CN107002099A - 用于共同制备乙醇和真菌蛋白的生物方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由碳水化合物给料(例如谷类)共同制备和分离真菌蛋白和乙醇。本发明还提供用于由碳水化合物给料共同制备真菌蛋白的发酵系统。

Description

用于共同制备乙醇和真菌蛋白的生物方法
技术领域
本发明涉及由碳水化合物给料(例如谷类)共同制备和分离真菌蛋白和乙醇。本发明还提供用于由碳水化合物给料共同制备真菌蛋白的发酵系统。
背景技术
畜牧业满足了对肉类和乳制品的快速增长的消费者导向的需求，并且使用大约70％的用于放牧和饲料作物生产的全部全球农业用地。然而，增长的人口和对肉类和乳制品的变化的饮食偏好将会对全球农业用地产生增加的需求。
生物技术为以较低环境影响更高效率地制备的肉类替代品提供了一些可能性。明显的实例是通过葡萄糖糖浆的需氧发酵制备的真菌蛋白(Quorn)。其目前作为(相对昂贵的)健康素食替代物销售。其较高的成本与精制原料(葡萄糖糖浆)的使用有关，并且高固定成本与专用适度产量的工厂的投资成本有关，并且能量成本与需氧发酵有关。
家畜饲料主要包含提供大多数碳水化合物的谷类(玉米、小麦)，连同为最佳营养提高蛋白质含量的蛋白质增强物(主要来源豆粕)。大约40％的谷物用作家畜饲料。大豆的农业产率通常明显低于谷类。
从谷物原料发酵通常将碳水化合物转化，剩下在蛋白质中浓缩的干酒糟及其可溶物(distiller dried grains with solubles,DDGS)残余物。其在家畜饲料中用作高蛋白质组分，然而其较低的可消化性限制了其混合比。
全球生物乙醇产量超过6千万tepa，2个主要来源是谷类(尤其是转化其产量的大约40％的美国玉米)和巴西甘蔗的发酵。来自谷类(玉米/小麦)的生物乙醇的经济(排除政府激励)和环境益处是微乎其微的。存在与关于陆地使用和能源安全的食物v燃料压力有关的明显的政治问题。
US4447534描述了使用酵母制备乙醇的方法，其中生长条件的控制可以增加酵母和因此的衍生自酵母的单细胞蛋白质的收率。
Silva等人(Waste Management,31(2011),108-114)描述了借助酵母菌如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和近平滑假丝酵母(Candida parapsilosis)使用酒精生产的残余物和用于蛋白质生产的生物乙醇的方法。单细胞蛋白形式酵母可用作用于动物饲料的补充蛋白质的来源。
WO2009/079183描述了用于改善在谷粒发酵制备酒精之后残留的饲料废料产物的营养品质的方法。可以用能够将纤维素和/或半纤维素分解为一种或多种糖类并且进而使用一种或多种糖增殖的微生物将废料产物发酵。因为微生物含有蛋白质，它们的增殖用于增加废料产物的蛋白质含量。虽然描述了包括细菌、酵母菌和真菌在内的各种微生物，但是不存在在废料产物的分离中提供任何单细胞蛋白的教导。
将会理想的是能够提供一种系统，其可以被调整为能够在其他材料的分离中制备真菌蛋白和乙醇二者，同时任选能够基于所需要求如普遍的经济和/或社会经济担忧而改变每种副产物的量。
提供用于分离的真菌蛋白和/或乙醇的制备、任选共同制备的方法在本发明的目的之内。
发明概述
在第一方面中，提供一种能够由碳水化合物给料制备和分离来源于丝状真菌的真菌蛋白和乙醇的综合系统。
碳水化合物给料可以是混合的或单一的给料。
将根据以上理解的是，可以交换真菌蛋白和乙醇制备的顺序，以使得可以在真菌蛋白之前制备乙醇，并且反之亦然。然而，在本发明的优选实施方案中，首先制备真菌蛋白，接着制备乙醇。如上所述，本发明的方法和系统就可以制备的真菌蛋白或乙醇的量而言是综合的和可控的。通过用于获得真菌蛋白或乙醇的底物和生长条件(尤其是氧含量)的控制，可以以可控方式改变所制备的真菌蛋白或乙醇的量。因此，例如，取决于普遍的商业要求，可以改变根据本发明制备的真菌蛋白与乙醇的比率。这可以手动、半自动或完全自动实现。例如，在自动或半自动过程中，用户可以向用户可编程接口中指出或输入例如所需的真菌蛋白与乙醇的比率，并且之后系统可以控制底物通量和生长条件，从而实现所需的真菌蛋白与乙醇的比率。
如在本文中所提及的真菌蛋白应被理解为由丝状真菌如包括Fusariumvenenatum的镰刀菌属(Fusarium)物种具体制备的单细胞蛋白的形式。
单一给料可以包含多种可代谢底物，通常为一种或多种含有碳水化合物的底物。优选地，给料包含一种或多种谷物材料。本发明的系统可以与可能需要为真菌蛋白制备过程和乙醇制备过程提供的单独的给料的非综合系统相区别。
真菌蛋白可以通过底物材料的需氧消化获得。乙醇可以通过底物材料的厌氧发酵制备，尽管任选地，可以在厌氧消化期间存在需氧消化的初期阶段从而允许能够生成乙醇的一种或多种微生物的生长。
在一个实施方案中，用于在制备真菌蛋白和乙醇中使用的一种或多种微生物是不同的。在这样的实施方案中，能够制备真菌蛋白的一种或多种微生物是镰刀菌属物种，如Fusarium venenatum并且能够制备乙醇的一种或多种微生物是酵母菌属物种，如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。发明人已经观察到，对于单一类型的微生物来说，可以能够制备真菌蛋白和之后的乙醇二者。因此，在一个实施方案中，本发明的综合方法采用单一类型的微生物以制备真菌蛋白和乙醇二者。这样的单一类型的微生物可以是镰刀菌属物种如F.venenatum或多个物种。
在另一个方面中，提供一种用于由谷物材料共同制备真菌蛋白和乙醇的综合方法，所述方法包括下列步骤：
a)提供包含一种或多种谷物材料的含水的可发酵培养液；
b)用微生物使所述含水的可发酵培养液的至少一部分发酵，从而分别获得真菌蛋白或乙醇并且获得部分发酵的培养液；
c)将真菌蛋白或乙醇与所述部分发酵的培养液分开/分离；
d)用微生物使所述部分发酵的培养液的至少一部分任选地与未发酵的含水的可发酵培养液的一部分一起发酵，从而分别获得乙醇或真菌蛋白并且获得废发酵残余物；和
e)将乙醇或真菌蛋白与所述废发酵残余物分离。
所述部分发酵的培养液可以来源于已经经历了初期发酵的初期发酵培养液从而制备真菌蛋白或乙醇。部分发酵的培养液能够被发酵从而制备第二产物，即乙醇或真菌蛋白，这取决于已经首先制备了什么。
将会根据以上理解的是，可以交换真菌蛋白和乙醇制备的顺序，以使得可以在真菌蛋白之前制备乙醇，并且反之亦然。然而，在本发明的优选实施方案中，首先制备真菌蛋白，接着制备乙醇。
本发明的方法可以以分批、连续或半连续方式进行。
所述方法还可以包括将废发酵残余物(也被称为酒糟(stillage))分开以获得湿固体级分和可溶性级分的步骤。可以将可溶性级分浓缩并且可以将所得浆液与湿固体级分合并，可以将其干燥从而获得被称为干酒糟及其可溶物(Dried Distillers Grains withSolubles，DDGS)的物质。
通常，所述一种或多种谷物材料可以包括小麦、玉米、大麦、水稻、高粱、荠麦、燕麦、黑麦等。谷物可以是食品级品质的或者事实上可以是不再适用于人类消耗的物质。可以使用前述实例中的一种，或者可以在本发明中采用包含两种以上类型的谷类的混合物。本发明并非意在限于可以采用的一种类型或多种类型的谷物，并且这可以仅取决于当时的普遍的经济因素和/或地理因素和因此的可得性因素。
可以对一种或多种谷物材料进行碾磨、研磨和/或切割处理，从而将谷物材料分解为较小片段并且还可以释放可以存在于谷物中的蛋白质、糖类和其他材料中的一些。可以将分解的材料与水混合至例如170-500比50g/L的浓度，并且按需要调节pH，从而提供发酵培养液。
可以通过采用凝胶化、液化和/或糖化中的一种或多种对可以存在于发酵培养液中的任何淀粉进行水解或部分水解。发现淀粉在自然界中是耐酶分解的不溶性、不可分散颗粒。凝胶化是淀粉颗粒在热量和水的存在下的溶胀。此时，如果不加入α淀粉酶以将淀粉部分水解为糊精，淀粉或研磨的谷物浆料显著增稠并且将会难以处理。含有糊精的溶液通常更多地是液体或液化的。α淀粉酶用于降低溶液的粘度并且还用于制备较低分子大小的底物。对于将糊精水解为葡萄糖的葡糖淀粉酶的有效作用来说，较低分子大小的底物分子是所需的。
可以加入酶如α淀粉酶和葡糖淀粉酶，从而将存在的淀粉分解或水解。α淀粉酶是细菌的热稳定内淀粉酶。其将淀粉分子中随机位置的α-1,4键水解以迅速降低凝胶化淀粉溶液的粘度。这种酶是含金属离子的蛋白质并且在使用期间为了最大活性和稳定性需要少量的钙离子。所述酶不能水解α-1,6键，但是可以在支链淀粉绕过这些分支点。反应的产物是糊精-短葡萄糖链，以及少量的葡萄糖和麦芽糖。
由真菌产生的葡糖淀粉酶是外淀粉酶。其从分子的非还原性末端开始水解麦芽糖和糊精。葡糖淀粉酶水解α-1,4和α-1,6键二者以将糊精完全降解为葡萄糖。酶在pH 3.5-4.5活性最优。通常，可以以固体物质的0.25-1.5％w/w的浓度加入α淀粉酶，并且可以以固体物质的0.25-3％w/w的浓度加入葡糖淀粉酶。在酶消化之后，可以对发酵培养液进行热处理，从而破坏酶并且杀死可能存在并且可能干扰后续工艺步骤的任何细菌。
然而，酶的加入、pH的调节和所需的加热和冷却明显地增加了成本并且因此可以是不合乎需要的。发明人已经观察到微生物如Fusariumvenenatum(F.venenatum)可以进行利用未水解谷物谷粒淀粉溶液的发酵。因为常规的真菌蛋白制备通常需要葡萄糖作为起始碳源，意外的是，可以使用未经过淀粉水解的材料制备真菌蛋白。当在不必须进行液化和/或糖化步骤的情况下进行本发明的方法时，这可以导致大幅的成本节约。
使用丝状真菌如F.venenatum进行真菌蛋白制备以将可发酵培养液内的材料发酵。如上所述的淀粉的水解可以或可以不在进行发酵之前进行。可以为了有效的真菌蛋白发酵提供氮和营养物质如Vogel盐的适合的来源(补充有40g的葡萄糖的大约1L的Vogel盐)。其可以在发酵之前和/或期间加入。
可以理想的是在发酵期间包括消泡剂，从而使可能由于例如存在于发酵培养基中的蛋白质而出现的任何发泡最小化。例如，可以以高达1％(v/v)的浓度加入油菜籽油。其不仅可以充当消泡剂，而且油菜籽油还可以用作碳源并且因此可以被发酵。可以仅需在发酵的开始加入消泡剂，如油菜籽油。
作为需氧发酵过程，真菌蛋白的制备需要加入作为空气或氧的氧源。连同对其他发酵条件的控制，曝气的程度将会影响碳水化合物向真菌蛋白和乙醇的相对转化并且可以用于影响转化率。制备两种产物(真菌蛋白和乙醇)的综合方法允许在真菌蛋白发酵期间不需要使乙醇(其在常规真菌蛋白发酵中将会是废料副产物)最小化的运行条件。可以以连续或分阶段操作的方式选择性地改变有利于真菌蛋白/乙醇制备的条件。理想地，可以将运行条件分阶段以匹配更加能量密集的向真菌蛋白的需氧发酵的程度，并且能量供应分阶段以匹配可再生能量可得性的每天能量循环。
真菌蛋白和/或乙醇发酵可以作为分批、半连续、或连续过程进行。连续过程可以提供在维持最佳稳态控制条件和与连续分离过程连接的能力方面的优点。一旦完成，可以对真菌蛋白和废发酵培养基进行热处理，从而移除/破坏可能存在的核酸，如RNA。例如，之后可以将真菌蛋白与废发酵培养基分开/分离，如通过离心或过滤，并且之后干燥。之后可以进一步处理干燥的真菌蛋白材料，从而提供适合的食品级材料。可以将真菌蛋白发酵废液(与分离的淀粉水解产物和/或分离的蛋白质/纤维固体合并)进一步发酵以用于乙醇制备。可以使用酿酒酵母(S.cerevisiae)从而将材料发酵并且制备乙醇。在Finn等人(2006)中描述了典型的过程。
一旦已经进行发酵并且制备乙醇，则需要将乙醇与存在的其他材料分开/分离。这可以通过例如在(Cardona and Sanchez,2007)中描述的连续蒸馏过程实现。这为乙醇提供了高纯度，例如其可以通过经过分子筛而进一步纯化，从而移除水并且将乙醇进一步浓缩。
在蒸馏过程期间移除的不含乙醇的材料包括通常被称为酒糟的固体和可溶性物质。可以通过例如压制或离心将这种固体和可溶性物质分离，从而提供湿固体物质和液体。可以将湿固体物质进一步干燥并且可以将液体浓缩，从而提供浆液。可以单独或组合使用干燥的固体和浆液，从而提供被称为干酒糟及其可溶物(DDGS)的物质。
可以看出，本发明提供了一种方法，其能够将较低等级/价值的材料转化为真菌蛋白(其可以用作人类食物来源)；乙醇(其可以用作生物燃料)；和废料，如DDGS(其可以用作动物饲料)。
详细描述
现在将通过非限制性实例的方式和参照附图进一步描述本发明，所述附图示出：
图1示出了来自用于乙醇制备的现有方法的典型构造的示意性流程图；图2至图8示出了来自其中可以由谷粒原料共同制备真菌蛋白和乙醇的根据本发明的许多实例系统构造的示意性流程图。
图1-用于乙醇制备的现有方法的典型构造的流程图。
图2-用于使用两种微生物的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的综合构造的流程图。
图3-用于使用两种微生物的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的综合构造的另一个流程图。
图4-用于使用两种微生物和不同原料的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的综合构造的另一个流程图。
图5-用于使用单一微生物(需氧发酵，之后厌氧发酵)的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的可能的综合构造的流程图。
图6-用于使用单一微生物(厌氧发酵，之后需氧发酵)的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的综合构造的流程图。
图7-用于使用单一微生物的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的综合构造的流程图。
图8-用于使用单一微生物(厌氧发酵，之后需氧发酵)的真菌蛋白和乙醇制备的共同制备方法的综合构造的流程图。
图9- F.venenatum在最低Vogel培养基(烧瓶1-3)和补充有Vogel盐的小麦水解产物(烧瓶4-6)中的生长的比较。将在30℃和150rpm下在定轨摇床上温育。一式三份进行实验并且估算生物质。在72h之后选取样品(实验1)。
图10-利用补充有Vogel盐的小麦水解产物的F.venenatum(Vw＝1.5-L)的分批发酵。示出了在整个发酵过程中干燥生物质(●)、葡萄糖(▲)和乙醇(×)趋势(实验1)。
图11-在不具有酶(●)、具有0.5％w/wα淀粉酶(Δ)和具有0.5％w/wα淀粉酶和1％w/w葡糖淀粉酶二者(□)的情况下在定轨摇床上在28℃和150rpm下的摇瓶中生长的F.venenatum在70g/L含有面粉的水解产物中的生长。在24、48和72小时之后选取样品并且一式三份分析生物质含量(实验1)。
图12-具有MYPG和补充有Vogel盐的小麦水解产物的酿酒酵母摇瓶的光密度(OD)和干细胞重量。将烧瓶在30℃和250rpm下温育并且所有均含有20g/L葡萄糖作为碳源。使它们生长并且一式三份分析(实验2)。
图13-分别使用MYPG和小麦水解产物的借助酿酒酵母的乙醇发酵。描绘了在整个发酵过程中的光学密度。在发酵罐1(●)和发酵罐2(○)中使用MYPG，而在发酵罐3(□)和发酵罐4(Δ)中使用补充有Vogel盐的小麦水解产物。在8-18h之间曝气为0.82vvm，否则为0vvm。将温度维持恒定在30℃并且pH在5.5(实验2)。
图14-分别使用MYPG和小麦水解产物的借助酿酒酵母的乙醇发酵。示出了在整个发酵过程中的干燥生物质增加。在发酵罐1(●)和发酵罐2(○)中使用MYPG，而在发酵罐3(□)和发酵罐4(Δ)中使用补充有Vogel盐的小麦水解产物。在8-18h之间曝气为0.82vvm，否则为0vvm。将温度维持恒定在30℃并且pH在5.5(实验2)。
图15-使用F.venenatum的综合方法的第一发酵的干细胞重量(DCW)和葡萄糖趋势(实验3)。
图16-使用酿酒酵母的综合生物方法的第二部分的干细胞重量(DCW)、葡萄糖和乙醇趋势。
图17-使用不同曝气曲线的Fusarium venenatum发酵的干细胞重量趋势的比较(实验4)。
图18-在整个Fusarium venenatum发酵过程中利用不同氧供给的乙醇制备(实验4)。
图19-在整个F.venenatum发酵过程中利用不同发酵培养基和不同氧供给的葡萄糖浓度的趋势(实验4)。
图20-在F.venenatum发酵的时间进程期间的溶解氧(DO,％)曲线(实验4)。
将使用以下要点从而解释各种组分和在图1-8中例示出的方法中进行的步骤：
谷粒碾磨物理分解谷粒以实现在下游处理中的淀粉提取；
液化是从谷粒中提取并且水解淀粉以获得适用于物理处理和发酵的水溶性碳水化合物的过程。通常使用酶，将谷粒与水混合并且加热。加热过程使用于发酵的溶液进一步灭菌；
通过倾析、过滤或离心进行固体蛋白质和纤维的分离以提供适用于真菌蛋白发酵的可溶性碳水化合物溶液。该步骤在常规乙醇生物精制中不是必需的，因为可以从浆料中蒸馏发酵产物乙醇；
需氧发酵提供真菌蛋白的发酵生长。该操作可以以分批或连续方式进行。在受控条件下冷却的情况下将氮源(例如氨)、营养物质和空气/氧供给至发酵罐以促进真菌蛋白生长。通过经由过程变量如底物通量或/和氧水平操控生理条件，可以控制条件以优化真菌蛋白生长速率/选择性或者实现真菌蛋白与乙醇的优选比率；
真菌蛋白发酵酿造的热处理和分离提供分离的(通过过滤或离心)和干燥的固体主体真菌蛋白产物。进行混合物的热处理以降低产物的核酸(RNA)含量；
进行厌氧发酵以将残留的碳水化合物转化为乙醇。这可以使用真菌蛋白和常规的酿酒的酵母(例如，酿酒酵母(S.cerevisiae))之一或二者进行；
蒸馏用于将乙醇与发酵混合物分离；
干燥从蒸馏的乙醇中移除残留的水以满足生物乙醇燃料的要求。这常规上使用分子筛进行；
固体蛋白质/纤维与谷粒的分离产生通常用作家畜饲料的高蛋白产物。当连同结合了发酵混合物的可溶性组分的来自蒸馏的蒸发的残余物一起分离和干燥时，其通常被称为干酒糟及其可溶物(DDGS)。
示出了用于单独制备生物乙醇的本领域中已知的代表性过程。在该过程中，仅描述了用于生物乙醇的制备的厌氧过程。
如可以从-8中例示出的各种过程中看到的，本发明提供其中移除不溶性物质如蛋白质和纤维的分离阶段，从而提供适用于后续发酵的包含溶解的碳水化合物的溶液。
在图2-8中描绘的各种实施方案中，提供一种综合方法，其可以制备乙醇和真菌蛋白二者，以及可以用作动物饲料产品的废料，干酒糟及其可溶物(DDGS)。
实施例部分：
实验过程
1.1微生物和培养条件
在真菌蛋白(和乙醇)发酵中使用的微生物是从ATCC购买的丝状真菌F.venenatumA3/5(20334)。主培养物通过接种含有来自马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)板的具有40g/L葡萄糖的最低Vogel培养基的液体培养物而制备。它们在定轨摇床上在150rpm和28℃下温育72h，之后将20％甘油加入至培养物中并且将它们在-80℃储存在低温小药瓶中。此外，将PDA板在温育器中在30℃和0％CO2下生长并且之后在4℃储存。
为了乙醇发酵，还使用酵母酿酒酵母(由斯特拉斯克莱德药学和生物医学科学研究所的培养物保藏中心提供)。其在含有下列各项的1L的MYPG培养基中生长：3g麦芽提取物、3g酵母提取物、5g蛋白胨和10g葡萄糖，然而葡萄糖在高压灭菌之后加入从而防止美拉德反应(Maillard reaction)。将pH调节为5.5并且使培养基凝固，加入15g/L琼脂。将平板用接种环接种并且在温育器中在30℃下温育24h，并且之后在4℃储存。通过接种液体培养物并且将其在定轨摇床上在30℃和250rpm下温育24h，之后加入20％甘油并且在-80℃储存在低温小药瓶中，制备主培养物。
1.2接种物制备
通过将来自-80℃细胞库的解冻的小瓶接种至200mL试样量的Vogels培养基中来制备F.venenatum的接种物。将培养物在30度温育二十四小时的时间段。将50mL试样量的该培养物(提供10％v/v的接种物)移除并且转移至离心管。将其以8000rpm离心10分钟的时间段。将上清液移除并且加入等体积的无菌蒸馏水以使F.venenatum的粒料重悬。之后将其与之前一样以8000rpm离心10分钟的时间段。再次将上清液移除并且将Fusarium venentum粒料在20mL试样量的无菌小麦培养基中重悬。该试样量用于通过注射器隔膜端口将生物反应器接种。
酿酒酵母接种物的制备遵循类似的方法。将来自细胞库的小瓶解冻并且用于接种含有MYPG培养基的200mL烧瓶。当细胞密度已经达到足够的水平(大约1Au的光密度)时，按照与对F.venenatum接种物所进行的相同的操作，将50mL试样量的培养物离心，用蒸馏水洗涤，并且在小麦培养基中重悬。
1.3培养基制备
1.3.1确定成分培养基
根据Vogel(1956)制备用于发酵和摇瓶的确定成分培养基。使用葡萄糖代替碳源蔗糖，并且使用40g/L而不是15g/L。
1L的培养基含有：2.17g柠檬酸三钠、5g磷酸二氢钾、2g硝酸铵、0.2g七水合硫酸镁、0.1g二水合氯化钙、0.25mg生物素和5mL微量元素溶液。
对于微量元素溶液来说，将以下微量元素溶解于95mL蒸馏水中：5g一水合柠檬酸、5g七水合硫酸锌、1g六水合硫酸铁铵、0.25g五水合硫酸铜、0.05g一水合硫酸锰、0.05g硼酸和0.05g二水合钼酸钠。
1.3.2小麦水解产物(WH)
使用IKA分析磨机将小麦谷粒碾磨为面粉材料。将该面粉溶解在加热至90℃的蒸馏水中，并且最终面粉浓度在70g/L的区域内。一旦在溶液中，即将系统的pH调节为7，之后以所加入的小麦面粉的1％w/w的加载量加入α淀粉酶。将该溶液维持在90℃并且搅拌1小时的时间段。之后使溶液冷却，同时仍然搅拌，直到达到在50℃的区域内的温度。之后使用1M盐酸将溶液的pH调节为4.6-4.8。之后以相对于所加入的小麦面粉的量1％w/w的加载量再次加入葡糖淀粉酶。之后在振荡温育器中在50℃和100rpm下将该溶液温育16小时的时间段。
之后将酶处理的培养基冷却至室温，转移至离心管并且以6,000rpm离心10分钟的时间段。使用Buchner漏斗使上清液经过0.2μm滤纸并且收集滤液用于发酵过程。之后再次将滤液高压灭菌。参照Panagiotopoulos等人(2009)、Gadonna-Widehem等人(2012)和由Sigma提供的酶数据表，进行淀粉水解的操作。
1.4生物质估算
针对在发酵期间选取的样品中的每一个估算F.venenatum和酿酒酵母的生物质水平。
使用微纤维过滤器实现F.venenatum细胞重量估算。将玻璃微纤维过滤器编号并且记录干燥过滤器的质量。将过滤器放置在Buchner漏斗中并且使1mL试样量的发酵样品经过过滤器。对于每个样品一式三份重复该过程。随后将过滤器放置在佩特里培养皿(petridish)中并且在烘箱中在50℃下干燥24小时的时间段。之后将过滤器再次称重，并且如果需要，再次干燥，直到观察到稳定读数。通过减去之前记录的空过滤器的重量来计算生物质。因为一式三份进行该过程，报告的值是三个记录的重量的平均值。
使用eppendorf管进行酿酒酵母干细胞重量估算。将Eppendorf管在干燥器中干燥并且记录干燥空管的重量。将1mL试样量的发酵样品移液至管中，并且之后以6000rpm离心10分钟的时间段。将上清液移除并且将细胞沉淀干燥。将管再次称重，直到观察到稳定读数，并且减去空管的质量以得到所存在的细胞的质量。因为使用了1mL试样量的发酵样品，提及在这里确定的值作为以g/mL表示的干细胞重量。再次一式三份分析所有样品，并且所提及的值是三次重复的平均值。
1.5葡萄糖量化
使用YSI生物化学分析仪测量在每个样品中存在的葡萄糖浓度。早期样品需要应用在x10区域内的稀释因数，从而将葡萄糖浓度降低至生物化学分析仪能够重复量化的水平。在酵母菌属发酵期间，可以直接分析稍后的样品，而不需要进行任何稀释步骤。
1.6乙醇量化
使用高效液相色谱(HPLC)法实现在样品中的乙醇的量化。使用REZEX ROA-H+有机酸色谱柱和0.005N硫酸流动相以1mL/分钟的流量实现分离。借助折射率检测器进行检测。
1.7摇瓶培养
在含有200mL或40mL培养基(MYPG或具有Vogel盐的小麦水解产物)的500mL或100mL锥形瓶中进行摇瓶培养物培养。在针对F.venenatum培养物设定为150rpm和28℃和针对酿酒酵母培养物设定为30℃和250rpm的垂直振动器上将烧瓶温育。
1.8生物反应器分批培养
1.8.1F.venenatum分批培养
在下面描述的两个不同发酵系统中进行真菌蛋白分批发酵。发酵温度是28℃并且用2M氢氧化钠将pH控制为6。为了0％的O2值用不含氧的氮气校准DO探针并且用压缩空气进行斜率校准。在发酵条件下进行探针校准。接种物，在垂直振动器上在28℃和150rpm下生长的72小时摇瓶培养物，占最终发酵体积的10％v/v。用于发酵的培养基是Medium N(Vogel1956)或补充有Vogel盐的小麦水解产物。在使用小麦水解产物作为发酵培养基的情况中，无论何时需要，均使用油菜籽油作为消泡剂。
1.8.1.1Applikon
该发酵系统的硼硅酸盐容器具有2L的总容量并且在1.5L的工作容量下以2:1的高度与直径的比率进行发酵。发酵罐配备有四个可移除挡板和两个六刃Rushton叶轮，由顶部Applikon P100电动机驱动。通过经由位于叶轮下方的环形喷头喷射过滤空气来释放曝气。用Mettler Toledo pH探针测量pH，并且为了确定溶解氧，使用Mettler Toledo DO探针。使用Applikon加热套管加热发酵罐。系统还配备有温度探针和冷凝器以防止蒸发。将Applikon Bio-Console ADI 1035单元与Applikon Bio-Control ADI1031控制单元组合使用以控制参数。与该发酵系统一起使用的搅拌是600rpm。
1.8.2乙醇发酵
在以下详细描述的两个不同发酵系统中进行乙醇发酵。所使用的搅拌是500rpm并且将温度控制在30℃。在发酵条件下进行pO2探针校准。通过用不含氧的氮气曝气来设定0％的O2值并且用压缩空气校准探针的斜率。用2M硫酸和25％v/v氨将pH控制为5.5的值。在8和18小时的发酵时间之间，仅以0.82vvm将发酵培养基曝气。接种物，24小时摇瓶培养物(30℃，250rpm)，占最终发酵体积的5％v/v。为了在发酵期间控制发泡，根据需要加入PPG。
1.8.2.1具有DCU 3(B.Braun Biotech)的Biostat C(C15-3)
不锈钢发酵罐具有22L的总容量和允许加热或冷却发酵罐的双壁。其是侧壁观察窗口并且配备有四个挡板以及在环形喷头上方的三个六刃Rushton叶轮。pO2探针以及pH探针来自Mettler Toledo。高度与直径的比率是3:1，其中直径为21cm并且高度为57cm。DCU-3单元允许对发酵进行控制和监测。在酸和碱泵的帮助下控制pH。此外，系统配备有根据需
要使用的消泡泵。
1.8.2.2DASGIP(Eppendorf)
发酵系统允许进行四个平行发酵，其可以被独立地控制。平底发酵罐容器具有9cm的直径和24cm的高度，其等于3:1的高度与直径的比率。容器具有400-1500mL的工作容量。顶部驱动器搅动两个六刃Rushton叶轮。通过将空气经由L喷头泵送通过无菌过滤器实现曝气。系统完全配备有加热容器的主单元、酸和碱泵、pH和pO2检测单元、温度检测器、尾气分析、和搅拌控制。
结果
1.9小麦培养基
按照所概述的操作(1.3)得到用于该发酵的小麦培养基。这种特别的培养基制备使用溶解于2L蒸馏水中的具有146g小麦面粉的加载量的“RCS”鉴定的批次的小麦。在该过程中使用1.46g的α淀粉酶和1.5g的葡糖淀粉酶的酶加载量。
在表1中列出了在培养基制备中的各种阶段使用YSI生物化学分析仪测量的葡萄糖浓度。
表1-在小麦培养基的酶处理期间的各种阶段的葡萄糖浓度。
进行以下实验以支持本发明。
表2-支持本发明的实验。
1.10实验1
1.10.1目标&目的
这个实验的目的是研究使用于使用碳水化合物给料(小麦水解产物)的真菌蛋白制备的F.venenatum生长的可行性。
1.10.2实验条件
首先在小麦水解产物中并且之后在葡萄糖中(两种培养基均补充有Vogel盐)使F.venenatum的摇瓶培养物生长以比较在两种不同培养基中的生长曲线。一式三份完成并且分析摇瓶。在72小时之后选取样品并且分析生物质和葡萄糖含量(9)。
用于真菌蛋白发酵的发酵设置是：以1slpm曝气并且将搅拌器速度设定为1000rpm。将温度维持在28℃，将pH设定为6并且用最终发酵体积的10％v/v的72h摇瓶培养物接种发酵罐。用于发酵的小麦水解产物补充有Vogel盐。第一发酵揭示了在发酵开始时强烈的泡沫积累的问题。这导致了泡沫中生物质的累积，并且总之仅在发酵培养基的顶部生长，而不是在溶液中。据推测发泡由小麦水解产物中的蛋白质导致，并且因为在之前的发酵中使用的最低Vogel培养基不含有蛋白质，在之前的分批发酵中发泡不是问题，并且此外在当前使用的工业过程中也未带来问题。
为了克服该问题，使用油菜籽油作为消泡剂。选择油菜籽油，因为其可以在食品级产物中使用并且将会是经济的溶液。其也可以被镰刀菌属用作碳源，这将会引起较高的收率，并且因为发泡仅在过程开始时是明显的问题，在稍后的时间点这将不会是问题。
因为单独使用油菜籽油作为消泡剂不能克服接种物在发酵罐中的液面的顶部上累积的问题，使用曝气和搅拌特征。详细地，这意味着，在1.5小时的时间进程期间缓慢地提高搅拌和曝气。所使用的搅拌和曝气速率在以下表中示出。
表3-使用小麦水解产物的F.venenatum的分批发酵的搅拌和曝气特征。描绘了提高参数时的时间点。
1.10.3结果
通过使用该特征，进行了成功的分批发酵，其可以在10中看到。在该发酵中的最大达到的生物质是8.97g/L，考虑到49.46g/L的起始葡萄糖浓度，其得到18.1％的收率。这个达到的收率仅为在使用最低Vogel培养基的分批发酵中达到的收率的一半。这很可能是由于严重限制生长的在发酵开始时的强烈的氧限制。溶解氧在发酵开始时迅速降低，因为曝气和搅拌在开始时非常低，这对于向发酵培养基中的氧传递来说是不利的(数据未示出)。通过改善氧供给，可以达到较高的真菌蛋白收率，同时在发酵期间还制备了9.98g/L乙醇作为副产物。未预期在该发酵期间这样的高水平的乙醇的制备，并且将会完成进一步的实验以研究培养条件对通过F.venenatum共同制备乙醇和真菌蛋白的影响(章节1.13)。
1.10.3.1在部分水解的培养基(未使用酶)中的F.venenatum生长
由于关于工艺的经济效益和购买水解酶的高成本和归因于加热/冷却步骤和pH调整的水解过程的高成本的因素，考虑使用仅在水中溶解的小麦面粉或仅通过进行液化步骤部分水解的小麦。为了研究这将会对镰刀菌属菌株的生长具有什么影响，使镰刀菌属在摇瓶中在补充有Vogel盐的不同水解产物中生长。为此目的，将70g/L小麦面粉溶解在90℃水中，并且之后在一个样品中仅用0.5％w/wα淀粉酶进行液化步骤并且在另一个样品中进行额外使用1％w/w葡糖淀粉酶的液化和糖化步骤二者。第三个样品不含有任何酶。用HPLC分析三个培养基并且将其用于摇瓶实验。
不同的水解产物的HPLC分析显示，只有经历了液化和糖化步骤二者的水解产物含有葡萄糖并且70g/L小麦面粉得到48g/L葡萄糖。在含有补充有Vogel盐的200mL培养基的500mL摇瓶中一式三份进行实验，并且在24、48和72小时之后选取样品并且一式三份进行分析。
这个实验的结果显示，F.venenatum可以在仅由加入了Vogel盐的小麦水解产物组成的培养基中等同良好地生长(11)。因此推断，其使用溶液中的淀粉作为碳源。完全水解的培养基中生长稍快，据推测其由对在镰刀菌属中制备淀粉酶以使用淀粉作为能量来源的需求引起。HPLC数据(未示出)表明，即使在不具有任何酶的培养基中也存在二糖，其可以在温育开始时使用并且这可能是为何在前24小时中不能观察到生长的差异的原因。在72小时之后，在所有瓶中的生物质为大约7g/L干燥生物质，并且没有值得注意的差异。
1.11实验2
1.11.1目标&目的
为了表明真菌蛋白发酵和乙醇发酵的过程的综合是可能的，进行初步实验以证实酿酒酵母在小麦水解产物中生长(章节1.10.3.1)。还在真菌蛋白发酵的滤液中使酵母生长，以观察是否存在生长并且确定F.venenatum是否产生抑制酿酒酵母的生长的任何物质(章节1.11.3.2)。
1.11.2实验条件
1.11.3结果
1.11.3.1酿酒酵母在小麦水解产物中的生长
进行摇瓶实验。为此目的，将100mL摇瓶用40mL培养基填充并且在250rpm和30℃下生长24h。一式三份使瓶生长并且进行分析。在2中描绘了OD和干燥生物质测定的结果。
该实验的结果显示，酿酒酵母在补充有Vogel盐的水解的小麦中等同良好地生长并且因此过程的综合是可能的。可以推测，小麦水解产物含有蛋白质和酿酒酵母生长所需的其他营养物质，因为仅含有葡萄糖和Vogel盐的培养基不能促进相同的生长。
1.11.3.2使用小麦水解产物的酿酒酵母的分批发酵
为了表明两个发酵过程的综合是可能的，进行使用小麦水解产物的酿酒酵母的发酵。所使用的发酵系统是DASGIP(Eppendorf)，其允许同时进行四个发酵。使用MYPG进行两个发酵作为对照，并且使用补充有Vogel盐的小麦水解产物(35g/L面粉、0.5％w/wα淀粉酶、1％w/w葡糖淀粉酶)进行两个发酵。工作容量是800mL并且进行发酵24小时，而仅在发酵时间的8至18小时之间存在0.82vvm的曝气。通过测量光密度和测定干燥生物质来监测酵母的生长。
在发酵的时间进程期间，所有四个发酵的光密度趋势和干燥生物质趋势二者未显示出明显的差异，2和3。
样品的HPLC分析得到以下初始葡萄糖浓度和最终乙醇浓度的值。此外，计算葡萄糖向乙醇的转化的收率。使用WH的发酵的收率稍高，但是通常，两个发酵的趋势是相似的。
表4：在酿酒酵母发酵开始时的葡萄糖浓度和最大乙醇浓度的分析。计算葡萄糖向乙醇的转化的收率。
1.12实验3
1.12.1目标&目的
这个实验的目的是证明用于使用过期饲料级小麦作为生长培养基制备真菌蛋白(F.venenatum)和乙醇(使用酿酒酵母)的综合生物方法的可行性。之前进行的实验已经表明，可以在水解的小麦培养基上成功地使镰刀菌属和酵母菌属二者生长(章节1.10和1.11)。这个实验建立于这些发现之上，试图使镰刀菌属生长至获得足够的生物质同时葡萄糖仍然存在于系统中以被酿酒酵母进一步利用的程度。
1.12.2实验条件
1.12.2.1发酵过程
在表5中详述了实验条件。
表5-实验3的实验条件。
1.12.3取样&结果
在接种后以及在整个发酵过程中的各个时间点立刻移除培养基的样品。
使用YSI生物化学分析仪(1.5)针对所收集的样品中的每一个估算葡萄糖浓度以及每种生物的生物质水平(1.4)。因为一式三份对其进行分析，报告的值是三次重复的平均值(5和图16)。
使用HPLC法(1.6)实现样品中的乙醇量化并且还在6中详述了结果。
1.12.4讨论
这个实验证明了将两个目标发酵过程综合的能力。第一阶段证明了使F.venenatum生长至在10g/L的区域内的生物质水平的能力。之后收获该生物质并且将仍然含有在20g/L的区域内的葡萄糖的培养基再次灭菌。该培养基之后用酿酒酵母接种并且随后实现该生物的生长。在大约16小时的时间段之后，使培养物氧匮乏以促进乙醇的制备。继续发酵，直到达到大约四十小时的总发酵时间，在各个时间点选取样品以用于使用先进的HPLC法的乙醇量化(1.6)。
在Fusarium venentaum的发酵期间未检测到乙醇(数据未示出)。在接种和酿酒酵母的初期生长之后，在样品中注意到乙醇(大约5g/L)，6。
这说明了使用过期饲料级小麦作为生长培养基的综合两个生物方法——用于真菌蛋白制备的Fusarium venenantum发酵以及随后的酿酒酵母发酵和乙醇制备的途径的可行性。应当进行方法的优化以通过发酵制备最大收率的真菌蛋白和乙醇，从而提高总体过程效率。
1.12.5结论
结果已经证明，用于制备所需产物的两个生物方法的综合是可能的。
1.13实验4
在尝试证明用于使用过期饲料级小麦作为生长培养基用Fusariumvenenatum制备真菌蛋白(作为食物)和乙醇(作为燃料)的生物方法的可行性中，进行多个发酵。
1.13.1目标&目的
该实验的目的是证明将Fusarium venenatum用于使用水解的饲料级小麦作为底物制备真菌蛋白和乙醇二者的生物方法的可行性。
在进行之前，实验已经表明，取决于所使用的曝气曲线，Fusariumvenenatum产生生物质或乙醇。为此目的，使用三个不同的曝气曲线，从而确定生物质和乙醇制备的差异。使用利用Vogel培养基(VM)的对照发酵并且在整个发酵过程中对其进行曝气。
用无氧限制的相同级联对所有四个发酵的发酵时间的前20小时进行曝气。在20小时之后，对发酵一(VM1)和二(WH2)进一步曝气，而在20小时的发酵之后通过将曝气设定为0.1vvm来对发酵三(WH3)进行氧限制。对于发酵四(WH4)来说，关闭曝气，这导致氧匮乏(oxygen starvation)。在表6中描绘了所应用的条件。
表6-用于研究氧限制的影响的每个发酵条件的概述。
1.13.2实验条件
根据1.3制备在发酵二、三和四中使用的小麦水解产物。
1.13.3取样&结果
在接种前和刚接种后选取培养基的样品。之后在整个发酵过程中每天两次选取样品。记录样品的详情、它们的时间和各个监测的工艺参数。
使用YSI生物化学分析仪(1.5)针对所收集的样品中的每一个估算葡萄糖浓度以及每种生物的生物质水平(1.4)。因为一式三份对其进行分析，报告的值是三次重复的平均值。使用1.6中描述的HPLC法实现样品中的乙醇量化。
1.13.3.1发酵1
在对Fusarium venenatum无氧限制的情况下进行发酵一。使用该发酵作为对照，由于该原因，使用具有葡萄糖作为碳源的Vogel培养基代替小麦水解产物作为发酵培养基。其目的是比较不同培养基之间的生长并且确定可能的差异。预期在发酵中在无氧限制的情况下得到更多的生物质并且未检测到大量的乙醇。
1.13.3.1.1实验条件
在表7中概述了用于该发酵过程的实验参数。该发酵充当对照并且与发酵二进行比较。
表7-发酵一的实验条件。
1.13.3.1.2结果
在发酵一中，在其中达到22g/L干燥生物质的水平的发酵的前20小时中制备大多数生物质。在96小时之后，当存在25g/L干燥生物质时，在发酵的最后达到最大干燥生物质。在整个发酵过程中未检测到乙醇。在20小时之后，对于镰刀菌属，仅可获得最初43.5g/L的0.4g/L的葡萄糖。可以在7、8和9中看到干燥生物质、乙醇和葡萄糖水平的趋势。
1.13.3.1.3结论
如预期的，在该发酵中未产生乙醇，而其得到25g/L的大量的生物质。可以通过将底物进料至发酵罐中并且收获生物质来增加生物质制备。随着增加生物质，可以观察到增加的粘度，这阻止了混合和氧传递。因此，收获生物质可以有益于生物质的制备。
1.13.3.2发酵2
在发酵二中使用的底物补充有Vogel盐的小麦水解产物，其也在发酵三(1.13.3.3)和四(1.13.3.4)中使用。其在整个发酵过程中不是氧限制的。将该发酵与发酵一进行比较，从而得到关于所使用的培养基之间收率差异的结论。与使用Vogel培养基的发酵一相比，预期从该发酵中得到相近的结果。
1.13.3.2.1发酵过程
在发酵二中，使用小麦水解产物作为发酵培养基。将溶解氧的设定点设定为30％。在表8中详述了另外的实验条件。
表8-发酵二的实验条件。
1.13.3.2.2结果
在7、8和9中示出了使用小麦水解产物和无氧限制的发酵的干燥生物质、乙醇和葡萄糖趋势。尽管在27小时之后葡萄糖水平达到0.13g/L，在44小时之后达到21g/L的最大干燥生物质浓度。乙醇仅在20小时之后存在，但是之后可以用作碳源，并且在发酵的另外过程中不能检测到乙醇。
1.13.3.2.3结论
该发酵得到与第一发酵近似相同的生物质水平。最初葡萄糖水平较低，这解释了所达到的生物质水平的差异。此外，除20小时的样品外，在整个发酵中未检测到乙醇。
1.13.3.3发酵3
在发酵三中，研究了氧限制对乙醇制备的影响。将结果与之前的发酵进行比较，尤其是与具有氧匮乏条件的发酵(发酵四)进行比较。应当提供针对氧的存在对乙醇制备的影响的进一步的认识。
1.13.3.3.1实验条件
在表9中详述了实验条件。使用补充有Vogel盐的小麦水解产物作为发酵培养基，并且在20小时阶段的无氧限制之后，将曝气设定为0.1vvm，从而氧限制条件。
表9-发酵三的实验条件。
1.13.3.3.2结果
在发酵三中，起始葡萄糖浓度是34.5g/L并且在27小时之后葡萄糖从发酵培养基中耗尽。与在具有在75小时的发酵时间之后检测到的11g/L的最大值的在无氧限制下的发酵(发酵1和2)中相比，所制备的生物质低得多。在44小时之后乙醇制备达到其最高值4.8g/L。可以在7、8和9中看到在整个发酵过程中的底物和产物的趋势。
1.13.3.3.3结论
在发酵三中(在氧限制条件下)，在前24h期间在氧限制条件下制备主要量的乙醇。在发酵的稍后阶段期间，乙醇浓度降低，说明其被生物用作碳源。
1.13.3.4发酵4
在发酵四中，研究了在20小时的最初生长阶段之后生物的多大的氧匮乏将会影响所制备的乙醇的量。预期在氧匮乏阶段期间得到较低水平的生物质，但是得到乙醇制备的大幅增加。
1.13.3.4.1实验条件
在表10中详述了用于发酵四的实验条件。使用小麦水解产物作为发酵培养基，并且在20小时的无氧限制之后，将曝气设定为0vvm，从而使镰刀菌属氧匮乏。
表10-发酵四的实验条件。
1.13.3.4.2结果
在整个发酵过程中以常规间隔选取样品。发酵四具有32.5g/L的起始葡萄糖浓度并且在27小时之后耗尽。干燥生物质也在27小时之后到达峰值(10g/L)。乙醇浓度在发酵的最后处于其最高值并且达到11.7g/L。在7、8和9中描绘了所确定的参数的详细情况。
1.13.3.4.3结论
来自该发酵的结果表明，氧匮乏对乙醇制备是有利的。在将曝气关闭之后，生物质不再增加而是降低，直到发酵结束。尽管生物质浓度降低，乙醇在发酵的匮乏阶段期间继续增加并且在过程最后达到其最高水平。葡萄糖在27小时之后耗尽，可能的是，在小麦水解产物中存在的其他低聚糖用于乙醇的制备。
1.13.3.5实验4结论
为了理解不同的曝气曲线对生物质和乙醇制备的影响，对发酵的工艺参数进行比较。在7中可以看到，非常清楚，氧限制和氧匮乏的发酵比未氧限制的发酵制备明显较少的干燥生物质。然而，在小麦水解产物发酵的曝气阶段期间(前20h)，生长速率近似相同(0.34g/L.h)，显示出过程的再现性。
此外，研究了在不同发酵中的第二产物乙醇的制备。在这些发酵中，观察到，氧匮乏导致明显增加的乙醇制备(8)，这与在其他发酵中达到的乙醇水平明显不同。在20小时之后，使用小麦水解产物进行的所有发酵(发酵2-4)显示出相同量的乙醇，这与使用Vogel培养基进行的发酵(发酵1)不同。只有氧匮乏的发酵在发酵最后在发酵培养基中显示出乙醇。
在8中，描绘了在整个发酵过程中的葡萄糖浓度。在小麦水解产物中的起始葡萄糖浓度比在Vogel培养基中稍低，然而在所有发酵中的消耗率是大约0.40g/L*h。在曝气阶段期间(表11)和在整个过程时间期间(表12)计算基于葡萄糖的生物质和乙醇收率，从而获得较好的发酵的比较。
表11-在用于将葡萄糖转化为生物质和乙醇的发酵的曝气阶段(前20h)期间的过程收率，以及生物质和乙醇生产率。
缩写：VM1：Vogel培养基，无氧限制；WH2：小麦水解产物，无氧限制；WH3：小麦水解产物，氧限制；WH4：小麦水解产物，氧匮乏。YDCW/Glc：基于葡萄糖的生物质收率，YEtOH/Glc：基于葡萄糖的乙醇收率，PDCW：生物质生产率，PEtOH：乙醇生产率
如预期的，在曝气阶段期间，与在使用小麦水解产物的发酵(发酵二-四)中相比，发酵一(VM1)显示出基于葡萄糖的较高的生物质的转化。生物质生产率在Vogel培养基(发酵一，VM1)中也高3倍，说明葡萄糖在确定成分培养基(VM)中更高效率地转化为生物质。然而，即使在过程的该阶段期间，也有利于在小麦水解产物培养基(发酵二-四)中的乙醇制备。
在表12中可以看到，尽管在发酵二期间的生物质水平比在发酵一中低，葡萄糖向生物质的转化的总体产率是相似的(～50％)。此外，葡萄糖向乙醇的最高转化和最高乙醇生产率在氧匮乏条件下(WH4)。这意味着，与生物质制备(在无氧限制条件下最高)相比，这些条件有利于乙醇制备。
表12-葡萄糖向生物质和乙醇转化的总过程收率，以及生物质和乙醇生产率(总体过程时间96h)。
缩写：VM1：Vogel培养基，无氧限制；WH2：小麦水解产物，无氧限制；WH3：小麦水解产物，氧限制；WH4：小麦水解产物，氧匮乏。YDCW/Glc：基于葡萄糖的生物质收率，YEtOH/Glc：基于葡萄糖的乙醇收率，PDCW：生物质生产率，PEtOH：乙醇生产率
连同监测底物和产物浓度，监测另外的工艺参数。在中描绘了溶解氧浓度，其提供对发酵培养基中氧水平的认识。在20小时之后，当降低曝气时，对发酵三和四进行氧限制。
1.13.3.6结论
在该报告中所示的结果证明，使用Fusarium venenatum由饲料级小麦水解产物制备生物质以及乙醇的假设是可行的。此外，还第一次证明了，过程控制(即，操控曝气条件)有利于生物质制备(无氧限制条件)或乙醇制备(氧匮乏条件)。在可以使生物氧匮乏并且因此可以开始乙醇的发酵之前，可以以曝气存在足够长以获得足够生物质浓度的方式进行过程优化。
具有氧匮乏条件的过程对高乙醇收率来说似乎是优选的。即使在非常低的生物质水平的情况下，也可以在不存在氧的情况下(发酵四)制备(并且有利于)大量的乙醇。可以在乙醇制备阶段开始之前(过程的前20h)收获大量生物质。因此，通过操控工艺条件，可以调节该方法，从而得到所需产物。
使用单一生物用于制备两种产物(生物质和乙醇)具有巨大经济优势和下游处理优势。可以根据真菌蛋白(生物质)或乙醇的需求通过使曝气阶段延长或缩短来调整制造方法。可以通过收获生物质并且向发酵中进料更多的小麦水解产物来进一步改善该方法。在不需要曝气的情况下制备乙醇将会大幅降低制备成本并且因此将会影响总体工艺经济效益。
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Claims (11)

1.一种能够由碳水化合物给料制备和分离丝状真菌蛋白和乙醇的综合方法或系统。
2.一种用于由谷物材料共同制备真菌蛋白和乙醇的综合方法或系统，所述方法包括下列步骤：
a)提供包含一种或多种谷物材料的含水的可发酵培养液；
b)用微生物使所述含水的可发酵培养液的至少一部分发酵，从而分别获得真菌蛋白或乙醇并且获得部分发酵的培养液；
c)将真菌蛋白或乙醇与所述部分发酵的培养液分开；
d)用微生物使所述部分发酵的培养液的至少一部分任选地与未发酵的含水的可发酵培养液的一部分一起发酵，从而分别获得乙醇或真菌蛋白并且获得废发酵残余物；和
e)将乙醇或真菌蛋白与所述废发酵残余物分离。
3.根据权利要求1或2所述的方法或系统，其中所述真菌蛋白和乙醇使用F.venenatum分别通过需氧消化和厌氧发酵制备。
4.根据任一项前述权利要求所述的方法或系统，其中真菌蛋白和乙醇在2步发酵过程中制备，其中所述给料在第一步中部分转化并且其中在所述步骤中的每一个中控制运行条件以优先促成一种或另一种产物。
5.根据权利要求4所述的方法或系统，其中在所述2个处理步骤之间完全或部分分离所述产物中的一种。
6.根据权利要求2所述的方法或系统，其中真菌蛋白从所述第一步完全分离，并且使用不同于用于制备真菌蛋白的生物的微生物进行第二步向乙醇的转化。
7.根据权利要求2所述的方法或系统，其中将相同的微生物(例如，F.venenatum)用于真菌蛋白和乙醇制备步骤二者。
8.根据任一项前述权利要求所述的方法或系统，其中真菌蛋白和乙醇在单个发酵罐中制备，其中控制运行条件以制备所需混合比的真菌蛋白和乙醇。
9.根据任一项前述权利要求所述的方法或系统，其中初始底物是谷粒材料并且所述综合方法额外产生可用作家畜饲料来源的具有增加的蛋白质含量的副产物。
10.根据权利要求9所述的方法或系统，其中所选择的制备混合物使真菌蛋白和具有增加的蛋白质含量的所述副产物的制备最大化。
11.根据任一项前述权利要求所述的方法或系统，其中考虑到在增加真菌蛋白的生产率所需的需氧条件下的发酵的较高的能量强度，可以改变运行条件以及得到的真菌蛋白和乙醇的生产混合比或生产率以匹配能量供应或成本的分阶段。
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