CN102242177A - 一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法，包括如下步骤：1)用固体碱对糠醛渣水溶液进行中和、过滤，得到糠醛渣滤液和糠醛滤渣；2)用糠醛渣中和滤液分别对乳酸菌和酵母进行适应性培养；3)将步骤1)得到的糠醛滤渣和步骤2)得到的乳酸菌和酵母装入发酵罐，进行同步糖化发酵，得到乳酸和乙醇。本发明混菌发酵具有比单一菌种发酵更高的纤维素利用率和生产效率，同时能够节约反应试剂的消耗量，降低生产成本，加快了设备资金的回收。

Description

一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法
技术领域
本发明涉及生物质化学化工领域，具体地说，涉及一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法。
背景技术
乳酸是一种天然存在的有机酸，为无色透明或浅黄色糖浆状的粘性液，几乎无臭或微带有脂肪酸臭，味酸。乳酸可分为工业级、食品级和药典级。乳酸的工业化生产主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法，我国多采用发酵法为主。微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种选育和培养条件的选择而得到具有专一性的L-乳酸、D-乳酸或DL-乳酸。乳酸在食品行业、医药行业、化妆品工业、生物降解材料、卷烟行业、纺织行业、涂料墨水工业、制革工业、微电子工业和农业中都有广泛应用。传统乳酸发酵所用的主要原料是淀粉类，成本较高，而且大规模工业化生产会消耗大量粮食，加剧粮食与饲料资源的紧张状况。如果能采用价廉易得的来生产，不仅能大大拓展其生产原料的来源、降低原料成本，而且对解决粮食危机和减少环境污染有积极意义，其经济效益和社会效益十分明显。
燃料乙醇可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是即将枯竭的化石能源替代能源。目前燃料乙醇生产主要采用淀粉基原料，这些原料大部分是粮食，比如巴西以甘蔗为原料生产乙醇，美国以玉米为原料，欧洲则主要以小麦为原料，我国也发展了以玉米和小麦为原料的乙醇工业。近年来，世界各国提倡以非粮食原料进行燃料乙醇生产。我国也明确强调发展非粮食基生物燃料乙醇生产。
采用酵母进行乙醇发酵，其后期常伴随乳酸的产生。因为酵母菌中含有乳酸菌，也有部分酵母本身代谢途径产生乳酸。乙醇发酵生产中，通常要去避免乳酸的产生，研究对乳酸产生的条件，也有研究通过添加抗生素、乳酸以及基因改造菌抑制乳酸的产生，这些无疑增加乙醇生产的成本。乙醇生产所产生的乳酸因为其浓度较低难于经济回用，造成生物质转化及发酵营养的浪费。乙醇发酵结束后难于利用酵母，对于需要一定糖及营养输入的酵母，这代表会降低体系的效率及经济性。
混合发酵是发酵过程中不只采用单一菌种，利用多种微生物实现生物炼制的过程。在同步糖化发酵工艺中，产酶微生物和发酵微生物在同一容器中，产酶微生物产生的酶降解纤维素为发酵微生物提供碳源和能量物质，混合发酵避免使用高成本的纤维素酶。纤维素酶是混合酶组成的，对不同底物不同的酶比例能取得好的降解纤维素的效果。在进行乙醇发酵时，常常有乳酸的产生，因为酵母当中存在难以除去的乳酸菌，研究表明避免乳酸的产生往往很难。酵母发酵过程酵母细胞的繁殖和死亡是一个震荡过程，死亡的酵母能为乳酸菌提供需要的营养物质。基于上述几点提出木质纤维原料糠醛渣的乙醇乳酸混合发酵，即将木质纤维同步转化为乙醇和乳酸，这种发酵方式中乳酸菌可以充分利用死亡酵母作为营养源来生产乳酸。乳酸菌对营养的要求高，因此发酵培养基成本高，为降低这一成本的研究表明，酵母菌体能为乳酸菌提供部分氮源。混合乳酸菌发酵相比单种乳酸菌发酵优势在于混合菌能降低营养要求，多种乳酸菌的共发酵同样可以降低对培养基的要求，双岐杆菌种可在培养基内分泌大量多种氨基酸以满足其他乳酸菌需要。这表明乳酸菌和酵母菌在一定程度上共生，并且死亡的酵母细胞能提供乳酸菌部分营养，乳酸菌比酵母具有更大适应性。实现乳酸菌和乙醇共发酵有一定可行性和实际意义。
相比单纯乳酸发酵体系，混菌发酵体系降低了产物抑制具有高的生产力，同时酵母能一定程度消除体系存在的抑制剂并且死亡酵母也能为乳酸菌提供营养，如果后期采用酯化法进行提纯乳酸或者用于乳酸乙酯(一种用途广泛的高附加值绿色溶剂)，乙醇也是一种反应物减少乙醇的添加量。
在糠醛生产(纤维原料蒸煮水解)过程中，伴有大量糠醛废渣产生，每吨糠醛产品排出10吨以上残渣，我国每年排放糠醛废渣约3000万吨。糠醛的生产大多采用弱酸水解法，在分离了大部分半纤维素的同时，原料原有的纤维素与半纤维素、木素之间的复杂网状结构遭到一定程度的破坏，可省去复杂的植物纤维原料预处理过程，为利用糠醛渣纤维素生物转化提供了有利条件。本发明选用资源丰富、结构特殊的糠醛渣作为纤维素原料，选用常用商业可得的酵母和乳酸菌，通过同步糖化混合发酵制备乙醇和乳酸，将乙醇发酵与乳酸发酵进行有机耦合，以提高原料利用率和纤维原料的转化效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法。发酵后期乳酸菌可利用死酵母细胞，提高了同步糖化发酵底物浓度，同时提高了纤维素利用率和生产效率。
为了实现本发明目的，本发明提供了一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法，包括如下步骤：
1)用固体碱对糠醛渣水溶液进行中和、过滤，得到糠醛渣中和滤液和糠醛滤渣；
2)用糠醛渣中和滤液分别对乳酸菌和酵母进行适应性培养；
3)将步骤1)得到的糠醛滤渣和步骤2)得到的乳酸菌和酵母装入发酵罐，进行同步糖化发酵，得到乳酸和乙醇。
所述步骤1)中所用固体碱为氢氧化钠，pH控制在5～6；所述糠醛渣水溶液中糠醛渣与水的质量比优选为1∶10。
步骤2)中所述适应性培养是指乳酸菌发酵使用前提前适应含抑制物等发酵液环境的过程。糠醛渣中和滤液与加入的乳酸菌或酵母体积重量比优选为15∶1(L/kg)。适应性培养的培养温度优选为30℃～32℃，培养时间为优选24h～36h，pH值优选为4.5～6.0。
其中，酵母适应性培养的糠醛渣中和滤液中还含有0.5g/l的KH2PO4和0.5g/l的MgSO4·7H2O；酵母适应性培养的培养温度更优选为30℃，培养时间更优选为24h，pH值更优选为4.5。
其中，乳酸菌适应性培养的糠醛渣中和滤液中还含有0.5g/l的KH2PO4、0.5g/l的MgSO4·7H2O、0.1g/l的NaCl，和CaCO3 20g/l；乳酸菌适应性培养的培养温度更优选为32℃，培养时间更优选为36h，pH值更优选为6.0。
步骤3)中所述糠醛滤渣绝干重为5％～10％；糠醛滤渣装入前还包括糠醛滤渣灭菌的步骤；发酵体系中还加入纤维素酶15FPU/(g纤维素)。
发酵体系中酵母起始浓度为1.5g/l，乳酸菌起始浓度为1.25g/l，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，固体CaCO3 20g/l，发酵时间优选为120h，温度优选为38～42℃，pH值优选为5.5～6.5。
得到的乳酸和乙醇可以采取常规方法进行分离。另外，由于乳酸远高于水和乙醇的沸点，因此混菌发酵体系的发酵液能通过传统蒸馏、精馏得到乙醇。
本发明提供的由糠醛渣混合发酵制备乳酸和乙醇方法的优点是：
(1)工业糠醛废渣资源量大、价格低廉，糠醛渣含有丰富的纤维素，其纤维素聚合度较低且结构松散，是制备纤维素生物转化的优选原料。
(2)混菌发酵具有比单一菌种发酵更高的纤维素利用率和生产效率。
(3)同步糖化发酵底物浓度越高，混菌发酵纤维转化越高，混菌发酵适合高底物的同步糖化发酵。
(4)相比单纯乙醇发酵体系，混菌发酵体系能利用酵母并且将其转化为部分高价值的乳酸，能加快设备资金的回收。
(5)相比单纯乳酸发酵体系，混菌发酵体系降低了产物抑制，具有高的生产力，同时酵母能一定程度消除体系存在的抑制剂并且死亡酵母也能为乳酸菌提供营养。
附图说明
图1为本发明的发酵制备乳酸和乙醇的方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。以下实施例中纤维素酶来源于诺维信公司，酵母为耐高温型安琪活性干酵母，乳酸菌为嗜热乳杆菌，均为市售商品。
实施例1
1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后将中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣中和滤液和糠醛滤渣。
2)将步骤1)得到的15L糠醛渣中和滤液中加入7.5g的KH2PO4，7.5g的MgSO4·7H2O，1kg酵母，在pH值4.5，培养温度30℃的培养条件为下，适应性培养24h，得酵母菌株。
同时，将步骤1)得到的15L糠醛渣中和滤液中加入7.5g的KH2PO4，7.5g的MgSO4·7H2O，1.5g的NaCl，300g的CaCO3，1kg嗜热型乳酸菌，在pH值6.0，培养温度32℃的培养条件为下，适应性培养36h，得乳酸菌株。
3)将步骤1)得到的糠醛滤渣绝干重为50g进行灭菌处理，然后和步骤2)得到的乳酸菌和酵母菌株装入发酵罐发酵，发酵体系体积为1升，发酵体系中酵母起始浓度为1.5g/l，乳酸菌起始浓度为1.25g/l，温度为38℃，pH值6，纤维素酶加入量15FPU/(g纤维素)，进行同步糖化发酵，发酵培养基成分为KH2PO40.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，CaCO3 20g/l。发酵120h后，将发酵液进行分离，可分别得到乳酸和乙醇。
经检测，本实施例的纤维转化率为85.6％。乳酸浓度10.4g/l，乙醇浓度4.95g/l，酸醇摩尔比为1.07。
对比例：
采用绝干重量为5％的糠醛滤渣单独乙醇发酵，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，牛肉膏5g/l，纤维素酶加入量15FPU/(g纤维素)，酵母起始浓度为1.5g/l，同步糖化发酵温度为38℃，120h时纤维转化率为81.9％。乙醇浓度10.2g/l。
实施例2
1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后将中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣中和滤液和糠醛滤渣。
2)将步骤1)得到的15L糠醛渣中和滤液中加入7.5g的KH2PO4，7.5g的MgSO4·7H2O，1kg酵母，在pH值4.5，培养温度30℃的培养条件为下，适应性培养24h，得酵母菌株。
同时，将步骤1)得到的15L糠醛渣中和滤液中加入7.5g的KH2PO4，7.5g的MgSO4·7H2O，1.5g的NaCl，300g的CaCO3，1kg嗜热型乳酸菌，在pH值6.0，培养温度32℃的培养条件为下，适应性培养36h，得乳酸菌株。
3)将步骤1)得到的糠醛滤渣绝干重为50g进行灭菌处理，然后和步骤2)得到的乳酸菌和酵母菌株装入发酵罐发酵，发酵体系体积为1升，发酵体系中酵母起始浓度为1.5g/l，乳酸菌起始浓度为1.25g/l，温度为42℃，pH值6，纤维素酶加入量15FPU/(g纤维素)，进行同步糖化发酵，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，CaCO3 20g/l。发酵120h后，将发酵液进行分离，分别得到乳酸和乙醇。
经检测，本实施例的纤维转化率为80.9％。乳酸浓度9.82g/l，乙醇浓度4.68g/l，酸醇摩尔比为1.06。
对比例：
采用绝干重量为5％的糠醛滤渣单独乙醇发酵，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，牛肉膏5g/l，纤维素酶加入量15FPU/(g纤维素)，酵母加入量1.5g/l，发酵温度为42℃，120h时纤维转化率为65.5％。乙醇浓度8.18g/l。
相同条件和步骤下，采用绝干重量为5％的糠醛滤渣单独乳酸发酵，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，CaCO3 20g/l，纤维素酶加入量15FPU/(g纤维素)，乳酸菌加入量1.25g/l，发酵温度为42℃，120h后纤维转化率为80.9％。乳酸浓度17.55g/l。
实施例3
在相同步骤和条件下分别采用绝干重为5％、7％和9％的糠醛滤渣进行发酵，具体步骤如下：
1)用固体NaOH对100L糠醛渣水溶液(糠醛渣与水的质量比为1∶10)进行中和，直至糠醛渣水溶液的pH值为5，然后将中和了的糠醛渣水溶液离心过滤，得到糠醛渣中和滤液和糠醛滤渣。
2)将步骤1)得到的15L糠醛渣中和滤液中加入7.5g的KH2PO4，7.5g的MgSO4·7H2O，1kg酵母，在pH值4.5，培养温度30℃的培养条件为下，适应性培养24h，得酵母菌株。
同时，将步骤1)得到的15L糠醛渣中和滤液中加入7.5g的KH2PO4，7.5g的MgSO4·7H2O，1.5g的NaCl，300g的CaCO3，1kg嗜热型乳酸菌，在pH值6.0，培养温度32℃的培养条件为下，适应性培养36h，得乳酸菌株。
3)将步骤1)得到的糠醛滤渣进行灭菌处理，然后和步骤2)得到的乳酸菌和酵母菌株装入发酵罐发酵，发酵体系中酵母起始浓度为1.5g/l，乳酸菌起始浓度为1.25g/l，温度为40℃，pH值6，纤维素酶加入量15FPU/(g纤维素)，进行同步糖化发酵，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，CaCO3 20g/l。发酵120h后，将发酵液进行分离，分别得到乳酸和乙醇。
实验结果表明：5％的糠醛滤渣纤维转化率为67.5％，乳酸浓度8.2g/l，乙醇浓度3.91g/l，酸醇摩尔比为1.06；7％的糠醛滤渣纤维转化率为84.7％，乳酸浓度14.3g/l，乙醇浓度6.86g/l，酸醇摩尔比为1.05；9％的糠醛滤渣纤维转化率为86.8％，乳酸浓度18.9g/l，乙醇浓度9.03g/l，酸醇摩尔比为1.07。说明糠醛滤渣的干物质重的大小对纤维转化率有直接影响，干物质重越大，纤维转化率越高。但当干物质超过10％时，发酵体系搅拌困难，导致发酵效率和纤维转化率降低。
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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种由糠醛渣发酵制备乳酸和乙醇的方法，包括如下步骤：
1)用固体碱对糠醛渣水溶液进行中和、过滤，得到糠醛渣中和滤液和糠醛滤渣；
2)用糠醛渣中和滤液分别对乳酸菌和酵母进行适应性培养；
3)将步骤1)得到的糠醛滤渣和步骤2)得到的乳酸菌和酵母装入发酵罐，进行同步糖化发酵，得到乳酸和乙醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中发酵体系中还加入纤维素酶15FPU/(g纤维素)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中糠醛滤渣装入前还包括糠醛滤渣灭菌的步骤。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中所用固体碱为氢氧化钠，pH控制在5～6。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述糠醛渣水溶液中糠醛渣与水的质量比为1∶10。
6.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述糠醛渣中和滤液与加入的乳酸菌或酵母体积重量比为15∶1(L/kg)。
7.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中的酵母适应性培养的糠醛渣中和滤液中还含有0.5g/l的KH2PO4和0.5g/l的MgSO4·7H2O；乳酸菌适应性培养的糠醛渣中滤液中还含有0.5g/lKH2PO4、0.5g/l的MgSO4·7H2O、0.1g/l的NaCl，和CaCO3 20g/l。
8.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤2)中的适应性培养的培养温度为30℃～32℃，培养时间为24h～36h，pH值为4.5～6.0。
9.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述糠醛滤渣绝干重为5％～10％。
10.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤3)发酵体系中酵母起始浓度为1.5g/l，乳酸菌起始浓度为1.25g/l，发酵培养基成分为KH2PO4 0.5g/l，MgSO4·7H2O 0.5g/l，NaCl 0.1g/l，牛肉膏5g/l，CaCO3 20g/l，发酵温度为38～42℃，发酵时间为120h，pH值5.5～6.5。
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