CN101134969A - 一种以糖蜜为原料制备燃料酒精的发酵方法及发酵系统 - Google Patents

Abstract

一种以糖蜜为原料制备燃料酒精的发酵方法及发酵系统，属生物发酵技术邻域。包括用糖蜜培养基、水以及絮凝性酵母在发酵罐中进行酒精发酵，在上述进行酒精发酵的过程中，同时在酵母培养罐中培养絮凝性酵母并加入上述的发酵罐中。优点是通过另外设置絮凝酵母培养罐，将新鲜酵母及循环酵母同时加入第二级发酵罐中；在发酵的过程中不断地补充絮凝性酵母，使生成酒精的浓度大大提高。

Description

一种以糖蜜为原料制备燃料酒精的发酵方法及发酵系统

技术领域

本发明涉及一种以糖蜜作为原料制备燃料酒精的发酵方法及发酵系统。属生物发酵技术邻域。

背景技术

近年来，由于地球的环境问题，生物质的利用引人注目。特别是从生物质制造人们期待的作为下一代汽车燃料的乙醇等的酒精制造技术方面的研究开发正方兴未艾，以糖蜜为原料的燃料用及工业用酒精的制造技术已经达到实用水平。传统的方法是使用非絮凝性酵母来生产酒精，为了提高生产率，就得在发酵罐的后级设置离心分离机，使发酵液和酵母分离后，再让酵母返回发酵罐。这种方法的缺点是离心分离机成本高、能量消耗大。后来有人提出了用多级发酵罐从糖蜜生产酒精的生产方案。例如，日本特开平6-284891公报公开的“利用絮凝性酵母循环连续发酵生产乙醇”的方法。该方法由两个可以调节酵母回流液进出口高度的搅拌发酵罐构成连续发酵系统，缺点是酵母浓度及活性都较低，从而导致发酵效率低。

发明内容

鉴于所提出的问题，本发明的目的是提供一种以糖蜜为原料、不使用离心分离机就可提高发酵罐内的酵母浓度，进而提高所制备的燃料酒精的浓度的发酵方法及发酵系统。

本发明的以糖蜜为原料制备燃料酒精的发酵方法，包括用糖蜜培养基、水以及絮凝性酵母在发酵罐中进行酒精发酵，其特征是在上述酒精发酵的过程中，同时在酵母培养罐中培养絮凝性酵母并加入到上述的发酵罐中。这里的糖蜜培养基，指的是糖蜜本身，或在糖蜜中加氮源等后的物质，或将这些物质用水稀释后的产物。

同现有技术一样，糖蜜培养基、水以及絮凝性酵母在发酵罐中进行酒精发酵，本发明方法是在上述的发酵过程中同时在酵母培养罐中培养絮凝性酵母并加入发酵罐中，加入的絮凝性酵母增加了发酵罐中的酵母浓度，从而有益于提高发酵速率，进而提高生产效率。作为酒精发酵的方式，可利用完全混合式进行连续发酵。

在上述的发酵方法中，所述的酒精发酵可以是两级发酵，其中，第二级发酵罐用糖蜜培养基、在第一级发酵罐中得到的发酵液以及从酵母培养罐培养的絮凝性酵母进行酒精发酵。这种两级发酵的好处是用第一级发酵罐中得到的发酵液作原料，另外再加入糖蜜培养基和絮凝性酵母，使第二级发酵罐中的酵母浓度更高，活性更好，从而可获得更高的酒精浓度和收率。

在上述的两级发酵方法中，在所述的两级发酵罐之间设置有沉降槽将上一级发酵液里的絮凝性酵母在所述沉降槽中分离出来，并部分返回至上一级发酵罐中。这样做的好处是将上一级发酵液里的絮凝性酵母被再次利用来添加到发酵罐中，即提高了发酵罐的酵母浓度，又节约了原料。

在上述的两级发酵方法中，为提高酒精品质，可在发酵过程中连续分别对第一发酵罐、第二发酵罐及酵母培养罐补充不同浓度的糖蜜培养基，所补充的糖蜜培养基的稀释倍数为1.4倍以下为宜。这样做的好处是可以很好地抑制杂菌污染。与过去那样用硫酸抑菌或用蒸汽等对糖蜜培养基进行杀菌的做法相比，本法更能够稳定地进行长期连续发酵。这里的“稀释倍数”指的是用水稀释糖蜜时的倍数，例如，稀释倍数为1.2，就是1份糖蜜，用0.2份水去稀释。实践证明，三个罐里的不同浓度的糖蜜培养基的不同搭配，能同时获得较高的酒精浓度和收率。比如，将上述第一发酵罐入口处的糖浓度设为100～170克/升、第二发酵罐入口处的糖浓度为140～200克/升、酵母培养罐入口的糖浓度为70～130克/升可获得较为理想的酒精浓度和收率。在上述的两级发酵方法中，最好至少向酵母培养罐中通以0.005～0.1vvm(每分钟每单位体积的空气体积数)的空气。通过向酵母培养罐中通入一定量空气，可以培养出活性更高的絮凝性酵母。同样道理，也可以给第一发酵罐和第二发酵罐供给微量空气以维持各罐内的絮凝性酵母的活性。这里的1vvm，指的是对于1升的培养液，在1分钟内供给1升空气。

在上述的两级发酵方法中，第二发酵罐的稀释率D满足下式是比较理想的：

D＝F/V≥0.05h^-1

[在式中，F表示在第一发酵罐得到的发酵液、糖蜜培养基以及由酵母培养罐供给的絮凝性酵母的供给速度(m³/h)、V表示第二发酵罐的实际容积(m³)。]

为实施上述的发酵方法，本发明提供一种发酵系统，该发酵系统由发酵罐、与发酵罐管道连接的向发酵罐提供絮凝性酵母的酵母培养罐和分别与发酵罐、酵母培养罐连接的给水部份及糖蜜培养基供给部分所构成。

在上述的发酵系统中，所述的发酵罐由进行第一级酒精发酵的第一发酵罐和与第一发酵罐管道连接的第二发酵罐共同担任，所述的酵母培养罐与第二发酵罐管道连接，所述的糖蜜培养基供给部分连接到第一发酵罐、第二发酵罐以及酵母培养罐，给水部份连接到第一发酵罐和酵母培养罐。

在上述的由两级发酵构成的发酵系统中，可在所述的两个发酵罐之间设置一沉降槽。好处是利用该沉降槽将上一级发酵液里的絮凝性酵母在沉降槽中分离出来，并部分返回至上一级发酵罐中以提高第一发酵罐的酵母浓度。

与前述现有同类技术相比，本发明的优点是另外设置絮凝酵母培养罐，将新鲜酵母及循环酵母同时加入第二级发酵罐中；在发酵的过程中不断地补充絮凝性酵母，使生成酒精的浓度大大提高。可用于完全混合式进行连续发酵生成酒精的生产中。系统中省掉了价格很高的离心分离机，在降低能量消耗的同时也减少了系统的制作成本。

下面结合实施例和附图对本发明内容做进一步详细说明。但本发明的内容并不仅限于该实施例。

附图说明

图1为实施例1的发酵系统及流程的构成示意图

图2为实施例2的发酵系统及流程的构成示意图

图3为产品的浓度及收率比较图

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例以两级发酵为例对本发明内容一并进行说明。

本例的发酵系统，其发酵罐由进行第一级酒精发酵的第一发酵罐R1和与第一发酵罐R1用管道112连接的第二发酵罐R2共同担任，所述的酵母培养罐R3与第二发酵罐R2用管道312连接；所述的糖蜜培养基贮藏在糖蜜培养基罐41A中，由糖蜜培养基供给管41B以及泵411、412、413连接到第一发酵罐R1、第二发酵罐R2以及酵母培养罐R3；水由给水罐42A、给水管42B以及泵421、423连接到第一发酵罐R1和酵母培养罐R3。通过泵411、412、413、421、423调节糖蜜培养基和水的供给量，可以调节在各罐的入口处的糖浓度或各罐的稀释率。其中，第一发酵罐R1是用糖蜜培养基、水和絮凝性酵母进行第一级酒精发酵的发酵罐，由普通通气搅拌发酵罐构成。或者采用以发生的二氧化碳气体搅拌罐内液体的气体循环型发酵罐。第二发酵罐R2，是连接到第一发酵罐R1，用从第一发酵罐R1流出的发酵液、来自糖蜜培养基罐41A的糖蜜培养基以及酵母培养罐R3供给的絮凝性酵母进行第二级酒精发酵的发酵罐，它与第一发酵罐R1一样，由搅拌型发酵罐或气体循环型发酵罐构成。预先在第一发酵罐R1、第二发酵罐R2、酵母培养罐R3中备有通过间歇培养的Saccharomyces cereviciaeKF—7等的絮凝性酵母。作为酒精发酵的方式，可利用完全混合式进行连续发酵。

在第一发酵罐R1的后面，分别设置了第一沉降槽S1和泵P1，在第二发酵罐R2的后面分别设置了第二沉降槽S2和泵P2。第一沉降槽S1和第二沉降槽S2的作用是从各自对应的第一发酵罐R1、第二发酵罐R2的发酵液中分离出絮凝性酵母，用泵将其中一部分返回到各自的发酵罐(从第一沉降槽S1返回到第一发酵罐R1，从第二沉降槽S2返回到第二发酵罐R2)。返回的比例可随着絮凝性酵母的量而改变，但这个比例最好是20％以上。从而可以进一步提高发酵罐R1和R2的酵母浓度。

酵母培养罐R3是培养絮凝性酵母，并将该絮凝性酵母供给第二发酵罐R2的培养罐。因此，用这个发酵系统，就能够在不用离心分离机的条件下实现在第二发酵罐R2内增殖出活性高的絮凝性酵母，提高生成酒精的浓度。

酵母培养罐R3中的糖浓度等各种条件，以能够培养絮凝性酵母就可，能够进行部分酒精发酵就行。在酵母培养罐R3和第二发酵罐R2之间设置泵P3，借助此泵向第二发酵罐R2提供活性高的絮凝性酵母，酵母的供给情况由泵P3以及泵413、423进行调节。也可不使用泵P3，用溢流(自然流下)供给。酵母培养罐R3与发酵罐一样，可由搅拌型发酵罐或气体循环型发酵罐担任。

再有，最好能分别给第一发酵罐R1、第二发酵罐R2及酵母培养罐R3分别通以0.005vvm～0.1vvm的空气。通过向酵母培养罐R3通以微量空气，能够培养出活性更高的絮凝性酵母。并且，通过向第一发酵罐R1以及第二发酵罐R2供给微量的空气，就可以维持各罐内的絮凝性酵母的活性。还有，没有必要一定要对第一发酵罐R1、第二发酵罐R2以及酵母培养罐R3全部通气，在这几个罐中，至少对酵母培养罐R3进行通气即可。

被贮藏在糖蜜培养基罐41A中的供给各罐的糖蜜培养基，可以完全不稀释。但是，完全不稀释的糖蜜培养基粘度高，用泵输送困难。为了易于用泵411～413输送，也可用水稀释糖蜜培养基。此时的稀释倍数(由糖蜜培养基罐41A供给的糖蜜培养基的稀释倍数)最好是1.4倍以下，若是1.2倍以下则更好。在这种情况下，则糖浓度为300克/升～500克/升是比较适合的。可通过给水部份向第一发酵罐R1和酵母培养罐R3供水来调节糖浓度。尽管完全不稀释的糖蜜培养基即使贮藏在糖蜜培养基罐41A内也没有杂菌污染，但如果稀释到2～3倍的培养基贮藏在糖蜜培养基罐41A中，就会有杂菌污染。因此，本发明采用控制稀释倍率的技术手段来抑制杂菌污染。因而，没有必要像过去那样用硫酸抑菌或蒸气等对糖蜜培养基进行杀菌，也能够稳定地长期连续地进行发酵。

在酵母培养罐R3中，通以微量空气，例如0.005vvm以上，供给0.01vvm以上更好。据此，可培养活性更高的絮凝性酵母。并且，也可给第一发酵罐R1和第二发酵罐R2中通以微量空气，例如0.005vvm以上，最好是供给0.01vvm以上的微量空气，就可维持各罐内的絮凝性酵母的活性。具体的通气条件最好是，在第一发酵罐R1和第二发酵罐R2中为0.005vvm，在酵母培养罐R3通以0.05vvm或0.1vvm。

在第二发酵罐R2得到的发酵液被送到第二沉降槽S2，在第二沉降槽S2中，分离絮凝性酵母，变为发酵成熟醪。发酵成熟醪通过常规的蒸馏分离为粗酒精和蒸馏酒糟，粗酒精经精馏、脱水后可得到浓度为99.5％以上的酒精。在第二沉降槽S2被分离的絮凝性酵母的一部分返回到第二发酵罐R2。返回的比例可随着由第二沉降槽S2送到第二发酵罐R2的絮凝性酵母的量而变化，但最好是20％以上。

关于第一发酵罐R1、第二发酵罐R2以及酵母培养罐R3的具体的发酵条件及培养条件，例如，在适用于连续发酵方式的同时，发酵温度最好是25℃以上，若是30℃乃至33℃则更好。在第一发酵罐R1入口处的糖浓度，最好是100克/升以上、170克/升以下。在第二发酵罐R2入口处的糖浓度以170克/升以上、200克/升以下则更好。在酵母培养罐R3的入口处的糖浓度，最好是130克/升以下，若是70克/升以上、100克/升以下则更好。

第二发酵罐R2的稀释率D最好满足下式：

D＝F/V≥0.05h^-1

在式中，F表示在上述第一发酵罐R1得到的发酵液、糖蜜培养基以及由酵母培养罐R3供给的絮凝性酵母的供给速度(m³/h)、V表示第二发酵罐R2的实际容积(m³)。

于是，用本发明的实施形态在酵母培养罐R3中培养絮凝性酵母，再供给第二发酵罐R2，所以不使用离心分离机，就可在第二发酵罐R2内增殖出活性高的絮凝性酵母。因此，可提高生成的酒精浓度和提高生产率。

下面是在上述各条件下的具体的实施例1：

使用Saccharomyces cereviciae KF-7菌株，将糖蜜培养基的稀释倍数取为1.2倍，在发酵温度30℃进行912小时的连续发酵。将第一发酵罐R1入口处的糖浓度取为150克/升，第二发酵罐R2入口处的糖浓度取为180克/升，而在酵母培养罐R3的入口处的糖浓度取为100克/升。第二发酵罐R2的稀释率D取为0.15h^-1。所获得的乙醇产品的浓度及收率见图3。

实施例2：

如图2所示，本实施例只备有第一发酵罐R1以及酵母培养罐R3，其它条件与上述实施例相同。所获得的乙醇产品的浓度及收率见图3。

为便于比较，在图3中同时给出了采用传统工艺的两个比较例所获得的乙醇产品的浓度及收率。其中，比较例1只使用了如图1所示的第一发酵罐，而没有第二发酵罐和酵母培养罐。比较例2，使用了如图1所示的第一发酵罐及第二发酵罐，没有酵母培养罐。

由图3可知，使用了具有酵母培养罐R3的发酵系统的实施例1、2与没有酵母培养罐的发酵系统的比较例1、2相比，乙醇浓度变高了。相同条件下收率也得到了提高。即，设置酵母培养罐R3，能够提高乙醇浓度及乙醇收率。在同等条件下，即使只采用一个发酵罐(实施例2)相对比较例2来说收率的提高也是显著的。

以上尽管举了实施形态及实施例说明了本发明，但本发明并非局限于上述的实施形态和实施例，而是可能有各种变形。例如，第二发酵罐R2既可由单一的发酵罐构成，又可将多个发酵罐连接构成。实施例中说明的各要素的材料，或发酵条件及培养条件等不受限制，采用其它的材料也可以，采用其它的发酵条件或培养条件也行。

Claims (7)

1.一种以糖蜜为原料制备燃料酒精的发酵方法及发酵系统，包括用糖蜜培养基、水以及絮凝性酵母在发酵罐中进行酒精发酵，其特征是在上述进行酒精发酵的过程中，同时在酵母培养罐中培养絮凝性酵母并加入到上述的发酵罐中。

2.如权利要求1所述的发酵方法，其特征是所述的酒精发酵为两级发酵，其中，第二级发酵罐用糖蜜培养基、在第一级发酵罐中得到的发酵液以及从酵母培养罐培养的絮凝性酵母进行酒精发酵。

3.如权利要求2所述的发酵方法，其特征是在所述的两级发酵罐之间设置有沉降槽将上一级发酵液里的絮凝性酵母在所述沉降槽中分离出来，并部分返回至上一级发酵罐中。

4.如权利要求2或3所述的发酵方法，其特征是在所述的发酵过程中连续分别对第一发酵罐、第二发酵罐及酵母培养罐补充不同浓度的糖蜜培养基，所补充的糖蜜培养基的稀释倍数为1.4倍以下。

5.一种实施权利要求1所述的发酵方法的发酵系统，其特征是所述的发酵系统由发酵罐、与发酵罐管道连接的向发酵罐提供絮凝性酵母的酵母培养罐和分别与发酵罐、酵母培养罐连接的给水部份及糖蜜培养基供给部分所构成。

6.一种如权利要求5所述的发酵系统，其特征是所述的发酵罐由进行第一级酒精发酵的第一发酵罐和与第一发酵罐管道连接的第二发酵罐共同担任，所述的酵母培养罐与第二发酵罐管道连接，所述的糖蜜培养基供给部分连接到第一发酵罐、第二发酵罐以及酵母培养罐，给水部分连接到第一发酵罐和酵母培养罐。

7.一种如权利要求6所述的发酵系统，其特征是在所述的两个发酵罐之间设置有一沉降槽。

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