CN1035390C - 富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液的酒精发酵方法 - Google Patents
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Abstract
一种将亚硫酸盐造纸制浆废液用微生物进行发酵后制取酒精的方法，其特征是以休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)为发酵微生物，并且在发酵过程中对发酵罐连续供应少量空气。应用本发明所提供的方法，富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液经驯育过的休哈塔假丝酵母发酵后，糖(包括戊糖和己糖)的利用率可达90%，酒精得率可达0.40克酒精/克糖以上。
Description
本发明属微生物发酵制取酒精技术。
亚硫酸盐制浆废液是造纸工业中木材或其它木质纤维原料(如芦苇、农作物秸秆等)经亚硫酸盐法高温蒸煮，分离出化学纤维纸浆后所剩余的棕红色液体。主要含木质素磺酸盐、糖(包括己糖和戊糖)、酸类物质、醛类物质、二氧化硫和无机盐等。
利用亚硫酸盐制浆废液中的糖发酵制取酒精的技术，已经有几十年的工业应用历史。酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)由于具有发酵速度快、适应能力强、不需供氧等优点，普遍为工业界采用。但是，酿酒酵母只能利用废液中的己糖(包括葡萄糖、甘露糖和半乳糖)，无法代谢废液中的戊糖(包括木糖和阿拉伯糖)。
戊聚糖是木材和其它木质纤维原料半纤维素的主要组分之一。在针叶材中，戊聚糖约占木材干重的5～10％；在阔叶材和农作物秸秆中，戊聚糖含量可高达原料干重的15～30％。在亚硫酸盐制浆过程中，戊聚糖被水解成为戊糖。近年来，随着我国林区针叶材资源的减少，阔叶材和农作物秸秆在亚硫酸盐制浆用材中的比例越来越高。这种富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液，用传统的酿酒酵母进行发酵，由于无法代谢废液中含量很高的戊糖，故酒精得率很低，经济效益极差。
戊糖的有效利用与否也影响到亚硫酸盐制浆废液中另一主要组--木质素磺酸盐的综合利用。木质素磺酸盐广泛用作粘合剂、分散剂、混凝土减水剂、油田钻井泥浆稀释剂等。在大多数情况下，使用者都要求木质素磺酸盐产品中的含糖量低于5％。若能利用戊糖发酵技术将废液中的戊糖和己糖同步转化成酒精，则不仅可以增加酒精产量，而且可以保证木质素磺酸盐产品的含糖量低于5％，大大有利于废液的综合利用。
戊糖的酒精发酵技术是国际上八十年代新兴的研究领域。长期以来，科学界一直认为戊糖不能被微生物有效地发酵成为酒精。七十年代末、八十年代初的石油危机引发了从可再生的农林植物纤维资源制取酒精的研究热潮，戊糖发酵作为该研究的关键技术之一，受到了世界各国的高度重视。经过十来年的努力，国际上在这个领域的研究取得了许多重要进展，涉及戊糖发酵菌种、发酵机理的文献大量涌现。但迄今为止，尚未有适用于富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液酒精发酵的技术报导。其主要原因是：
1.亚硫酸盐制浆废液的化学组分复杂，发酵抑制物的含量高，特别是高浓度的醋酸和二氧化硫对戊糖的代谢有严重的阻碍作用；
2.戊糖发酵需要供给少量氧气，而己糖的发酵则需要在厌氧条件下进行，二者的平衡有诸多困难；
3.发酵过程中，废液中的己糖优先被微生物利用，其代谢中间产物对戊糖的利用有抑制作用。
本发明的目的是寻找适用于富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液的酒精发酵方法，包括菌种的选择、驯育，废液的预处理，发酵工艺条件等。
本发明用于发酵的微生物选择为休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)。该酵母的出发菌株ATCC 22984由美国标准菌种库(American Type Culture Collection，Rockville，Maryland，U.S.A.)公开出售。ATCC 22984具有将戊糖转化为酒精的能力，但对亚硫酸盐制浆废液的适应能力差，需进行驯育。
菌种在亚硫酸盐制浆废液中驯育的方法基本上与传统的酿酒酵母驯育方法相同。即在相同的条件下使酵母生长多代，然后逐步改变培养基组成的比例。所采用的培养基组成改变规律是：从营养丰富的木糖培养液开始，逐渐减少木糖培养液的量，并相应增加亚硫酸盐制浆废液培养液，直至使酵母在100％亚硫酸盐制浆废液培养液中培养。每改变一次培养基组成，进行一定次数的发酵比较试验，当获得满意的结果后，再进入下一轮改变培养基组成后的菌种多代生长培养。
本发明所采用的木糖培养液由木糖20～30g/L、蛋白胨3～5g/L、酵母浸出汁1～3g/L组成，自然pH。
经过在亚硫酸盐制浆废液中的长期驯育，休哈塔假丝酵母的形态和生理生化特性发生了重要的变化。与出发菌株ATCC 22984相比，经驯育后的菌株细胞体积变大、细胞壁增厚、细胞内可溶性蛋白质含量增高，有利于戊糖转化为酒精的同工酶(如酒精脱氢酶、二磷酸果糖酶、己糖激酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶等)数量增多、活力增强，对亚硫酸盐制浆废液的适应能力以及对戊糖的发酵能力均大幅度提高。且经驯育的菌株性能稳定、不可逆转。
采用驯育后的休哈塔假丝酵母即可用于富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液的酒精发酵。但发酵前对亚硫酸盐制浆废液必须进行预处理。预处理的方法为：将亚硫酸盐制浆废液在80～85℃温度下，边搅拌边缓慢加入石灰粉末或石灰乳，中和废液中所含的酸类物质，直至冷却至室温后pH为5.3～5.8(阔叶材制浆废液比例较高时取上限，针叶材制浆废液比例较高时取下限)。静置澄清、弃去沉渣，取其清液供发酵用。
取上述驯育后的休哈塔假丝酵母和亚硫酸盐制浆废液预处理液，以每升预处理液加入干酵母细胞3～5克的比例，再加入定量的尿素或硫酸铵、硝酸铵、磷酸氢二铵、氨水等氮盐，以及磷酸或过磷酸钙等磷盐为营养盐，放入间歇发酵罐或连续发酵罐中，在温度为30～38℃、溶氧系数KLa为80～1501/h的工艺条件下发酵15～36小时。发酵完成后可按常规方法进行蒸馏得到成品工业酒精。
附图的说明：
图1为采用本发明的方法，在富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液的酒精发酵过程中，糖、酒精、酵母细胞和pH值随时间变化的典型规律。图1中：
曲线1表示酒精浓度；
曲线2表示酵母细胞浓度；
曲线3表示pH值；
曲线4表示总糖含量。
实施例一，休哈塔假丝酵母的驯育：
1.木糖培养液由木糖20～30g/L、蛋白胨3～5g/L、酵母浸出汁1～3g/L组成，自然pH；
2.亚硫酸盐制浆废液在80～85℃温度下，边搅拌边缓慢加入石灰粉末或石灰乳，中和废液中所含的酸类物质，直至冷却至室温后pH为5.3～5.8。静置澄清、弃去沉渣，取其清液，加入蛋白胨0.3～0.5g/L、酵母浸出汁0.1～0.3g/L，制成制浆废液培养液。
步骤一：
将95ml木糖培养液和5ml预处理液盛于容积为250ml、带棉花塞的三角瓶中，置于温度为38℃、回转摇速为150r/min的空气恒温振荡器中振荡培养24～48小时。每代培养结束后，将培养液在500～1500g的离心加速度下离心处理，取酵母细胞沉淀接入下一代同上比例的混合培养液中，重复上述过程，培养10代左右(以发酵比较试验的结果为依据)。
步骤二：
将步骤一中离心处理后所得酵母细胞沉淀接入由90ml木糖培养液和10ml预处理液组成的混合培养液中，重复步骤一的培养过程。
以后每次混合培养液的组分改变均为减少5ml木糖培养液和增加5ml预处理液，直至培养液的组成为100％亚硫酸盐制浆废液预处理液为止。
实施例二，亚硫酸盐制浆废液的预处理液制备：
针叶材(红松、白松等)制浆废液30％；阔叶材(杨木等)制浆废液70％，将混合制浆废液常压蒸发浓缩至固形物含量为15％左右时，在80～85℃温度下，边搅拌边缓慢加入石灰粉末或石灰乳，中和废液中所含的酸类物质，直至冷却至室温后pH为5.3～5.5。静置澄清、弃去沉渣，取其清液供发酵用。
实施例三、亚硫酸盐制浆废液的预处理液的制备：
将针叶材(马尾松)制浆废液常压蒸发浓缩至固形物含量为13％左右时，在80～85℃温度下，边搅拌边缓慢加入石灰粉末或石灰乳，中和度液中所含的酸类物质，直至冷却至室温后pH为5.3。静置澄清、弃去沉渣，取其清液供发酵用。
实施例四，亚硫酸盐制浆度液的预处理液的制备：
将芦苇制浆废液常压蒸发浓缩至固形物含量为13％左右时，在80～85℃温度下，边搅拌边缓慢加入石灰粉末或石灰乳，中和废液中所含的酸类物质，直至冷却至室温后pH为5.8。静置澄清、弃去沉渣，取其清液供发酵用。
实施例五，间歇发酵罐的发酵工艺：
1.发酵原液采用实施例二中由针叶材(红松、白松等)制浆废液30％；阔叶材(杨木等)制浆废液70％制备的预处理液。
2.营养盐的加入量为：尿素0.24克/升；
磷酸0.05克/升。
3.按实施例一驯育过的休哈塔假丝酵母加入量为4.0克/升。
发酵液温控制为38±1℃，将流量为2.51/l发酵液·h的空气连续均匀地输入发酵罐内的砂芯气体分散器鼓泡，再用每分钟150r/min的搅拌器搅动发酵液。发酵34个小时。
发酵过程中测定的结果见表1。
表1休哈塔假丝酵母的间歇发酵过程测定
| 项目 | 发酵前原液 | 发酵过程中的测定值 | ||||
| 8h | 16h | 24h | 34h | |||
| 糖的浓度(g/100ml) | 葡萄糖 | 0.34 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 木糖 | 1.83 | 1.23 | 0.71 | 0.41 | 0.12 | |
| 半乳糖 | 0.24 | 0.15 | 0.11 | 0.10 | 0.07 | |
| 阿拉伯糖 | 0.10 | 0.10 | 0.08 | 0.07 | 0.06 | |
| 甘露糖 | 0.84 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 合计 | 3.34 | 1.48 | 0.90 | 0.58 | 0.25 | |
| 利用的糖(g/100ml) | 1.86 | 2.44 | 2.76 | 3.09 | ||
| 糖的利用率(％) | 55.7 | 73.1 | 82.6 | 92.5 | ||
| 酒精浓度(g/100ml) | 0.80 | 1.07 | 1.13 | 1.27 | ||
| 酒精得率(g/g利用的糖) | 0.43 | 0.44 | 0.41 | 0.41 | ||
实施例六，三级串联连续发酵罐的发酵工艺：
三级串联连续发酵装置由原液贮槽、三个发酵罐(每罐液体容积为0.4m3)、酵母分离机、定量输液泵和空气净化器组成。每个发酵罐配置有转速为250r/min的六叶平直轮涡轮搅拌器、空气分布管和冷、热水换热蛇管。发酵原液用定量输液泵连续输入1号发酵罐，靠溢流管逐步流经2号、3号发酵罐，最后进入碟式喷嘴排渣酵母离心机进行分离。分离得到的酵母浓缩乳液回流到1号发酵罐循环使用。压缩空气经高效金属过滤器过滤后通入各发酵罐进行鼓泡。
采用的工艺条件如下：
1.发酵原液采用实施例三中用针叶材(马尾松)制浆废液制备的预处理液。
2.营养盐的加入量为：尿素0.24克/升；
磷酸0.05克/升。
3.按实施例一驯育过的休哈塔假丝酵母加入量为4.0克/升。
发酵液温控制为38±1℃，空气通入量为：
1号发酵罐 0.5m3/h
2号发酵罐 0.4m3/h
3号发酵罐 0.4m3/h
发酵原液的输入量为0.05m3/h；酵母浓缩乳液的回流量为0.01m3/h。
发酵过程中测定的结果见表2。
表2休哈塔假丝酵母的连续发酵过程测定
| 糖(g/L) | 乙醇 | 溶解氧(mg/L) | 溶氧系数KLaa/h) | 耗氧速率(mmol/L·h) | ||||||||
| 葡萄糖 | 甘露糖 | 半乳糖 | 木糖 | 阿拉伯糖 | 总糖 | 糖利用率(％) | 浓度(g/L) | 得率(g/g糖) | ||||
| 发酵前原液 | 3.95 | 13.02 | 3.57 | 5.66 | 1.59 | 27.79 | ||||||
| 1号发酵罐 | 0 | 0.61 | 0.81 | 3.75 | 1.32 | 6.49 | 0.89 | 100.1 | 0.92 | |||
| 2号发酵罐 | 0 | 0.40 | 0.58 | 2.08 | 1.07 | 4.13 | 0.96 | 128.3 | 1.09 | |||
| 3号发酵罐 | 0 | 0.30 | 0.43 | 1.01 | 1.03 | 2.77 | 90.0 | 11.04 | 0.44 | 1.08 | 130.1 | 1.19 |
实施例七：
设备条件同实施例五。采用的工艺条件如下：
1.发酵原液采用实施例四中芦苇制浆废液制备的预处理液。
2.营养盐的加入量为：尿素0.16克/升；
磷酸0.03克/升。
3.按实施例一驯育过的休哈塔假丝酵母加入量为5.0克/升。
发酵液温控制为32±1℃ ，将流量为1.51/l发酵液·h的空气连续均匀地输入发酵罐内的砂芯气体分散器鼓泡，再用每分钟500r/min的搅拌器搅动发酵液。发酵24个小时。
发酵过程中测定的结果见表3。
表3休哈塔假丝酵母的间歇发酵过程测定
| 项 目 | 发酵前原液 | 发酵过程中的测定值 | ||||
| 4h | 8h | 16h | 24h | |||
| 糖的浓度(g/100ml) | 葡萄糖 | 0.22 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 木糖 | 1.02 | 0.98 | 0.84 | 0.36 | 0.17 | |
| 半乳糖 | 0.18 | 0.12 | 0.08 | 0.06 | 0 | |
| 阿拉伯糖 | 0.10 | 0.10 | 0.08 | 0.06 | 0.05 | |
| 甘露糖 | 1.28 | 0.48 | 0 | 0 | 0 | |
| 合计 | 2.80 | 1.68 | 1.00 | 0.48 | 0.22 | |
| 利用的糖(g/100ml) | 1.12 | 1.80 | 2.32 | 2.58 | ||
| 糖的利用率(％) | 40.0 | 64.3 | 82.9 | 92.1 | ||
| 酒精浓度(g/100ml) | 0.48 | 0.76 | 0.98 | 1.09 | ||
| 酒精得率(g/g利用的糖) | 0.43 | 0.42 | 0.42 | 0.42 | ||
应用本发明所提供的方法，富含戊糖的亚硫酸盐制浆废液经驯育过的休哈塔假丝酵母发酵后，糖(包括戊糖和己糖)的利用率可达90％，酒精得率可达0.40克酒糖/克糖以上，为理论得率的80％以上。从附图1、表1、表2和表3中可以看出，发酵过程中糖的浓度变化规律符合一级反应规律，说明在戊糖含量较高的情况下，尽管己糖仍优先得到利用，但没有对戊糖的利用产生明显的抑制作用。酒精的生成与糖的利用基本上同步进行，说明中间产物的积累不明显。由于空气供给量比较合理，酵母细胞浓度在整个发酵过程中基本保持不变。本方法与工业上广泛应用的酿酒酵母发酵法相比，糖的利用率和酒精产出量均提高了20～140％。发酵后的废液喷雾干燥得到的木质素磺酸盐干粉中，糖的含量降至3％以下，比常规所得干粉的含糖量(10～15％)低得多，有利于木质素磺酸盐干粉的进一步利用。因此，本方法具有明显的社会、经济效益。
Claims (2)
1.一种将亚硫酸盐造纸制浆废液用微生物进行发酵后制取酒精的方法，其特征是：
a.发酵微生物为经过驯育的休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)，休哈塔假丝酵母的驯育过程为：
①将亚硫酸盐制浆废液加入石灰粉末或石灰乳，中和至pH为5.3～5.8；
静置澄清、弃去沉渣，取其清液后加入蛋白胨、酵母浸出汁，制成制浆废液培养
液；将少量制浆废液培养液加入由木糖、蛋白胨、酵母浸出汁组成的木糖培养液
中制成混合培养液；
②将混合培养液盛于容器中，接入酵母种母，置于空气恒温振荡器中振荡
培养；每代培养结束后将培养液离心处理，取酵母细胞沉淀接入下一代同上比例
的混合培养液中，重复上述过程，直至糖(包括戊糖和己糖)的利用率达90％，酒
精得率达0.40克酒精/克糖以上；
③少量增加混合培养液中制浆废液培养液的比例，重复过程②，直至培养
液的组成为100％亚硫酸盐制浆废液培养液；
b.亚硫酸盐制浆废液在发酵前经过蒸发浓缩，并中和预处理至室温pH为5.3
～5.8；
c.发酵过程中对发酵罐连续供应少量空气；
d.发酵后的亚硫酸盐制浆废液经常规方法蒸馏后得到工业酒精。
2.如权利要求1所述的制取酒精的方法，其特征是亚硫酸盐制浆废液在发酵时加入少量氮盐和磷盐。
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