CN104450793B - 一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术 - Google Patents

一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以表面活性剂‑水为介质的超高浓度（VHG）乙醇发酵技术，表面活性剂提高了水中酵母发酵生成的乙醇浓度。以葡萄糖为原料，添加非离子表面活性剂‑水混合物为发酵介质，接种酿酒酵母，在不加入任何营养成分的条件下进行超高浓度乙醇发酵。本发明通过采用非离子型表面活性剂代替水增加底物浓度，直接进行30%底物浓度的VHG乙醇发酵，并获得高浓度发酵终点产物乙醇。该工艺可减少水的消耗、降低生产成本、提高发酵效率。

Description

一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术
技术领域
本发明涉及发酵工艺生产乙醇领域，具体涉及一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术。
背景技术
世界经济的飞速发展使得人们对化石资源的依赖性越来越大，对其高强度开发利用导致其储量日趋枯竭、价格不断飙升[Progress In Chemistry,2006,18(2-3):131-141]；而且大量化石资源的开采与使用带来严重的环境污染，因此发展清洁可再生能源对其进行补充和替代势在必行。近年来，世界各国纷纷致力于开发新能源，燃料乙醇作为绿色可再生的新型燃料具有诸多优点：①节能和环保；②提高汽油的辛烷值；③可经济有效地降低芳烃、烯烃含量；④是太阳能的一种表现形式，在整个自然界大系统中，乙醇的整个生产和消费过程可形成无污染的闭路循环，永不枯竭。
目前，世界大多数燃料乙醇都是采用发酵法生产的，在发酵法乙醇生产过程中，节省发酵时间、提高酵母的循环利用率、增加终点乙醇浓度等是降低乙醇生产成本的主要途径。文献（Bioresource Technology，102，2011：8191-8198）将酵母固载在藻酸钙上，用于葡萄糖发酵过程可将乙醇收率从88%提高到100%，而且酵母也得到了循环利用、发酵时间大大缩短；专利US20110201093A1向发酵体系中加入碳酸氢钠可使发酵过程提前12小时到达终点；专利US20100143993A1及WO2010/065595A2采用离子液体作为萃取剂从发酵体系原位连续萃取乙醇以保证酵母活性；文献（Appl Microbiol Biotechnol,2000(54):476-486）报道了一种双水相（ATPS）发酵体系，将PEG6000作为萃取剂与培养基同时加入培养瓶，发酵30分钟体系即发生分相，上层为PEG6000/乙醇相，用泵抽出后蒸馏可回收90%乙醇，而且下层酵母可以反复利用，该方法适合连续化生产；文献（Biomass and Bioenergy39，2012:48-52）和（Energies2012,5,3178-3197）探讨了在超高浓度乙醇发酵（VHG）条件下加入不同种类的氮源对终点乙醇浓度的影响，VHG乙醇发酵技术作为一种能够提高乙醇发酵经济指标的技术近年来引起人们广泛关注，与低浓度发酵相比，VHG乙醇发酵可以明显提高设备的利用率，大大降低发酵、蒸馏和浓缩干燥等过程中的能量消耗。但在现阶段，VHG技术还存在一些亟待解决的问题，一方面由于产物抑制和高渗透压等因素使发酵时间延长，发酵不完全，细胞生长速率和成活率降低，另一方面在工业发酵过程中物料粘度大造成传输困难，能量消耗增加，关于发酵介质对终点乙醇收率及浓度的影响还未见文献报到。
本发明介绍一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，采用高活性酿酒酵母，以葡萄糖为原料，在发酵培养基中采用水溶性非离子型表面活性剂取代部分水作为发酵介质。
发明内容
本发明的目的是针对现有的超高浓度乙醇发酵技术存在的问题，提供了一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术。
本发明提供了一种以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，以可发酵碳水化合物为原料，添加非离子型表面活性剂-水混合物为发酵介质，加入高活性干酵母，在不添加任何营养成分的条件下进行超高浓度乙醇发酵。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，所述可发酵碳水化合物为葡萄糖。发酵体系中，可发酵碳水化合物浓度为270-500g/L。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，所述发酵体系中表面活性剂与水的质量比为0-2：3，优选1：4。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，所述表面活性剂为非离子型表面活性剂聚乙二醇（PEG）、聚乙二醇单甲醚（MPEG）、聚乙二醇单甲醚（DMPEG）、聚二甲基硅氧烷Si-PEG中的至少一种。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，所述PEG为PEG-200,400,600,800,1000中的至少一种；
PEG的结构式为：
MPEG的结构式为：
DMPEG的结构式为：
Si-PEG的结构式为：
其中，n为1-25；M为烷基。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，发酵体系中，所述酿酒酵母的接种量为1%-20%(相对于底物干质量)，优选为7.6%。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，发酵体系中，所述发酵条件为：发酵温度为28-44℃（优选32-38℃），发酵时间为12-84h（优选60h），发酵体系pH值为3.0-6.5（优选4.1），搅拌速度为100-300rpm（优选150rpm）。
本发明提供的以表面活性剂-水为介质的超高浓度乙醇发酵技术，发酵体系中用于控制pH值的溶液为H2SO4水溶液。
本发明通过采用表面活性剂代替水增加底物浓度，直接进行35%底物浓度的VHG乙醇发酵，以探明表明活性剂在乙醇生产工艺中，对降低设备投资、减少水的消耗、提高乙醇浓度等方面的潜力。本发明首次利用水溶性非离子型表面活性剂PEG对含高浓度底物的葡萄糖体系进行VHG乙醇发酵并获得高浓度乙醇含量，之前未有相关报道。
相对现有技术，本发明的优点在于：提高发酵终点产物乙醇浓度、降低发酵终点底物葡萄糖浓度，采用PEG取代部分水减少水的消耗。结果表明，采用水溶性表面活性剂取代部分水作为发酵介质在燃料乙醇生产过程中具有重要的应用前景，可减少水的消耗、降低生产成本、提高发酵效率。
附图说明
图1发酵温度对葡萄糖转化率的影响；
图2发酵温度对乙醇收率的影响；
图3发酵温度对乙醇浓度的影响；
图4pH值对葡萄糖转化率的影响；
图5pH值对乙醇收率的影响；
图6pH值对乙醇浓度的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围不受实施例的限制，如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
首先，称取一定量的酿酒酵母置于100mL三角烧瓶中，在37℃条件下用超纯水复水活化20min后即可做酒母使用。然后加入葡萄糖，表面活性剂，预先配置好pH的溶液，用保鲜膜封口，放入摇床中进行震荡培养，摇床转速为160r/min。
另外，值得说明的是，以下各实施例中发酵液中各组分物的含量测定采用高效液相色谱仪(Agilent1260)，依据葡萄糖投料量计算其转化率、乙醇收率，依据发酵液中乙醇质量、活化水与pH液体积计算乙醇浓度：
色谱条件为：离子交换柱，柱温为65℃，视差折光检测器，检测器为50℃；流动相：5Mm H2SO4，流速0.6ml/min，进样量25uL。
实施例1-9
首先，称取0.4g酿酒酵母置于100mL三角烧瓶中，在38℃条件下用4mL超纯水复水活化20min后即可做酒母使用。然后加入6.0g葡萄糖，PEG-200(按表1用量)(1-8g)，预先配置好的pH=3.4的H2SO4溶液(按表1用量)，用保鲜膜封口，放入摇床中在38℃条件下进行震荡培养48h，摇床转速为160r/min。由表1数据可见，当发酵体系中没有添加PEG-200时（实施例1），葡萄糖转化率为96%，乙醇收率为81%，乙醇浓度为112g·L-1，而当采用1.0g PEG-200取代pH液时，葡萄糖转化率提高到99%，乙醇收率提高到88%，乙醇浓度提高到129g·L-1，随着PEG-200量得增加，葡萄糖转化率、乙醇收率及浓度均呈现先上升后下降的趋势。这些结果初步说明了PEG可在一定比例范围内取代水作为发酵介质，提高发酵终点产物乙醇浓度、减少发酵终点残余葡萄糖含量，减少水的消耗、降低生产成本、提高发酵效率。
表1.PEG-200与水的比例对乙醇发酵效率的影响
实施例10-17
称取0.4g酵母置于100mL三角烧瓶中，在38℃条件下用4mL超纯水复水活化20min后即可做酒母使用。然后加入6.0g葡萄糖，PEG-400(按表2用量)(1-8g)，预先配置好的pH=3.4的H2SO4溶液(按表2用量)，用保鲜膜封口，放入摇床中在38℃条件下进行震荡培养48h，摇床转速为160r/min。由表2数据可见，而当采用4.0g PEG-400取代pH液时，乙醇浓度可达到150g·L-1，而且几乎没有残糖在发酵体系中保留。这些结果进一步证明了PEG可在一定比例范围内取代水作为发酵介质，提高发酵终点产物乙醇浓度、减少发酵终点残余葡萄糖含量，减少水的消耗、降低生产成本、提高发酵效率。
表2.PEG-400与水的比例对乙醇发酵效率的影响
实施例18-25
称取0.4g酵母置于100mL三角烧瓶中，在38℃条件下用4mL超纯水复水活化20min后即可做酒母使用。然后加入6.0g葡萄糖，PEG-600(按表3用量)(1-8g)，预先配置好的pH=3.4的H2SO4溶液(按表3用量)，用保鲜膜封口，放入摇床中在38℃条件下进行震荡培养48h，摇床转速为160r/min。由表3数据可见，而当采用PEG-600取代pH液时，乙醇浓度随着PEG-600量的增加逐渐上升、然后下降，最高乙醇浓度可达到150g·L-1。这些结果充分证明了PEG可在一定比例范围内取代水作为发酵介质，提高发酵终点产物乙醇浓度、减少发酵终点残余葡萄糖含量，减少水的消耗、降低生产成本、提高发酵效率。
表3.PEG-600与pH液的比例对乙醇发酵效率的影响
实施例26
称取0.5g酵母置于100mL三角烧瓶中，在37℃条件下用4mL超纯水复水活化20min后即可做酒母使用。然后加入6.5g葡萄糖，4.0g PEG-400，12mL pH=3.4的H2SO4溶液，用保鲜膜封口，放入摇床中在32℃-42℃条件下进行震荡培养12-72h，摇床转速为160r/min。由图1、图2、图3可以看出，不同温度导致发酵过程中葡萄糖转化率、乙醇收率与浓度有较大差异，发酵温度超过35℃时随着温度上升，终点乙醇浓度下降；但是温度降到32℃时终点乙醇浓度也降低。最佳的发酵温度应该选在35℃附件，发酵终点乙醇浓度最高可达到160g·L-1，而且发酵体系没有剩余的葡萄糖。
实施例27
称取0.5g酵母置于100mL三角烧瓶中，在37℃条件下用4mL超纯水复水活化20min后即可做酒母使用。然后加入6.5g葡萄糖，4.0g PEG-400，12mL pH=3.4-5.1的H2SO4溶液，用保鲜膜封口，放入摇床中在35℃条件下进行震荡培养12-72h，摇床转速为160r/min。由于pH值会影响酵母细胞的通透性，进而影响酵母细胞对营养物质的吸收和乙醇的排泄，因此适宜的pH对发酵的影响至关重要。由图4、图5、图6可以看出，当发酵液PH值在4.0-5.1的范围内时，60h可以达到发酵终点，终点乙醇浓度最高可达到160g·L-1，而且发酵葡萄糖发酵完全。

Claims (9)

1.一种以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：以可发酵碳水化合物为原料，添加表面活性剂-水混合物为发酵介质，加入酿酒酵母，在不添加任何营养成分的条件下进行浓醪乙醇发酵；
所述表面活性剂为非离子型表面活性剂聚乙二醇PEG、聚乙二醇单甲醚MPEG、聚乙二醇二甲醚NHD、聚二甲基硅氧烷PDMS中的至少一种；
所述PEG为PEG-200,400,600,800,1000中的至少一种；
PEG的结构式为：
MPEG的结构式为：
NHD的结构式为：
PDMS的结构式为：
其中，n为1-25；M为甲基。
2.按照权利要求1所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：所述可发酵碳水化合物为葡萄糖。
3.按照权利要求1所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：所述发酵体系中，表面活性剂与水的质量比为1/19～4/16。
4.按照权利要求1所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：所述发酵体系中表面活性剂与水的质量比为1：4。
5.按照权利要求1或2所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：发酵体系中，所述可发酵碳水化合物浓度为270-500g/L。
6.按照权利要求1所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：发酵体系中，所述酿酒酵母的接种量相对于可发酵碳水化合物干质量为1％-20％。
7.按照权利要求6所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：发酵体系中，所述酿酒酵母的接种量相对于可发酵碳水化合物干质量为7.6％。
8.按照权利要求1所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：发酵体系中，所述发酵条件为：发酵温度为28-44℃，发酵时间为12-84h，发酵体系pH值为3.0-6.5，搅拌速度为100-300rpm。
9.按照权利要求8所述的以表面活性剂-水为介质的浓醪乙醇发酵方法，其特征在于：发酵体系中，所述发酵条件为：发酵温度为32-38℃，发酵时间为60h，发酵体系pH值为4.1，搅拌速度为150rpm。
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