化生化处理方法,本研究还将促进轻工技术与化学工程的进一步交叉发展,并阐明特殊环境下混菌发酵的一些基础科学问题。而本文的研究获得的碳源代谢规律及研究模式,能给其他醇类发酵废水甚至有机酸类发酵废水、制糖厂废水、造纸厂废水等类似的富含高浓度有机物的废水处理提供研究基础。