CN102174631B - 一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,通过复合酒精酶协同超声波处理甜菜原料,使甜菜原料中的纤维素和半纤维素被分解,生成可发酵糖;使果胶质分解,避免产生管道堵塞现象;使蛋白质分解产生氨基酸和二肽,为酵母菌提供了氮源,减轻了酵母菌细胞氨基酸合成代谢的负荷,使底物更多地转向发酵生成乙醇。所采用的混合酵母可同时利用五碳糖和六碳糖。本发明的方法解决了甜菜发酵生产乙醇产率低、发酵液残糖高、发酵时间长等问题。本发明的方法使发酵液中乙醇含量增加2.77-3.67%;20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为9.3-12.8%,残总糖0.15-0.45%,原料乙醇产率12.9-14.1%。
Description
技术领域
本发明属于发酵工程技术领域,特别涉及一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法。
技术背景
甜菜是一种抗盐碱、抗旱的糖料作物,也是一种能源作物,能够在边际性土地种植,其根体中主要化学成分为蔗糖和还原糖。目前中国甜菜主要用于制糖,由于中国国内市场白糖价格幅度波动较大,大约每两三年一个周期,糖价低的时候,甜菜的收购价亦低,严重影响了农民种植甜菜的积极性。甜菜具有高产、高糖、适应性广、抗逆性强,可为酵母直接利用转化乙醇,比淀粉制取乙醇节省了淀粉糊化与糖化两个耗能过程。这样可根据国际国内市场对糖和乙醇需求的变化,灵活决定甜菜用于制糖和制乙醇数量的比例,从而取得尽可能大的经济效益,甜菜产业才能立于不败之地。为使甜菜发酵生产燃料乙醇过程更具竞争力,寻找低成本、高效率的甜菜直接发酵生产燃料乙醇的方法或工艺是十分必要的。
以甜菜为原料生产燃料乙醇(用全株而不仅只是用糖蜜)是从20世纪90年代末发展起来的。目前,国内外的许多学者以甜菜为原料生产乙醇,主要集中在优化甜菜发酵生产乙醇的工艺条件,降低生产成本上。2008年,周剑平等公开了“利用甜菜直接进行乙醇发酵的方法”的专利(公开号:CN101280323A)。这一方法尽管解决了在发酵过程中产物不纯和管道堵塞现象,但在甜菜处理上采用70℃榨汁,压榨后残渣在70℃条件下再经水泡浸提,再将浸提液和甜菜汁进行调配或浓缩,这就必然增加能耗,同时该方法还存在发酵时间长(48-60h),残糖量大(1.2-1.8g/100mL),发酵醪液乙醇浓度低(8.5%左右)等问题。周广麒的专利(公开号:CN101240296A)一种以甜菜为原料生产乙醇的方法,缩短了发酵时间(20-45h),提高了发酵醪液乙醇体积百分比含量(9-14%),提高了设备利用率,但这一方法采用的反复浸渍榨汁后进行调配或浓缩,同样也存在增加能耗的弊端。用该专利公开的方法和条件,用10L全自动发酵罐进行试验,其乙醇发酵率只有85.2%,低于现有的糖质原料乙醇生产工艺(88-90%)。上述以甜菜为原料进行乙醇发酵的方法不足之处还在于:1.没有针对甜菜汁中缺乏营养盐的特点适当添加营养盐,营养盐缺乏导致发酵迟缓或不完全;2.在含糖量高的甜菜汁中,乙醇发酵的主要部分是由处于衰减阶段的非繁殖性酵母群体完成的。在乙醇发酵的中后期,这些酵母的生活能力都不断地降低,乙醇发酵不能正常进行(或发酵停止)。上述方法造成甜菜乙醇发酵率低是由于这些非繁殖性酵母(或处于“生存状态”的酵母)的正常代谢受到影响而造成的。3.常规的榨汁或榨汁压榨后残渣再水泡浸提,可溶性糖提取率低,势必造成原料乙醇转化率低;4.在可溶性糖浸出后的甜菜渣中含有大量的非淀粉类多糖,约占干物质的78%,其中果胶含量19%,纤维素含量为24%,半纤维素含量为22%,与其它植物相比甜菜纤维素和半纤维素易于分解(酸性条件,酶处理),产生的可发酵糖(包括戊糖、蔗糖和还原糖)可为酵母菌利用转化为乙醇。如果在甜菜乙醇发酵工艺原料处理上,将粉碎的原料直接发酵而不是榨汁,就能够充分利用甜菜纤维素和半纤维素,进而提高甜菜乙醇产率,同时亦降低了能耗。
已证明含有磷、钾、镁、钙等的无机盐在微生物的生命活动中起着十分重要的作用,可以为酵母菌提供适宜的生长环境,钾离子是发酵过程中某些酶的活化因子;钙离子是一些酶的稳定剂和激活剂(如蛋白酶等),它还能与果胶等杂质发生作用,减小杂质对发酵过程的抑制;镁离子参与酵母代谢过程中的许多反应,并且提供酵母中含硫氨基酸的成分;磷则是核酸、蛋白质和辅酶的必需物质,同时也在能量的转变中起重要的作用。对于本发明来说重要的是确定酵母菌所需要的最佳量,已有糖质原料乙醇发酵技术中往往添加量过多,这将增加生产成本,还会导致代谢流方向的改变,不利于乙醇的积累。通过添加必要的无机盐,当磷、钾、镁、钙的离子浓度达到最佳值,可大幅度增加游离细胞的发酵力,提高酵母细胞耐受乙醇的能力。
本领域的科技人员长期以来一直在寻求一种对甜菜乙醇发酵最有利的方法,即在发酵前期促进酵母菌的增殖,促进酵母细胞出芽,使其提前进入对数生长期;在主发酵期提高酵母细胞耐受乙醇的能力,使菌种保持最大的生产力状态;在后发酵期,有利于处于衰减阶段(即生存状态)中的酵母群体的生存,推迟乙醇发酵的结束,使发酵更为彻底。此外,人们也一直在寻找提高发酵液中可发酵糖(包括五碳糖,而不只是可溶性总糖)含量并将其转化为乙醇的方法。只有这样才能进一步提高甜菜原料乙醇产率,从而降低燃料乙醇生产成本。迄今为止,尚没有一种系统有效地降低乙醇生产成本的方法。在这种情况下,就迫切需要发明一种既符合技术要求又具有经济可行的甜菜乙醇发酵方法以满足生产需求。
发明内容
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,以解决甜菜发酵生产乙醇过程中存在的发酵液残糖高、发酵时间长和发酵效率低等实际问题,目的是提高原料乙醇产率,降低生产成本。通过向培养基中添加酵母菌所必需的营养元素,增强酵母繁殖力,提高酵母菌细胞生长速率。这些营养元素包括维生素和金属离子,所添加量是以甜菜原料所缺少的量来确定的。虽然甜菜原料中蛋白质及其它含氮物质含量在1.2%左右,其中蛋白质含量占1%,但由于酵母菌只能利用游离的氨基酸和极有限的二肽,不能直接利用蛋白质和多肽,致使发酵过程中酵母可利用的氮量较少,抑制了酵母菌的增殖速度。本发明在醪液接种之前,添加微量的酸性蛋白酶以产生氨基酸和二肽,这将导致主发酵期的酵母细胞数量提高90.1%,发酵速率大大提高,克服了现有技术和效果缺陷。在已有技术中,通常添加的是无机盐(氨离子),不但成本高,而且发酵力低。已证实向培养基添加(NH4)2SO4和尿素会抑制酵母菌产麦角甾醇的数量,而麦角甾醇含量占酵母细胞膜成分的6%,具有调节细胞膜功能的作用。
在本发明的方法中,以有效产生理想结果的量向发酵培养基添加乙醇合成促进剂和增强酵母菌的抗逆性的物质,包括维生素、植酸和脂肪酸。所述理想结果是:促进酵母菌的增殖,使其提前进入对数生长期;增进酵母的耐乙醇能力;缩短发酵周期、降低发酵液的残糖量,提高发酵液乙醇浓度。所述维生素是硫胺素(VB1),酵母菌所需要的其它维生素甜菜中并不缺。脂肪酸优选硬脂酸,添加后将导致细胞膜组分的改变,使酵母菌耐受性增强。硫胺素、植酸和硬脂酸可单独使用,但同时使用会增强其效果。
在本发明的方法中,为解决后发酵期处于衰减阶段(即生存状态)中的酵母群体的生存问题,使乙醇发酵更为彻底,向发酵培养基添加麦角甾醇或齐墩果酸以促进处于这一状态中的酵母群体的活动,从而更好地促进乙醇发酵。溶氧控制在1-4%的条件下,优选3%来实现。然而,在本领域的乙醇发酵技术中,乙醇的生成是在无氧的条件下生成的,本发明克服了现有技术偏见。
本发明涉及通过复合酒精酶协同超声波处理甜菜原料提高发酵液中的可发酵糖(包括五碳糖,而不只是可溶性总糖)含量并通过混合酵母将其转化为乙醇的方法。所述复合酒精酶含β-葡聚糖酶≥136万u/ml、纤维素酶≥11万u/ml、木聚糖酶≥120万u/ml、果胶酶≥0.3万u/ml和酸性蛋白酶≥1.5万u/ml。在本发明的方法中,以有效产生理想结果的量向经过预处理的甜菜原料添加复合酒精酶,所述理想结果例如,使甜菜原料中的纤维素和半纤维素被分解,生成可发酵糖;使果胶质分解,避免产生管道堵塞现象;使蛋白质分解产生氨基酸和二肽,为酵母菌提供了氮源,减轻了酵母菌细胞氨基酸合成代谢的负荷,使底物更多地转向发酵生成乙醇。所述混合酵母含有嗜鞣管囊酵母和酿酒酵母菌株,可同时利用五碳糖和六碳糖。复合酒精酶协同超声波处理导致发酵液中乙醇含量增加2.77-3.67%。
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,包括如下步骤:
I.培养基的制备
(1)酵母培养基的制备:本步骤所涉及到的材料配比的量纲均为g/L;
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基:木糖15-25,葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,pH4.5-5.5;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖15-25,葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,琼脂15-20,pH4.5-5.5;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基:葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,pH4.5-5.5;
d.酿酒酵母固体培养基:葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,琼脂15-20,pH4.5-5.5。
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理(复合酒精酶协同超声波处理,以下简称协同处理)后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO4为0.5-1.5g,CaCl2为1.0-3.0g,KH2PO4为2.0-4.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤IV;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4;
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:
将步骤(2)的发酵培养基和步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基,分别按体积比1∶4、2∶3、3∶2和5∶0,配制成不同浓度梯度的驯化培养基。
II.菌种驯化培养
按体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0分别将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入步骤I(3)的嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基中,分别得到体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0的驯化培养基;将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在26-28℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在28-30℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在30-32℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在32-34℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在28-34℃,80-120r/min摇床振荡培养50-70h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上28-34℃,100-140h,得到驯化好的菌种,冷藏保存。
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,28-34℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基中,28-32℃,80-180r/min摇床振荡培养12-18h,得到酿酒酵母菌种子液。
IV.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5-1.0的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌3-7min或121℃,灭菌20-30min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至50-55℃时首先进行超声波处理,超声时间为20-40min,超声功率300W;然后加入浓度为5-10g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,50-55℃保温振荡40-60min,得到发酵底物。
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL。
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母体种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为5-10%;
(1)发酵前期:温度控制在28-31℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在50-80%,发酵醪中pH值保持在3.8-4.2,时间4-8h;
(2)主发酵期:发酵进行至4-8h加入乙醇合成促进剂,所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸和硬脂酸及麦角甾醇和齐墩果酸的一种;乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素4×10-4-6×10-4g、植酸0.8-2.0g、硬脂酸1.0-2.0g、麦角甾醇0.02-0.03g、齐墩果酸0.04-0.06g;温度控制在31-35℃,时间8-12h,发酵醪中pH值保持在4.5-5.5;
(3)后发酵期:温度控制在30-32℃,溶氧控制在1-4%,优选3%,时间18-24h,发酵醪中pH值保持在4.0-5.5,发酵过程中产生的C02定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行,得到乙醇;
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为100-300r/min;
(4)在线监控:对影响发酵的过程在线监控,密切注意操作变量的改变引起pH值、温度、溶氧等改变,确保乙醇发酵在给定的条件下进行。
有益效果
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,通过向培养基中添加酵母菌所必需的营养元素,增强酵母繁殖力,提高酵母菌细胞生长速率。
在本发明的方法中,向发酵培养基添加乙醇合成促进剂和增强酵母菌的抗逆性的物质,包括维生素、植酸和脂肪酸。促进酵母菌的增殖,使其提前进入对数生长期;增进酵母的耐乙醇能力;缩短发酵周期、降低发酵液的残糖量,提高发酵液乙醇浓度。
在本发明的方法中,为解决后发酵期处于衰减阶段(即生存状态)中的酵母群体的生存问题,使乙醇发酵更为彻底,向发酵培养基添加麦角甾醇或齐墩果酸以促进处于这一状态中的酵母群体的活动,从而更好地促进乙醇发酵。
本发明通过复合酒精酶协同超声波处理甜菜原料,使甜菜原料中的纤维素和半纤维素被分解,提高发酵液中的可发酵糖(包括五碳糖,而不只是可溶性总糖)含量,并通过混合酵母将其转化为乙醇;使果胶质分解,避免产生管道堵塞现象;使蛋白质分解产生氨基酸和二肽,为酵母菌提供了氮源,减轻了酵母菌细胞氨基酸合成代谢的负荷,使底物更多地转向发酵生成乙醇。混合酵母含有嗜鞣管囊酵母和酿酒酵母菌株,可同时利用五碳糖和六碳糖。按本发明的技术方案实施,发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为9.3-12.8%,残总糖0.15-0.45%,原料乙醇产率12.9-14.1%。
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,解决了甜菜发酵生产乙醇过程中存在的发酵液残糖高、发酵时间长和发酵效率低等实际问题,提高了原料乙醇产率,降低生产成本。
在本发明的方法中,本发明的这些有价值的特性和优点通过下面实验及其描述得到更充分的认识。
实验一:原料处理方式对甜菜乙醇发酵效果的影响
在本实验中,描述了复合酒精酶协同超声波处理甜菜原料所产生的有益效果。所用的原料是吉林西部地区生产的糖用甜菜,将原料洗净切块后混均,备用。实验设四个处理,每个处理重复4次。
处理一(协同处理):取备用甜菜块粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5-1.0的料液;132℃,灭菌7min;灭菌后冷却至50℃时首先进行超声波处理,超声时间为20min,超声功率300W;然后加入10g/L的复合酒精酶(酶活构成:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL),用2mol/L硫酸调pH4.8,调节超声功率45W,50℃保温振荡40min;并添加营养盐,添加量为每升发酵醪液MgSO41.0g、CaCl21.5g、KH2PO42.0g;分别将嗜鞣管囊酵母和酿酒酵母体种子液接种于发酵醪液,种子量均为7.5%,种子液与发酵醪液的体积比;接种后通入无菌空气将溶氧控制在80%,发酵前期温度控制在30℃,发酵醪中pH值保持在3.8-4.2;主发酵期温度控制在33℃。发酵醪中pH值保持在4.5-5.5;后发酵期温度控制在31℃,溶氧控制在3%。发酵醪中pH值保持在4.0-5.5。过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行。在转数150r/min条件下进行乙醇发酵,发酵时间38h。
处理二(CK):取备用甜菜块粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5-1.0的料液;132℃,灭菌7min;加入营养盐,添加量为每升发酵底物(NH4)2SO42.5g、MgSO41.0g、CaCl21.5g、KH2PO42.0g;分别将嗜鞣管囊酵母和酿酒酵母体种子液接种于发酵醪液,种子量均为7.5%,种子液与发酵醪液的体积比;发酵时间44h,其它工艺条件同处理一,只是没有复合酒精酶协同超声波处理过程。
处理三(方法1):采用周剑平等“利用甜菜直接进行乙醇发酵的方法”(公开号:CN101280323A)实施例1中的方法。取备用原料,在70℃条件下榨汁,压榨后残渣在70℃条件下再经水泡浸提,再将浸提液和甜菜汁进行调配至混合液糖锤度17%;加果胶酶0.2%,50℃温度下静止1h后用活性干酵母进行乙醇发酵,发酵温度32℃,发酵时间54h。
处理四(方法2):采用周剑平等“利用甜菜直接进行乙醇发酵的方法”(公开号:CN101280323A)实施例2中的方法。取备用原料,用打浆机打浆,调配奖状物至糖锤度17%,调pH5.5,然后添加5%的复合酶(果胶酶、纤维素酶和糖化酶酶液体积比为2∶2∶1),55℃保温1h,打入发酵罐采用活性干酵母进行乙醇发酵,发酵温度32℃,发酵时间54h。
原料处理后打入发酵罐前测定总糖含量,发酵进行至12小时检测发酵液酵母菌细胞数,发酵结束后测定发酵液乙醇浓度和残总量,计算乙醇发酵率和原料乙醇产率,结果列于表1和表2并图示于图1a-1g。所述总糖为蔗糖和还原糖之和;乙醇发酵率为单位量总糖实际所产的酒精量与理论上应产的酒精量之百分比;原料乙醇产率指每消耗1克甜菜原料所合成的产物纯乙醇的克数。
表1原料处理方式对甜菜乙醇发酵效果的影响
注:表中数据是4次重复的平均值。
表2原料处理方式对甜菜乙醇发酵效果的影响
注:表中数据是4次重复的平均值。
由表1和表2,按照本发明的协同处理,其效果优于其它处理,比不采用协同处理发酵醪初始总糖增加18.17%度增加3.55%,乙醇发酵15.19%率增加3.64%,原料乙醇产率增加3.64%,残总糖降低35.10%,发酵时间缩短6小时。发酵进行至12小时,酵母细胞数较对照(CK,添加无机氮)提高了21.5%,较不添加无机氮和酸性蛋白酶的方法1提高了90.1%,较方法2提高了53.6%。在周剑平等“利用甜菜直接进行乙醇发酵的方法”(公开号:CN101280323A)实施例2的方法中,复合酶组成与本发明不同,糖化酶的使用应该没有效果,因为甜菜原料中的碳水化合物是糖而不是淀粉。本发明所采用的复合酶能够分解纤维素、半纤维素,而周剑平等所采用的酶系不能分解半纤维素,发酵所用的酵母亦不能利用五碳糖;酸性蛋白酶使蛋白质分解产生氨基酸和二肽,为酵母菌提供了氮源,提高了酵母菌的增殖速度,导致发酵速率提高、发酵期缩短、乙醇含量提高和残总糖降低,而周剑平等所采用的酶系不含酸性蛋白酶,因此二者效果差别明显。在对发酵前后的纤维素和半纤维素总量进行考察检测时,发现发酵成熟醪液中的纤维素和半纤维素总量减少了89.7%。
实验二:乙醇合成促进剂对甜菜乙醇发酵效果的影响
在本实验中,评价了乙醇合成促进剂对乙醇发酵效果的影响。所用的原料是吉林西部地区生产的糖用甜菜,将原料洗净切块后混均,备用。实验设5个处理,每个处理重复4次。
处理一(CK):取备用甜菜块粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5-1.0的料液;132℃,灭菌7min;加入营养盐,添加量为每升发酵底物(NH4)2HPO41.5g、MgSO41.0g、CaCl21.5g、KH2PO41.0g;接种,酿酒酵母种子量为15%,种子液与发酵醪液的体积比;接种后通入无菌空气将溶氧控制在80%,之后在温度32℃、转数150r/min条件下发酵,发酵时间44h。
处理二(植酸):在发酵进行至8小时后加入植酸,添加量为1.0g/L;发酵时间38h,其它工艺条件同处理一。
处理三(硬脂酸):在发酵进行至8小时后加入硬脂酸,硬脂酸添加量为1.5g/L;发酵时间40h,其它工艺条件同处理一。
处理四(麦角甾醇):在发酵进行至8小时后加入麦角甾醇,麦角甾醇添加量为25mg/L;发酵时间40h,其它工艺条件同处理一。
处理五(混合物):在发酵进行至8小时后加入乙醇合成促进剂的植酸、硬脂酸和麦角甾醇混合物,添加量为每升发酵醪液植酸1.0g、硬脂酸1.5g、麦角甾醇25mg;发酵时间34h,其它工艺条件同处理一。
发酵进行至34小时检测发酵液中酵母活细胞数,发酵结束后测定发酵液乙醇浓度和残总糖量,计算原料乙醇产率,结果列于表3并图示于图2a-2e。
表3乙醇合成促进剂对甜菜乙醇发酵效果的比较
注:(1)表中数据是4次重复的平均值;(2)所述的混合物是指乙醇合成促进剂的植酸、硬脂酸和麦角甾醇的混合物。
本试验结果表明,主发酵期单独添加植酸、硬脂酸、麦角甾醇不同程度地增加了发酵液中酵母菌活菌数量和乙醇浓度,降低了残总糖量,缩短了发酵时间,混合添加表现出了累加效应。按照本发明的方法,向发酵培养基添加营养盐和乙醇合成促进混合物,可使乙醇发酵率达到95.67%,较现有方法或工艺提高10%以上。所述现有方法或工艺是指周剑平等“利用甜菜直接进行乙醇发酵的方法”(公开号:CN101280323A)实施例1中的方法,采用该方法基于实验一中的数据计算得出乙醇发酵率为80.87%;同一专利实施例2中的方法,乙醇发酵率为80.34%。
附图说明
图1a是采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对发酵醪初始总糖影响的柱形图。
图1b是采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对发酵醪乙醇浓度影响的柱形图。
图1c是采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对原料乙醇产率影响的柱形图。
图1d是采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对发酵醪残总糖影响的柱形图。
图1e是柱形图,显示了采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对发酵醪酵母细胞数量的影响。
图1f是是柱形图,显示了采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对乙醇发酵率的影响。
图1g是是柱形图,显示了采用复合酒精酶协同超声波处理导致的对乙醇发酵时间的影响。
图2a是柱形图,显示了主发酵期单独添加植酸、硬脂酸、麦角甾醇及其混合物添加对发酵醪中酵母菌活菌数量的影响。
图2b是柱形图,显示了主发酵期单独添加植酸、硬脂酸、麦角甾醇及其混合添加对发酵醪中乙醇浓度的影响。
图2c是柱形图,显示了主发酵期单独添加植酸、硬脂酸、麦角甾醇及其混合添加对发酵醪中残总糖量的影响。
图2d是柱形图,显示了主发酵期单独添加植酸、硬脂酸、麦角甾醇及其混合添加对发酵时间的影响。
图2e是柱形图,显示了主发酵期单独添加植酸、硬脂酸、麦角甾醇及其混合添加对乙醇发酵率的影响。
图2a-图2e中的所述的混合物是指乙醇合成促进剂的植酸、硬脂酸和麦角甾醇的混合物。
具体实施方式
实施例1
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,包括如下步骤:
I.培养基的制备
(1)酵母培养基制备:本步骤所涉及到的材料配比的量纲均为g/L。
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基的制备:木糖15,葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,pH4.5;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖15,葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,琼脂15,pH4.5;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基制备:葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,pH4.5;
d.酿酒酵母固体培养基制备:葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,琼脂15,pH4.5。
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO4为0.5g,CaCl2为1.0g,KH2PO4为2.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤IV;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4。
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:
将步骤(2)的发酵培养基和步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基,分别按体积比1∶4、2∶3、3∶2、5∶0,配制成不同浓度梯度的驯化培养基。
II.菌种驯化培养
按体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0分别将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入步骤I(3)的嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基中,分别得到体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0的驯化培养基;将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在26℃,80r/min摇床振荡培养25h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在28℃,80r/min摇床振荡培养25h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在30℃,80r/min摇床振荡培养25h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在32℃,80r/min摇床振荡培养25h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在28℃,80r/min摇床振荡培养50h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上28℃,100h,得到驯化好的菌种,冷藏保存。
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,28℃,80r/min摇床振荡培养25h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基中,28℃,80r/min摇床振荡培养12h,得到酿酒酵母菌种子液。
IV.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌3min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至50℃时首先进行超声波处理,超声时间为20min,超声功率300W;然后加入浓度为5g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,50℃保温振荡40min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL。
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母体种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为5%。
(1)发酵前期:温度控制在28℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在50%,发酵醪中pH值保持在3.8,时间8h。
(2)主发酵期:发酵进行至8h加入乙醇合成促进剂,乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素4×10-4g、植酸0.8g、硬脂酸1.0g、麦角甾醇0.02g;温度控制在31℃,时间12h,发酵醪中pH值保持在4.5;所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇。
(3)后发酵期:温度控制在30℃,溶氧控制在1%,时间24h,发酵醪中pH值保持在4.0,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行。
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为100r/min;
(4)在线监控:对影响发酵的过程在线监控,密切注意操作变量的改变引起pH值、温度、溶氧等改变,确保乙醇发酵在给定的条件下进行。
发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为11.8%,残总糖0.39%,原料乙醇产率12.9%。
实施例2
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,包括如下步骤:
I.培养基制备
(1)酵母培养基制备:本步骤所涉及到的材料配比的量纲均为g/L。
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基的制备:木糖20,葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,pH5.0;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖20,葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,琼脂17,pH5.0;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基制备:葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,pH5.0;
d.酿酒酵母固体培养基制备:葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,琼脂18,pH5.0。
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO41.0g,CaCl22.0g,KH2PO43.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤IV;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4。
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:
将步骤(2)的发酵培养基和步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基,分别按体积比1∶4、2∶3、3∶2、5∶0,配制成不同浓度梯度的驯化培养基。
II.菌种驯化培养
按体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0分别将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入步骤I(3)的嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基中,分别得到体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0的驯化培养基;
将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在27℃,100r/min摇床振荡培养30h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在29℃,100r/min摇床振荡培养30h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在31℃,100r/min摇床振荡培养30h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在33℃,100r/min摇床振荡培养30h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在32℃,100r/min摇床振荡培养60h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上32℃,120h,得到驯化好的菌种,冷藏保存。
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,31℃,100r/min摇床振荡培养30h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基,30℃,130r/min摇床振荡培养16h,得到酿酒酵母菌种子液。
IV.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌5min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至52℃时首先进行超声波处理,超声时间为30min,超声功率300W;然后加入浓度为8g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,52℃保温振荡50min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL。
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为7.5%。
(1)发酵前期:温度控制在30℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在65%,发酵醪中pH值保持在4.0,时间6h。
(2)主发酵期:发酵进行至6h加入乙醇合成促进剂,乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素5×10-4g、植酸1.4g、硬脂酸1.5g、麦角甾醇0.025g;温度控制在33℃,时间10h,发酵醪中pH值保持在5.0;所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇。
(3)后发酵期:温度控制在31℃,溶氧控制在3%,时间20h,发酵醪中pH值保持在5.0,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行;
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为150r/min。
(4)在线监控:对影响发酵的过程在线监控,密切注意操作变量的改变引起pH值、温度、溶氧等改变,确保乙醇发酵在给定的条件下进行。
发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为12.5%,残总糖0.20%,原料乙醇产率13.8%。
实施例3
本发明提供一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,包括如下步骤:
I.培养基制备
(1)酵母培养基制备:本步骤所涉及到的材料配比的量纲均为g/L。
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基的制备:木糖25,葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,pH5.5;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖25,葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,琼脂20,pH5.5;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基制备:葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,pH5.5;
d.酿酒酵母固体培养基制备:葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,琼脂20,pH5.5。
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO41.5g,CaCl23.0g,KH2PO44.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤IV;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4。
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:
将步骤(2)的发酵培养基和步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基,分别按体积比1∶4、2∶3、3∶2、5∶0,配制成不同浓度梯度的驯化培养基。
II.菌种驯化培养
按体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0分别将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入步骤I(3)的嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基中,分别得到体积比为1∶4、2∶3、3∶2和5∶0的驯化培养基;将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在28℃,120r/min摇床振荡培养35h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在30℃,120r/min摇床振荡培养35h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在32℃,120r/min摇床振荡培养35h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在34℃,120r/min摇床振荡培养35h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在34℃,120r/min摇床振荡培养70h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上34℃,140h,得到驯化好的菌种,冷藏保存。
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,34℃,120r/min摇床振荡培养30h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基,32℃,180r/min摇床振荡培养18h,得到酿酒酵母菌种子液。
IV.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌7min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至55℃时首先进行超声波处理,超声时间为40min,超声功率300W;然后加入浓度为10g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,55℃保温振荡60min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL。
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为10%。
(1)发酵前期:温度控制在31℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在80%,发酵醪中pH值保持在4.2,时间4h。
(2)主发酵期:发酵进行至6h加入乙醇合成促进剂,乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素6×10-4g、植酸2.0g、硬脂酸2.0g、麦角甾醇0.03g,温度控制在35℃,时间8h,发酵醪中pH值保持在5.5;所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇。
(3)后发酵期:温度控制在32℃,溶氧控制在4%,时间18h,发酵醪中pH值保持在5.5,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行。
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为300r/min;
(4)在线监控:对影响发酵的过程在线监控,密切注意操作变量的改变引起pH值、温度、溶氧等改变,确保乙醇发酵在给定的条件下进行。
发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为12.0%,残总糖0.45%,原料乙醇产率13.3%。
实施例4
将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶1.0的料液,其它条件同实施例2。发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为9.3%,残总糖0.16%,原料乙醇产率13.2%。
实施例5
将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液比;灭菌条件:121℃,灭菌20min;乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,墩果酸添加量为每升发酵醪液0.04g。其它条件同实施例2,发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为12.4%,残总糖0.21%,原料乙醇产率13.7%。
实施例6
将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液比;灭菌条件:121℃,灭菌25min;乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪液0.05g。其它条件同实施例2,发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为12.8%,残总糖0.15%,原料乙醇产率14.1%。
实施例7
将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液比;灭菌条件:121℃,灭菌30min;乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪液0.06g。其它条件同实施例2,发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为12.7%,残总糖0.18%,原料乙醇产率14.0%。
实施例8
将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶1.0的料液比;灭菌条件:121℃,灭菌25min;乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪液0.05g。其它条件同实施例2,发酵结束以后,20℃条件下,发酵液中乙醇体积比浓度为9.5%,残总糖0.22%,原料乙醇产率13.5%。
Claims (10)
1.一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于步骤如下:
I.培养基的制备
(1)酵母培养基的制备:本步骤所涉及到的材料配比的单位均为g/L;
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基:木糖15-25,葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,pH4.5-5.5;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖15-25,葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,琼脂15-20,pH4.5-5.5;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基:葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,pH4.5-5.5;
d.酿酒酵母固体培养基:葡萄糖40-60,酵母粉5-10,蛋白胨3-5,MgSO40.2-0.4,CaCl20.5-1.5,KH2PO41-3,琼脂15-20,pH4.5-5.5;
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO4为0.5-1.5g,CaCl2为1.0-3.0g,KH2PO4为2.0-4.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤IV;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4;
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:
将步骤(2)的发酵培养基和步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基,分别按体积比1∶4、2∶3、3∶2和5∶0,配制成不同浓度梯度的驯化培养基;
II.菌种驯化培养
将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在26-28℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在28-30℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在30-32℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在32-34℃,80-120r/min摇床振荡培养 25-35h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在28-34℃,80-120r/min摇床振荡培养50-70h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上28-34℃,100-140h,得到驯化好的菌种,冷藏保存;
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,28-34℃,80-120r/min摇床振荡培养25-35h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基中,28-32℃,80-180r/min摇床振荡培养12-18h,得到酿酒酵母菌种子液;
IV.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5-1.0的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌3-7min或121℃,灭菌20-30min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至50-55℃时首先进行超声波处理,超声时间为20-40min,超声功率300W;然后加入浓度为5-10g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,50-55℃保温振荡40-60min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL,
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为5-10%;
(1)发酵前期:温度控制在28-31℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在50-80%,发酵醪中pH值保持在3.8-4.2,时间4-8h;
(2)主发酵期:发酵进行至4-8h加入乙醇合成促进剂,所述的乙醇合成促进剂的第一组为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇,第二组为硫胺素、植酸、硬脂酸和齐墩果酸;乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素4×10-4-6×10-4g、植酸0.8-2.0g、硬脂酸1.0-2.0g、麦角甾醇0.02-0.03g、齐墩果酸0.04-0.06g;温度控制在31-35℃,时间8-12h,发酵醪中pH值保持在4.5-5.5;
(3)后发酵期:温度控制在30-32℃,溶氧控制在1-4%,时间18-24h,发酵醪中pH值保持在4.0-5.5,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促 进发酵反应正向进行,得到乙醇;
发酵前期、主发酵期和后发酵期均在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为100-300r/min;
(4)在线监控:对影响发酵的过程在线监控,密切注意操作变量的改变引起pH值、温度、溶氧等改变,确保乙醇发酵在给定的条件下进行。
2.如权利要求1所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,所述的步骤V.发酵的(3)后发酵期中,所述的溶氧控制在3%。
3.如权利要求1所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,步骤如下:
I.培养基的制备
(1)酵母培养基制备:本步骤所涉及到的材料配比的单位均为g/L;
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基的制备:木糖15,葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,pH4.5;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖15,葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,琼脂15,pH4.5;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基制备:葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,pH4.5;
d.酿酒酵母固体培养基制备:葡萄糖40,酵母粉5,蛋白胨3,MgSO40.2,CaCl20.5,KH2PO41.0,琼脂15,pH4.5;
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO4为0.5g,CaCl2为1.0g,KH2PO4为2.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤Ⅳ;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4;
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:同权利要求1;
II.菌种驯化培养
将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在26℃,80r/min摇床振荡培养25h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在28℃,80r/min摇床振荡培养25h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体 积比为3∶2的驯化培养基中,在30℃,80r/min摇床振荡培养25h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在32℃,80r/min摇床振荡培养25h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在28℃,80r/min摇床振荡培养50h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上28℃,100h,得到驯化好的菌种,冷藏保存;
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,28℃,80r/min摇床振荡培养25h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基中,28℃,80r/min摇床振荡培养12h,得到酿酒酵母菌种子液;
Ⅳ.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌3min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至50℃时首先进行超声波处理,超声时间为20min,超声功率300W;然后加入浓度为5g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,50℃保温振荡40min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL;
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母体种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为5%;
(1)发酵前期:温度控制在28℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在50%,发酵醪中pH值保持在3.8,时间8h;
(2)主发酵期:发酵进行至8h加入乙醇合成促进剂,乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素4×10-4g、植酸0.8g、硬脂酸1.0g和麦角甾醇0.02g;温度控制在31℃,时间12h,发酵醪中pH值保持在4.5;所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇;
(3)后发酵期:温度控制在30℃,溶氧控制在1%,时间24h,发酵醪中pH 值保持在4.0,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行;
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为100r/min;
(4)在线监控:同权利要求1。
4.如权利要求1所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,步骤如下:
I.培养基制备
(1)酵母培养基制备:本步骤所涉及到的材料配比的单位均为g/L;
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基的制备:木糖20,葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,pH5.0;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖20,葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,琼脂17,pH5.0;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基制备:葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,pH5.0;
d.酿酒酵母固体培养基制备:葡萄糖50,酵母粉8,蛋白胨4,MgSO40.3,CaCl21.0,KH2PO42.0,琼脂18,pH5.0;
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO41.0g,CaCl22.0g,KH2PO43.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤Ⅳ;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4;
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:同权利要求1;
II.菌种驯化培养
将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在27℃,100r/min摇床振荡培养30h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在29℃,100r/min摇床振荡培养30h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在31℃,100r/min摇床振荡培养30h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培 养基中,在33℃,100r/min摇床振荡培养30h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在32℃,100r/min摇床振荡培养60h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上32℃,120h,得到驯化好的菌种,冷藏保存;
III.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,31℃,100r/min摇床振荡培养30h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基,30℃,130r/min摇床振荡培养16h,得到酿酒酵母菌种子液;
Ⅳ.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌5min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至52℃时首先进行超声波处理,超声时间为30min,超声功率300W;然后加入浓度为8g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,52℃保温振荡50min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL;
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为7.5%;
(1)发酵前期:温度控制在30℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在65%,发酵醪中pH值保持在4.0,时间6h;
(2)主发酵期:发酵进行至6h加入乙醇合成促进剂,乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素5×10-4g、植酸1.4g、硬脂酸1.5g、麦角甾醇0.025g;温度控制在33℃,时间10h,发酵醪中pH值保持在5.0;所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇;
(3)后发酵期:温度控制在31℃,溶氧控制在3%,时间20h,发酵醪中pH值保持在5.0,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行;
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为 150r/min;
(4)在线监控:同权利要求1。
5.如权利要求1所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,步骤如下:
I.培养基制备
(1)酵母培养基制备:本步骤所涉及到的材料配比的单位均为g/L;
a.嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)液体培养基的制备:木糖25,葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,pH5.5;
b.嗜鞣管囊酵母固体培养基:木糖25,葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,琼脂20,pH5.5;
c.酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)液体培养基制备:葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,pH5.5;
d.酿酒酵母固体培养基制备:葡萄糖60,酵母粉10,蛋白胨5,MgSO40.4,CaCl21.5,KH2PO43.0,琼脂20,pH5.5;
(2)发酵培养基的制备:
将复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物作为碳源,并添加营养盐,每升发酵底物,营养盐的添加量如下:MgSO41.5g,CaCl23.0g,KH2PO44.0g;所述的复合酒精酶协同超声波处理后的发酵底物的制备方法见步骤Ⅳ;所述的营养盐为MgSO4、CaCl2和KH2PO4;
(3)嗜鞣管囊酵母菌种驯化培养基的制备:同权利要求1;
II.菌种驯化培养
将嗜鞣管囊酵母原始菌种从斜面培养基上接入体积比为1∶4的驯化培养基中,在28℃,120r/min摇床振荡培养35h;菌体在体积比为1∶4驯化培养基中生长良好后,把得到的菌体接种于体积比为2∶3的驯化培养基中,在30℃,120r/min摇床振荡培养35h;菌体在体积比为2∶3的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为3∶2的驯化培养基中,在32℃,120r/min摇床振荡培养35h;菌体在体积比为3∶2的驯化培养基中生长良好后,接种于体积比为5∶0的驯化培养基中,在34℃,120r/min摇床振荡培养35h;直至菌种生长良好后,将该驯化的菌种接入步骤(1)a的嗜鞣管囊酵母液体培养基中,在34℃,120r/min摇床振荡培养70h,取菌种接入嗜鞣管囊酵母固体培养基上34℃,140h,得到驯化 好的菌种,冷藏保存;
Ⅲ.制备种子液:从斜面上挑取1-2环经驯化好的嗜鞣管囊酵母菌,接种于嗜鞣管囊酵母液体培养基中,34℃,120r/min摇床振荡培养30h,得到嗜鞣管囊酵母菌种子液;
从斜面上挑取1-2环酿酒酵母菌接种于酿酒酵母液体培养基,32℃,180r/min摇床振荡培养18h,得到酿酒酵母菌种子液;
Ⅳ.发酵底物制备
(1)原料预处理:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶0.5的料液;
(2)灭菌条件:132℃,灭菌7min;
(3)复合酒精酶协同超声波处理:灭菌后冷却至55℃时首先进行超声波处理,超声时间为40min,超声功率300W;然后加入浓度为10g/L的复合酒精酶,用2mol/L硫酸调pH值为4.8,调节超声功率为45W,55℃保温振荡60min,得到发酵底物;
所述的复合酒精酶酶活构成为:β-葡聚糖酶≥136万u/mL、纤维素酶≥11万u/mL、木聚糖酶≥120万u/mL、果胶酶≥0.3万u/mL和酸性蛋白酶≥1.5万u/mL;
V.发酵:按步骤I(2)中的发酵培养基制备中的配比添加量加入营养盐;分别将步骤III制备的嗜鞣管囊酵母种子液和酿酒酵母种子液接种于发酵醪液,种子液与发酵醪液的体积比均为10%;
(1)发酵前期:温度控制在31℃,供给适量的无菌空气将溶氧控制在80%,发酵醪中pH值保持在4.2,时间4h;
(2)主发酵期:发酵进行至6h加入乙醇合成促进剂,乙醇合成促进剂加入量为每升发酵醪液添加硫胺素6×10-4g、植酸2.0g、硬脂酸2.0g、麦角甾醇0.03g,温度控制在35℃,时间8h,发酵醪中pH值保持在5.5;所述的乙醇合成促进剂为硫胺素、植酸、硬脂酸和麦角甾醇;
(3)后发酵期:温度控制在32℃,溶氧控制在4%,时间18h,发酵醪中pH值保持在5.5,发酵过程中产生的CO2定期通过呼吸器逸出系统,以促进发酵反应正向进行;
发酵前期、主发酵期和后发酵期均应该在振荡或搅拌下进行,搅拌速度为300r/min;
(4)在线监控:同权利要求1。
6.如权利要求4所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,所述的步骤Ⅳ,酵底物制备的(1)原料预处理中,替换为:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶1.0的料液。
7.如权利要求4所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,所述的步骤V,发酵的(2)主发酵期中,乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪液0.04g。
8.如权利要求4所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,所述的步骤V,发酵的(2)主发酵期中,乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪0.05g。
9.如权利要求4所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,所述的步骤V,发酵的(2)主发酵期中,乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪0.06g。
10.如权利要求4所述的一种提高甜菜发酵生产乙醇产率的方法,其特征在于,所述的步骤Ⅳ,发酵底物制备的(1)原料预处理中,替换为:将甜菜洗净粉碎,颗粒度1-3mm,并将其与水配成质量比为1∶1.0的料液;所述的步骤V,发酵的(2)主发酵期中,乙醇合成促进剂中的麦角甾醇用齐墩果酸替换,齐墩果酸添加量为每升发酵醪0.05g。
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