CN106119296B - 一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法 - Google Patents

一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法 Download PDF

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Abstract

针对目前生物乙醇生产过程中存在的产物抑制问题，本发明公开了一种以糖蜜为原料的乙醇发酵分离耦合方法。本发明是将固定化酿酒酵母发酵原位预处理糖蜜过程与PDMS/陶瓷膜分离技术耦合，建立了一条完整的糖蜜乙醇发酵分离耦合工艺。该方法既减少了PDMS/陶瓷膜在运行过程中的污染，也降低了产物乙醇对酿酒酵母菌株的抑制作用，从而提高了乙醇产量。

Description

一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法
技术领域
本发明属于生物工程技术领域，尤其涉及一种糖蜜乙醇发酵分离耦合技术。
背景技术
乙醇作为一种重要的工业原料，广泛用于食品、化工、医药、染料、国防等领域。同时，它还是一种可再生的清洁能源，作为燃料其燃烧值达到26900 kJ/kg。
微生物发酵是目前常用的乙醇生产方法，但游离菌株对乙醇耐受性较差。固定化细胞发酵虽然能在一定程度上提高菌株的耐受性和乙醇发酵效率，但乙醇发酵过程的产物抑制问题仍然存在。当发酵环境中的乙醇浓度达到6%（w/w）时，酵母细胞的生长和发酵过程受到明显抑制；当乙醇浓度高于8%（w/w）时，乙醇的发酵过程几乎停滞。
膜分离与发酵过程耦合是近年来绿色生物催化工艺集成领域的研究热点，通过实现产物与发酵液实时分离来解决发酵过程的产物抑制问题。中国发明专利CN 102174593 A公开了一种木质纤维素发酵与膜分离耦合生产高浓度乙醇的工艺，将发酵液泵入填充有沸石分子筛的硅橡胶板式渗透汽化膜组件后，截留液重新回到发酵罐中，发酵液中乙醇浓度有效降低，透过液中的乙醇浓度达到236 g/L，但是该工艺受到膜污染的限制，可连续操作时间短，而且膜的分离性能较弱，使得乙醇的产量不高；中国发明专利CN 103695475 A公开了在一种利用蒸汽渗透汽化膜分离技术原位分离发酵液中乙醇的方法，虽然这种膜分离技术能够在一定程度上改善膜的污染问题，但微生物细胞发酵温度通常维持在30-40 ℃，该温度条件下的发酵液不能持续的、稳定的向膜分离组件供应蒸汽态乙醇，使得发酵分离耦合系统不稳定。
中国发明专利CN 101255446 B公开了一种利用固定化酵母细胞与渗透蒸发膜耦合连续发酵葡萄糖木糖的方法，通过海藻酸钙胶珠固定酵母细胞，减少了由于细胞黏附所造成的膜污染及阻力问题，从而有效降低了产物乙醇对酵母细胞的抑制作用，发酵分离耦合系统能够连续有效运行370 h。但是，配制的混合糖溶液与实际的非粮生物质原料状态和组成还是有极大的区别，比如糖蜜原料中除了葡萄糖、果糖、蔗糖以外，还包含胶体、灰分、金属离子等成分，目前尚未见这些成分对膜分离状态的影响，以及糖蜜乙醇发酵-膜分离高产乙醇的报道。
PDMS/陶瓷膜是一种以陶瓷作为支撑层的乙醇选择性透过膜。中国发明专利CN105420095 A公开了一种乙醇发酵耦合PDMS/陶瓷复合膜分离系统装置，该装置可使发酵连续进行，减小发酵产物乙醇对酵母菌的抑制作用，提高发酵原料转化率和乙醇产率，但发明专利中未说明乙醇浓度对酵母菌细胞的抑制强度，以及原料转化率和乙醇产率的增加量。本发明基于申请人前期已报道的、具有自主知识产权的糖蜜原位预处理方法（中国发明专利CN 105420418A）和乙醇发酵技术（何珣等，2016），辅以PDMS/陶瓷复合膜分离装置，建立了一条完整的糖蜜乙醇发酵分离耦合工艺。该工艺旨在以绿色环保的工艺流程，实现低成本高产率的乙醇生产，对其他非粮生物质发酵工业产品的分离也具有一定的借鉴和指导意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种绿色的糖蜜乙醇发酵分离耦合方法，通过该方法解决了糖蜜乙醇发酵分离耦合过程中存在的膜污染问题和和产物抑制作用，极大地提高了乙醇产率和糖醇转化率。
为实现本发明的技术目的，本发明的技术路线为：
糖蜜原位预处理、固定化细胞制备、固定化细胞增殖、固定化细胞发酵、与PDMS/陶瓷膜分离耦合。
本发明技术方案的具体步骤如下：
1.糖蜜原位预处理
按中国发明专利CN 105420418A中公开的方法对糖蜜进行预处理。将发明专利CN105420418A中公开的复合降黏剂加入到糖蜜中搅拌，复合降黏剂在糖蜜中添加的质量分数为 0.4% ；搅拌转速为300rpm，搅拌时间为 2~8 min。
2.固定化细胞制备
将酿酒酵母与2%海藻酸钠溶液混合，缓慢滴入4%氯化钙溶液中，形成的
白色颗粒在氯化钙溶液中固化4 h，然后用生理盐水洗涤3次。
3.固定化细胞增殖
将制备的固定化细胞在增殖培养基中培养约20-24 h，温度30 ℃，pH 5.5。
增殖培养基组分为1% 酵母膏，2% 蛋白胨，2%原位预处理糖蜜。
4.固定化细胞发酵
将增殖的固定化细胞按发酵罐体积的50%接种于发酵培养基中，温度30 ℃，
pH 5.5。发酵培养基组分为18%原位预处理糖蜜、0.2%磷酸二氢钾、0.3%硫酸镁、1%硫酸铵、1%酵母膏。
5.与PDMS/陶瓷膜分离耦合
当发酵罐中乙醇浓度到达4%-9%（v/v），优选5%-6%（v/v）时，启动膜分
离，渗透液收集于冷阱中，截留液返回发酵罐中继续作为培养基。
本发明实现了糖蜜乙醇的生产、分离、浓缩的同步进行，减少了产物抑制和膜污染，提高了乙醇产率和乙醇浓缩的成本，为糖蜜乙醇的连续生产提供了一条新工艺。
附图说明
图1是发酵与膜分离耦合工艺技术线路图。
其中：1.发酵罐；2.8.蠕动泵；3.膜分离装置（1）（2）分别为1号膜和2号膜；4.冷凝装置；5.真空泵；6.7.阀门；9.补料罐。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，本发明所涉及的主题保护范围并非仅限于这些实施例。
实施例 1 ：本实施例说明海藻酸盐固定化酿酒酵母制备
将酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae AQ（CCTCC AY 2015008）与2%海藻酸钠溶液混合，缓慢滴入4%氯化钙溶液中，形成的白色颗粒在氯化钙溶液中固化4 h，然后用生理盐水洗涤3次。
实施例 2 ：本实施例说明海藻酸盐固定化酿酒酵母增殖
将制备的固定化细胞在1 L发酵罐中培养约20-24 h，温度30 ℃， pH 5.5。
增殖培养基组分为1% 酵母膏，2% 蛋白胨，2%原位预处理糖蜜。
实施例3 ：本实施例说明海藻酸盐固定化酿酒酵母发酵与分离耦合
将增殖的固定化细胞按发酵罐体积的50%接种于发酵培养基中，温度30 ℃，
pH 5.5。发酵培养基组分为18%原位预处理糖蜜、0.2%磷酸二氢钾、0.3%硫酸镁、1%硫酸铵、1%酵母膏。
当发酵罐中乙醇浓度到达6%（v/v）时，启动膜分离，渗透液收集于冷阱中，
截留液返回发酵罐中继续作为培养基。当发酵罐内总糖浓度低于50 g/L时，向发酵罐内补料，补料培养基为发酵培养基，连续运行300 h后，膜的渗透通量为400 g/m2/h，分离因子为22，渗透液中乙醇浓度为510 g/L，糖醇转化率为葡萄糖理论转化率的74.22%。
实施例4 ：本实施例说明海藻酸盐固定化酿酒酵母发酵与分离耦合
将增殖的固定化细胞按发酵罐体积的50%接种于发酵培养基中，温度30 ℃，
pH 5.5。发酵培养基组分为18%原位预处理糖蜜、0.2%磷酸二氢钾、0.3%硫酸镁、1%硫酸铵、1%酵母膏。
当发酵罐中乙醇浓度到达9%（v/v）时，启动膜分离，渗透液收集于冷阱中，
截留液返回发酵罐中继续作为培养基。当发酵罐内总糖浓度低于50 g/L时，向发酵罐内补料，补料培养基为发酵培养基，连续运行240 h后，膜的渗透通量为340 g/m2/h，分离因子为12，渗透液中乙醇浓度为320 g/L，糖醇转化率为葡萄糖理论转化率的61.22%。
实施例5：本实施例说明海藻酸盐固定化酿酒酵母发酵与分离耦合
将增殖的固定化细胞按发酵罐体积的50%接种于发酵培养基中，温度30 ℃，
pH 5.5。发酵培养基组分为18%原位预处理糖蜜、0.2%磷酸二氢钾、0.3%硫酸镁、1%硫酸铵、1%酵母膏。
当发酵罐中乙醇浓度到达5%（v/v）时，启动膜分离，渗透液收集于冷阱中
截留液返回发酵罐中继续作为培养基。当发酵罐内总糖浓度低于50 g/L时，向发酵罐内补料，补料培养基为发酵培养基，连续运行340 h后，膜的渗透通量为520 g/m2/h，分离因子为25，渗透液中乙醇浓度为570 g/L，糖醇转化率为葡萄糖理论转化率的81.22%。
实施例6：发酵-分离耦合对糖蜜乙醇生产的影响

Claims (5)

1.一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：糖蜜原位预处理、固定化细胞制备、固定化细胞增殖、固定化细胞发酵、与PDMS/陶瓷膜分离耦合；
所述的固定化细胞制备，是将酿酒酵母包埋于凝胶载体中；
所述的固定化细胞增殖，是将制备的固定化细胞在增殖培养基中培养20-24 h，增殖培养基组分包括1% 酵母膏，2% 蛋白胨，2%原位预处理糖蜜；
所述的固定化细胞发酵，是将增殖的固定化细胞按发酵罐体积的50%接种于发酵培养基中，发酵培养基组分包括18%原位预处理糖蜜、0.2%磷酸二氢钾、0.3%硫酸镁、1%硫酸铵、1%酵母膏；
所述的与PDMS/陶瓷膜分离耦合，是当发酵罐中乙醇浓度到达4%-9%（v/v）时，启动膜分离，渗透液收集于冷阱中，截留液返回发酵罐中作为培养基；
所述酿酒酵母选用酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae AQ，其保藏编号为CCTCC AY2015008。
2.根据权利要求1所述的一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法，其特征在于，当发酵罐中乙醇浓度到达5%-6%（v/v）时，启动膜分离，渗透液收集于冷阱中，截留液返回发酵罐中作为培养基。
3.根据权利要求1所述的一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法，其特征在于，所述的酿酒酵母包埋于凝胶载体是将酿酒酵母与2%海藻酸钠溶液混合，缓慢滴入4%氯化钙溶液中，形成的白色颗粒在氯化钙溶液中固化4 h，然后用生理盐水洗涤3次。
4.根据权利要求1所述的一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法，其特征在于，固定化细胞在增殖培养基中培养温度30 ℃，pH 5.5。
5.根据权利要求1所述的一种糖蜜乙醇发酵分离耦合方法，其特征在于，固定化细胞发酵温度30 ℃，pH 5.5。
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