CN102719488A

CN102719488A - 一种利用运动发酵单胞菌快速发酵乙醇的方法

Info

Publication number: CN102719488A
Application number: CN2012102531097A
Authority: CN
Inventors: 周雪琴
Original assignee: TAICANG ZHOUSHI CHEMICAL PRODUCT CO Ltd
Current assignee: TAICANG ZHOUSHI CHEMICAL PRODUCT CO Ltd
Priority date: 2012-07-22
Filing date: 2012-07-22
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明提供了一种利用运动发酵单胞菌快速发酵乙醇的方法，本发明以运动发酵单胞菌为出发菌株，以鲜甘薯为发酵原料，采用同步糖化发酵方法进行发酵。本发明对影响乙醇发酵的因素进行了考察。

Description

一种利用运动发酵单胞菌快速发酵乙醇的方法

技术领域

本发明属于发酵技术领域，具体涉及一种利用运动发酵单胞菌快速发酵乙醇的方法。

背景技术

乙醇是一种高效、环保、可再生的燃料及汽油添加剂，大力发展燃料乙醇，不仅可以有效解决能源日益匮乏的难题，更加可以有效减少环境污染。我国传统的乙醇生产，一般以粮食为原料，不但成本高而且产量也收粮食资源的限制，产量有限，难以满足需求。

我国在“十一五”可再生能源规划中明确指出要大力发展以甘薯等非粮能源作物为原料的燃料乙醇。甘薯是一种富含淀粉的块根作物，鲜甘薯一般含淀粉15%~25%，我国常年种植面积逾460×104 hm²，收获1.1×108 t以上，占世界甘薯产量的80%以上。与使用薯干(含水量约10%)相比，鲜甘薯(含水量约为70%)发酵生产乙醇可以节约60%的发酵用水，能够进一步降低乙醇生产成本。由于收获季节在初冬，甘薯易于冻伤和腐烂，每年腐烂的甘薯约占总产量的30%~50%。而采用干燥保存甘薯，成本高，能源消耗大，不具有经济性，也不符合燃料乙醇生产所遵循的净能源产出最大化原则。此外，目前乙醇发酵强度较高的方法大多是采用以固定化或自絮凝菌体为基础的糖质原料及淀粉质原料的糖化清液连续发酵技术。由于甘薯的脂肪和蛋白质含量相对较低，分离产品附加值低，若进行固液分离会增加能耗，提高乙醇生产成本，故固定化和自絮凝技术不适合鲜甘薯乙醇发酵。因此，迫切需要开发适合鲜甘薯全原料的快速乙醇发酵技术。

运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)是一种革兰氏阴性、兼性厌氧菌。与传统生产乙醇的酵母相比，该菌显示出多方面的优越性，如转化率高，副产物少，且发酵过程中不需要通气，设备工艺比较简单，可以降低乙醇生产的成本等。但Z. mobilis乙醇发酵的缺点是碳源利用范围窄，仅限于葡萄糖、果糖和蔗糖；营养条件苛刻，常需添加多种营养物质。目前国内的乙醇发酵生产多以酵母为主，生产周期长(大于40 h)、效率低(小于85%)、乙醇浓度较低(φ=11%~12%)；对甘薯原料的研究多以甘薯干为主。

发明内容

1. 一种利用运动发酵单胞菌快速发酵乙醇的方法，其特征在于发酵时，接入10%种子培养基和糖化酶到发酵培养基，采用同步糖化发酵，发酵温度为30℃，初始糖浓度为200 g/kg。

2. 步骤1所述的发酵培养基：鲜甘薯打浆后，按照一定比例加水，液化酶的量为120 KNU/kg醪液，于80℃液化10 min (与碘液反应的颜色为红棕色)，液化后添加所需营养物质。

3. 步骤1所述的液体种子的制备方法为：葡萄糖 100 g/L，酵母粉 5 g/L，(NH₄)₂SO₄ 1 g/L，KH₂PO4 1 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L，于30℃培养16 h。

4. 步骤1所述的运动发酵单胞菌发酵所需的最适pH为7.5。

5. 步骤1所述的添加5 g/kg的硫酸铵作为运动发酵单胞菌乙醇发酵的氮源。

6. 步骤1所述的鲜甘薯细菌发酵的最适初始总糖浓度在200 g/kg左右。

本发明的有益效果在于：本发明以运动发酵单胞菌为出发菌株，以鲜甘薯为发酵原料，采用同步糖化发酵方法进行发酵。本发明对影响乙醇发酵的因素进行了考察。

附图说明

图1 pH对运动发酵单胞菌乙醇发酵的影响。

图2初始总糖浓度对运动发酵单胞菌乙醇发酵的影响。

具体实施方式

下面的实施例对本发明作详细说明，但对本发明没有限制。

本发明所用的菌株为运动发酵单胞菌，购买于ACCC，编号为：ACCC10166。

实施例1

本实施案例说明不同pH对运动发酵单胞菌乙醇发酵的影响，与酵母菌相比，运动发酵单胞菌对外界环境更为敏感，发酵培养基的pH值对其生长和发酵的影响较大。调节发酵的pH并加入缓冲液使其维持在一定水平，发酵结果见图1。

从图1可以看出，pH值从4.5增加到7.5的过程中乙醇和残糖浓度变化很大，乙醇由38.56 g/kg增加到83.24 g/kg，残糖浓度由55.43 g/kg下降到8.2 g/kg。但pH值大于7.5时，乙醇浓度降低，残糖浓度升高。所以运动发酵单胞菌发酵所需的最适pH为7.5，pH过高或过低都不利于该菌的生长和发酵。

实施例2

本实施案例说明不同氮源对运动发酵单胞菌乙醇发酵的影响，氮源是构成菌体物质和一些代谢产物的必需营养元素，薯类原料虽然淀粉含量较高，但含氮量低(0.3%以下)，所以在其乙醇发酵中常需添加氮源。氮源可分为无机氮源和有机氮源两类，由于有机氮源成分复杂，成本较高，不利于工业生产，因而选择无机氮源作为发酵培养基的氮源，其中尿素和硫酸铵是最常用的两种无机氮源，所以选择这两种氮源作为研究对象，以不添加氮源和酵母膏的培养基作为对照. 发酵结果见表1。

从表1中可以看出，随着硫酸铵和尿素浓度从2.5 g/kg增加到5.0 g/kg，发酵时间缩短，乙醇浓度升高，残糖浓度降低。这说明在氮源含量较低时，所提供的氮源不能完全支持酵母的生长和发酵，当到一定阶段，由于氮源被耗尽，菌体不能继续生长，导致发酵时间延长和最终乙醇浓度较低，但当氮源浓度过高时乙醇产量反而下降，这一抑制机制还有待进一步研究。因此，添加氮源有利于提高乙醇发酵效率，添加酵母粉的效果最好，其次为5 g/kg的硫酸铵。考虑到价格因素，选择添加5 g/kg的硫酸铵作为运动发酵单胞菌乙醇发酵的氮源。

表1 不同氮源对运动发酵单胞菌乙醇发酵的影响

Figure 2012102531097100002DEST_PATH_IMAGE002

实施例3

本实施案例说明初始总糖浓度对运动发酵单胞菌乙醇发酵的影响，本试验分别选择180、200、220、240 g/kg初始总糖浓度进行发酵试验，结果见图2。

由图2可知，当初始总糖浓度≤200 g/kg时，菌体能正常发酵，但当总糖浓度超过220 g/kg时，菌体的发酵受到影响，主要是由于菌体受到底物和产物的双重抑制，再加上初始总糖浓度过高时，培养基的粘度很高，严重影响了CO₂的逃逸，从而使发酵不能正常进行。考虑到原料的利用率和乙醇后处理的成本，确定鲜甘薯细菌发酵的最适初始总糖浓度在200 g/kg左右。这个值高于目前运动发酵单胞菌采用葡萄糖培养基或粗原料先糖化后发酵(SHF)的初总糖浓度(150~180 g/kg)，是由于SSF模式没有单独的糖化过程，使葡萄糖可保持较低的浓度，在较低的加水比下，也不会因葡萄糖浓度过高而对菌体发酵产生抑制。因此，SSF模式比SHF模式节约用水量，同时提高了最终发酵醪液中乙醇的浓度，从而可显著降低乙醇生产的成本。

Claims

1.一种利用运动发酵单胞菌快速发酵乙醇的方法，其特征在于发酵时，接入10%种子培养基和糖化酶到发酵培养基，采用同步糖化发酵，发酵温度为30℃，初始糖浓度为200 g/kg。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发酵培养基：鲜甘薯打浆后，按照一定比例加水，液化酶的量为120 KNU/kg醪液，于80℃液化10 min，液化后添加所需营养物质。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液体种子的制备方法为：葡萄糖 100 g/L，酵母粉 5 g/L，(NH₄)₂SO₄ 1 g/L，KH₂PO4 1 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L，于30℃培养16 h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动发酵单胞菌发酵所需的最适pH为7.5。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，添加5 g/kg的硫酸铵作为运动发酵单胞菌乙醇发酵的氮源。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于确定鲜甘薯细菌发酵的最适初始总糖浓度在200 g/kg左右。