CN101941886A - 一种生产发酵产品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产发酵产品的方法，所述方法包括将发酵后的发酵醪液进行蒸发，得到了主要含所述发酵产品的气相物流和主要含发酵菌种的菌体的液固混合物流；然后再将液固混合物流中含有的发酵菌种的菌体分离出，循环使用于发酵过程。本发明提供的方法克服了传统典型工艺的缺点，在发酵过程中循环使用大部分发酵微生物(如酵母菌)，减少种子液培养，并且通过蒸发直接得到大部分的发酵产品，既节约能耗，又降低分离成本。
Description
技术领域
本发明涉及生物化工领域，特别是涉及一种发酵法生产发酵产品的工艺改进，尤其是醇类发酵过程的改进。
背景技术
由于化石能源的日趋枯竭和环境破坏的日益严重，发展可再生的生物能源替代化石能源越来越受到世界各国的关注。在所开发的生物能源中，生物乙醇的发展最为受到重视，尤其是从可再生资源生产乙醇。众所周知，乙醇是由糖发酵生产的，而可利用的发酵原料来源广泛。这些原料一方面可从含发酵糖的植物，如甘蔗、甜菜、甜高粱等获得，另一方面，也可通过谷物、土豆和木薯等淀粉质原料水解获得，或从稻草、秸秆等各种木质纤维原料水解获得。这些糖在一定浓度的水溶液中可被细菌或酵母菌代谢转化为乙醇。无论使用哪种原料，在发酵后期，乙醇溶液质量分数大致可以达到6％到12％。因此，分离浓缩乙醇稀溶液是整个过程中能耗最高的。在典型的传统乙醇发酵过程中，生产过程中有大量的未发酵原料，最终将产生大量的废水。废水的处理会造成的严重的环境问题并会增加乙醇生产的费用。
传统乙醇发酵过程中的可发酵糖可以通过从甘蔗、甜高粱压榨糖汁或从甜菜中提取，或者液化糖化含淀粉的谷物或木薯类原料获得。这些糖通常不需要处理便可进行批式发酵。发酵罐中首先装入糖液，然后加入少量微生物种子液，通常是酵母，进行发酵。发酵过程的第一步通常是酵母在将过量碳源转化为乙醇前先消耗其中一部分糖用于自身生长。在此阶段，由于发酵液中有较高的糖浓度和较低的酵母浓度，从未灭菌的底物中带入的其它微生物将会迅速生长并消耗糖，从而会导致乙醇产量降低和副产物增加。传统的乙醇发酵时间在40到80个小时之间，需要较大体积且造价昂贵的发酵罐。此外，如此长的发酵时间会导致部分酵母分解产生另一些副产物。因此典型的传统发酵工艺，不仅发酵时间长、乙醇产量低，而且副产物多，产品纯度不高。另外，传统乙醇发酵结束后发酵液通常没有进行进一步的净化处理即进行蒸馏。这样将会损失所有的酵母菌体并排到废水中。这些废水不能直接排放，需要进行处理。通常采用蒸发对废水进行处理，而此过程能耗巨大。同时每个发酵批次都需要新鲜的酵母种子液，需要增加种子液培养设备和接种设备。在一些生产中，对发酵液进行离心以回收酵母液循环用于下一批发酵。但同样地，此过程也需要投入额外的设备和能量。而且如此获得的酵母液含有一定浓度的乙醇和不可发酵的物质，因此这种酵母循环的方法是受限的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的连续发酵技术，以实现高细胞密度发酵并将发酵菌体和水分循环用于发酵过程，从而提高发酵速率、产量，降低生产成本。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的：
一种生产发酵产品的方法，所述方法包括将发酵后的发酵醪液进行蒸发，得到了主要含所述发酵产品的气相物流和主要含发酵菌种的菌体的液固混合物流；然后再将液固混合物流中含有的发酵菌种的菌体分离出，循环使用于发酵过程。上述方法可以适用于大多数易蒸发、低沸点的发酵产品的生产，如醇类产品，优选为乙醇。用于生产乙醇的发酵菌株是所属领域熟知的，如各种已知的筛选的高产细菌或酵母菌株等，也可利用重组的工程菌株。
以生产乙醇为例，上述方法的具体实施过程可如下述：
一种发酵法生产乙醇的方法，所述方法为循环使用细菌或酵母菌体的连续发酵过程，包括将发酵后的发酵醪液在真空蒸发器中进行蒸发后得到以下两种物流：1)气相物流，其中含有乙醇蒸汽、水蒸汽和不凝性气体；2)液固混合物流，其中含有水、乙醇、细菌或酵母菌体，并且可以进一步将该液固混合物流分成两部分，一部分循环用于发酵过程，另一部分进行浓缩和干燥得到菌体蛋白。
其中，优选地，所述真空蒸发器的操作温度为32℃-50℃，更优选为38℃-45℃。
优选地，所述真空蒸发器的级数大于或等于1级。
优选地，所述真空蒸发器各级蒸发得到的气相物流经冷凝后，得到乙醇水溶液。
优选地，所述真空蒸发器各级蒸发得到的气相物流还可以通过蒸汽压缩机压缩后用于真空蒸发器至少1级的供热，同时得到乙醇水溶液；若气相物流中的乙醇未完全冷凝，则再通过后续的冷凝设备进行冷凝。
优选地，所述真空蒸发器各级蒸发得到的气相物流还可以通过蒸汽压缩机压缩后用于真空蒸发器所有级的供热，同时得到乙醇水溶液；若气相物流中的乙醇未完全冷凝，则再通过后续的冷凝设备进行冷凝。
优选地，所述真空蒸发器各级蒸发得到的气相物流混合并冷凝后得到的乙醇水溶液中乙醇含量为进入真空蒸发器前的发酵醪液乙醇含量的1.8-2.5倍；优选地，所述真空蒸发器各级蒸发得到的气相物流混合并冷凝后得到的乙醇水溶液中，乙醇的质量分数为10％-50％。
优选地，所述液固混合物流中，乙醇的质量分数小于2％，更优选小于0.5％；发酵菌体的质量分数为16％-50％，更优选为20％-35％。
优选地，所述循环用于发酵过程的液固混合物流在用于发酵前添加营养物质以活化发酵菌体。所添加的营养物质包括葡萄糖、玉米浆、酵母浸膏、硫酸铵、磷酸铵、硫酸镁、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾中一种或多种。
优选地，所述发酵菌体的活化过程是在一个单独的活化罐中进行。
优选地，所述气相物流和液固混合物流的比例可以根据需要自由选择和调节。例如，可根据所需液固混合物流中的发酵菌体浓度来控制二者比例，或者根据液固混合物流中所需乙醇的浓度来控制二者比例。
优选地，所述循环使用发酵菌体的连续发酵过程是通过往一个或多个串联的发酵罐中连续流加发酵底物而实现的。所述发酵底物为从含糖原料，如甘蔗、甜菜、甜高粱等用本领域内熟知的方法处理后获得的糖液，或者是将淀粉原料，如谷物、土豆、木薯等用本领域内熟知的淀粉酶进行糖化后所得的葡萄糖溶液，或者是将木质纤维素，例如玉米秸秆、麦草、甘蔗渣等用本领域内熟知的方法水解后得到的糖液。
优选地，所述多个串联的发酵罐至少为2个发酵罐，且所述发酵罐的体积比为任意比，即酵母菌体在各发酵罐中的停留时间比为任意比。
优选地，进入发酵罐的可发酵糖液中带入的水量可以事先进行调整，以满足整个系统中水的质量平衡。
优选地，加入的水量等于在真空蒸发器中同乙醇一起被带走的水量与发酵菌体浓缩与干燥部分除去的水量之和。
优选地，所述方法还包括在将发酵底物流加至发酵罐之前，采用过滤、离心、膜分离的一种或多种结合的方法除去发酵底物中的固体物质，例如甘蔗糖液中的纤维杂质、淀粉液化糖化后糖液中的未糖化淀粉颗粒、木质纤维素酶解液中的残余固体。
上述方法及其各种优选方案不仅适用于乙醇生产，也同样适用于其他产品生产。
进一步地，通过优选的实施方案再对本发明的方法进行详述：
在进行发酵之前，对从含糖原料(如甘蔗、甜菜、甜高粱)获得的糖液首先进行过滤，以除去所有的纤维、髓质及其它固体。淀粉原料(如谷物、土豆、木薯)用该领域内熟知的淀粉酶进行糖化。木质纤维素原料，例如玉米秸秆、麦草、甘蔗渣等采用稀酸水解或经过预处理后采用纤维素酶进行糖化。糖化底物再通过离心、过滤、超滤或者这些方法的组合除去其中所有的不溶物。优选地，本发明提供的方法采用超滤膜过滤纯化淀粉糖化液，同时除去糖液中的残余糖化酶和微生物甚至孢子，实现糖液的灭菌。木质纤维素材料水解和糖化得到的糖液也可用同样的方法净化。
随后，将不含有不溶物质的纯净糖液泵入发酵罐中。该糖液含可发酵糖的质量分数为2％-40％，优选为8％-30％，更优选为12％-28％。根据本发明提供的方法，可以只需要一个发酵罐实现发酵液连续流动操作，但优选地，连续发酵模式以多个发酵罐级联的方式进行。每个级联发酵罐的停留时间可以相同，即具有相同的体积，但优选地，级联发酵罐具有不同的体积，因此每个级联发酵罐中的停留时间不同。级联发酵罐的停留时间可以任意分配。一个优选的方案是第一个发酵罐具有最长的停留时间(最大体积)而最后一个发酵罐具有最短的停留时间(最小体积)。发酵罐级数可以任意选定，优选地，发酵罐级数选为3级，且各级发酵罐体积比和停留时间比为3∶2∶1。发酵罐的总体积是由发酵总停留时间决定的，因此发酵时间选择6小时到14小时之间。发酵温度可高达所用发酵微生物的最高耐热温度。所属领域的酵母菌作为发酵微生物时其最高上限温度在38℃和46℃之间，而乙醇生产细菌可能达到60℃到65℃。
本发明提供的方法还涉及保持发酵罐中的发酵微生物(如酵母)浓度在较高水平。每个发酵罐中的发酵微生物(如酵母)的菌体干重质量分数在4％-15％之间，优选为5％-10％之间，更优选为5％-8％之间。
发酵结束后，将全部发酵液加热至32℃至50℃，优选为38℃到45℃后引入至真空蒸发器。真空蒸发器可以由单级或多级组成。本发明提供的方法优选2到5级的蒸发器。
对于单级真空蒸发器，蒸汽被蒸汽压缩机压缩并用于加热蒸发器。在多级蒸发器，需要多个蒸汽压缩机，每个蒸汽压缩机压缩一级的蒸汽并用于加热此级或下一级蒸发器。所属领域的多级蒸发器为部分串联或并联过程，其中多于1级的蒸汽可被同一蒸汽压缩机压缩。优选地，低沸点成分(少量乙醇)和不凝性气体(如空气、发酵产生的C02)在多级真空蒸发器的最后一级排出，并与含乙醇的蒸汽分离。
从真空蒸发器中得到的气相物流中乙醇质量分数在12％-45％之间，这取决于发酵醪液的乙醇浓度和所用蒸发器的级数。使用单级蒸发器时可得到的乙醇质量分数为12％-35％。使用多级蒸发器时，第一级蒸汽的乙醇含量高于最后一级蒸汽的乙醇含量。这些蒸汽混合并冷凝后的乙醇含量是发酵醪液中乙醇含量的1.8-2.5倍，并且不含任何可溶性物质和完全不含醛类、甲醇等低沸点成分。该乙醇水溶液可采用所属领域内熟知的技术很容易地蒸馏至所需的最终浓度。从乙醇蒸馏分离得到的水不含不溶物成分，可循环用于上游发酵过程或无需净化而直接排放。
蒸发过程结束后还可以得到液固混合物流，即酵母菌体浓缩液，其含酵母菌体干重为16％-50％，优选为20％-35％。该酵母菌体浓缩液含有乙醇的质量分数小于2％，优选小于0.5％。由于真空蒸发器的蒸发操作是在低温温和条件下进行的，因此酵母菌体仍然存活并具有活性。一部分酵母菌体浓缩液循环用于发酵过程，优选地，循环用于发酵前添加营养物质并调节pH值至最优值以活化酵母菌体。另一部分酵母菌体浓缩液采用所属领域熟知的蒸发和干燥方法进行浓缩和干燥，生产高价值的人用酵母蛋白。
进入发酵罐的可发酵糖浓度事先通过加水进行调整同时实现对带入发酵过程中的水量进行控制。优选地，加入的水量等于在真空蒸发器中同乙醇一起被带走的水量与酵母菌体浓缩与干燥部分除去的水量之和。
由此可见，本发明提供的乙醇发酵方法克服了传统典型工艺的缺点。根据本发明提供的方法，乙醇发酵过程中经乙醇分离后的水分可循环使用。因此，需要处理的废水量显著降低。本发明提供的方法的另一个优点是，发酵罐中的底物浓度保持适当较低的水平，因而消除了底物对菌体生长的抑制作用，从而使得可有效将底物转化为乙醇的活性菌体保持较高的浓度。因此，所有的发酵底物都可以转化为乙醇而不产生副产物。
本发明提供的方法的另一个优点是，发酵过程为连续操作模式，并保持较高的发酵微生物(如酵母菌)浓度，从而减少发酵时间、发酵罐体积和降低投资成本。根据本发明提供的方法，由于发酵液中含有较高的发酵微生物(比如酵母菌)浓度和较短的发酵时间，因此显著降低了染菌风险同时提高了乙醇产量。发酵过程中循环使用大部分发酵微生物(如酵母菌)，减少种子液培养并基本上将全部底物转化为乙醇，从而进一步提高了乙醇产量。
本发明与传统发酵工艺相比，减少了投资经营成本以及废水排放。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
纯淀粉悬浮液采用本领域熟知的酶法进行液化糖化，所得糖液采用超滤膜纯化后得到含糖质量分数为25％的澄清糖溶液。将三个含有控温热交换器的发酵罐串联安装。第一个发酵罐体积为45L，第二个为30L，第三个为15L。第一个发酵罐填装糖液后接种酵母，并让酵母生长。一定时间后以每小时10L的流量将浓度为25％的糖液连续泵入第一个发酵罐，并使发酵醪液溢流至第二个和第三个发酵罐。三个发酵罐的温度都控制在36℃(为所用酵母的最优产乙醇温度)。第三个发酵罐溢流出的发酵液经换热器加热至42℃后进入三级真空蒸发器。三级蒸发器的蒸汽分别由各级的真空蒸发器压缩并通过给本级蒸发器供热而冷凝。
发酵过程达到稳态操作后，可从蒸发器得到流量为5.7L/h的含22％乙醇的冷凝液。蒸发器中得到液固混合物流(酵母菌体浓缩液)含酵母菌体干重为20％，残余乙醇含量小于0.5％。该液固混合物流分为两部分，第一部分流入一个小的活化罐中并添加用于酵母生长的营养物质。在部分酵母生长之后，将这部分溶液泵回至第一个发酵罐。三个发酵罐中酵母菌体含量大约为10％。第二部分残余液进一步进行真空干燥，可以得到含55％蛋白质的干酵母。
实施例2
甘蔗渣经过高温稀酸预处理后采用纤维素酶水解，水解液经过浓缩后并通过膜过滤后得到可发酵糖质量分数为20％的澄清糖溶液。将三个含有控温热交换器的发酵罐串联安装，其中第一个发酵罐体积为15L，第二个为10L，第三个为5L。第一个发酵罐填装糖液后接种酵母，并让酵母生长。一定时间后以每小时10L的流量将浓度为20％的糖液连续泵入第一个发酵罐，并使发酵醪液溢流至第二个和第三个发酵罐。三个发酵罐的温度都控制在32℃(为所用酵母的最优产乙醇温度)。第三个发酵罐溢流出的发酵液经换热器加热至42-43℃后进入三级真空蒸发器。蒸发器的压力控制在88mbar-92mbar之间。三级蒸发器的蒸汽分别由各级的真空蒸发器压缩并通过给本级蒸发器供热而冷凝。
发酵过程达到稳态操作后，可从蒸发器得到流量为4.5L/h的含20％乙醇的冷凝液。蒸发器中得到液固混合物流(酵母菌体浓缩液)含酵母菌体干重为18％，残余乙醇含量小于0.5％。该液固混合物流分为两部分，第一部分流入一个小的活化罐中并添加用于酵母生长的营养物质。在部分酵母生长之后，将这部分溶液泵回至第一个发酵罐。三个发酵罐中酵母菌体含量大约为9％。第二部分残余液进一步进行真空干燥，可以得到含55％蛋白质的干酵母。
实施例3
玉米淀粉采用本领域熟知的酶法进行液化糖化，所得糖液采用超滤膜纯化除去不溶物质后得到含糖质量分数为20％的澄清糖溶液。将2含有控温热交换器的发酵罐串联安装。每个发酵罐的体积均为45L。第一个发酵罐填装糖液后接种酵母，并让酵母生长。一定时间后以每小时10L的流量将浓度为20％的糖液连续泵入第一个发酵罐，并使发酵醪液溢流至第二个发酵罐。两个发酵罐的温度都控制在32℃(为所用酵母的最优产乙醇温度)。第二个发酵罐溢流出的发酵液经换热器加热至41℃后进入二级真空蒸发器。各蒸发器的压力控制在84mbar-98mbar之间。第一级蒸发器的温度控制41-41.5℃，第二级蒸发器温度控制在41.5-42℃。二级蒸发器的蒸汽分别由各级的真空蒸发器压缩并通过给本级蒸发器供热而冷凝。
发酵过程达到稳态操作后，可从蒸发器得到流量为4.2L/h的含20％左右的乙醇冷凝液。蒸发器中得到液固混合物流(酵母菌体浓缩液)含酵母菌体干重为17％，残余乙醇含量小于0.7％。该液固混合物流分为两部分，第一部分流入一个小的活化罐中并添加用于酵母生长的营养物质。在部分酵母生长之后，将这部分溶液泵回至第一个发酵罐。两个发酵罐中酵母菌体含量大约为10％。第二部分残余液进一步进行真空干燥，可以得到含55％蛋白质的干酵母。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰(如本领域熟知的一些相关设备改造、或将其用于其它发酵产品生产时根据产品特性做出的常规改动等)，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种生产发酵产品的方法，其特征在于，所述方法包括将发酵后的发酵醪液进行蒸发，得到了主要含所述发酵产品的气相物流和主要含发酵菌种的菌体的液固混合物流；然后再将液固混合物流中含有的发酵菌种的菌体分离出，循环使用于发酵过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发酵产品为乙醇。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发酵菌种为以糖为碳源来源的可发酵生产乙醇的细菌或酵母菌。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括将发酵后的发酵醪液在真空蒸发器中进行蒸发后得到以下两种物流：1)气相物流，其中含有乙醇蒸汽、水蒸汽和不凝性气体；2)液固混合物流，其中含有水、乙醇、细菌或酵母菌体；再将该液固混合物流进一步分成两部分，一部分循环用于发酵过程，另一部分进行浓缩和干燥得到菌体蛋白。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述真空蒸发器的操作温度为32℃-50℃，优选为38℃-45℃；并且所述真空蒸发器的级数大于或等于1级。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述真空蒸发器各级蒸发得到的气相物流通过蒸汽压缩机压缩后用于真空蒸发器至少1级的供热，同时得到乙醇水溶液。
7.如权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述液固混合物流中，乙醇的质量分数小于2％，优选小于0.5％；细菌或酵母菌体的质量分数为16％-50％，优选为20％-35％。
8.如权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述循环用于发酵过程的分离出的一部分的液固混合物流在用于发酵前添加营养物质以活化发酵菌体。
9.如权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述循环使用发酵菌体的发酵过程是通过往一个或多个串联的发酵罐中连续流加发酵底物而实现的；优选地，所述多个串联的发酵罐至少为2个发酵罐，且所述发酵罐的体积比为任意比。
10.如权利要求4至9中任一项所述的方法，其特征在于，进入发酵罐的可发酵糖液中带入的水量等于在真空蒸发器中同乙醇一起被带走的水量与发酵菌体浓缩与干燥部分除去的水量之和。
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