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高浓度(Very high gravity,VHG)发酵能够显著降低燃料乙醇生产过程中的能耗成本,而使用氧化还原电位(Oxidoreduction Potential,ORP)控制能够实现对细胞代谢途径的调控,获得更高的乙醇产量。本文将ORP控制引入VHG乙醇发酵过程中,主要包含以下几方面研究内容：1.优化了VHG乙醇发酵中ORP的控制对批次发酵过程中ORP控制效果做出了分析,结果表明：当ORP设定值为-150 mV时,终点乙醇浓度和发酵效率均最高。同时还发现随底物糖浓度的提高,-150 mV控制下的发酵效率相比没有控制的发酵提高了0.09%、6.09%和7.46%。2.建立了适用于ORP控制的VHG乙醇发酵动力学模型基于批次发酵数据,建立了包含ORP、底物糖浓度S和产物乙醇浓度P的酿酒酵母生长动力学：将该方程与产物生成动力学及底物消耗动力学方程联合求解,能够很好地拟合实验数据。通过动力学模拟,得到初始糖浓度在200-300g/L,ORP控制在100--200 mV的操作图,预测最高发酵终点乙醇浓度为133.2g/L,操作条件为S0=275 g/L,ORP=-140 mV;最佳发酵效率为97.2%,操作条件为S0=235g/L,ORP=-145 mV.3.开发了三种ORP控制方式为使ORP控制更方便地应用于乙醇发酵,开发了通气控制方式(Aeration-controlled Scheme,ACS),葡萄糖流加控制方式(Glucose-controlled feeding Scheme,GCS)和恒化通气控制方式(Combined Chemostat and aeration-controlled Scheme,CCS).实验结果证明三种控制方式发酵效果均优于对照组。4.优化了ORP控制恒化发酵过程中熟化罐的设计使用CCS能使ORP控制效果最大化,但面临着残糖消耗不完全的情况。采用恒化罐串联熟化罐的设计,既满足恒化罐内进行ORP控制,维持高的细胞活性,又能使残余葡萄糖在熟化罐内充分利用。合理安排熟化罐的使用时序,可以不影响后续乙醇精馏系统的操作。5.分析了ORP控制下酵母细胞基因表达情况ORP控制的VHG乙醇发酵,酵母细胞受到众多环境胁迫,基因表达进行必要的调控。使用基因微阵列技术,监测了发酵过程中细胞基因组表达情况,发现基因表达的显著变化发生在细胞停滞期到对数生长期(6-12 h),以及稳定期到衰亡期(30-36 h)的转变点。对数生长前期发生变化的基因涉及各个生理功能,而衰亡期前期表达发生变化的基因主要以胁迫响应为主。详细分析了与糖代谢途径,胁迫响应和呼吸作用有关的基因表达,找出了与ORP变化有相似趋势的基因GPD2和NDI1,有利于解释酵母细胞在基因表达水平上对ORP的响应。6.考查了ORP控制对自絮凝酵母VHG乙醇发酵的影响自絮凝酵母实现了乙醇生产过程中的细胞自固定化,有利于提高乙醇生产强度并且便于细胞与发酵液的分离。ORP控制应用于自絮凝酵母乙醇发酵体系,不仅要考虑到乙醇发酵效果,还需兼顾发酵过程中絮凝颗粒的粒径分布。与游离细胞相比较,絮凝酵母ORP控制时间较长,因此控制效果更明显,最大发酵效率的ORP控制点同样出现在-150mV。同时观察到絮凝性状在不同ORP控制下的改变,其机理可能是ORP控制改变了生物量,葡萄糖和乙醇浓度,间接影响了絮凝颗粒的大小。综上所述,本文监测并控制了高浓度乙醇发酵过程的氧化还原电位,提高了终点乙醇浓度和发酵效率。增强了大宗低附加值的燃料乙醇在经济上的竞争优势,对于实现燃料乙醇的低能耗生产,进一步降低世界对石油资源的依赖性具有重要意义。