CN109706190A

CN109706190A - 以纤维载体固定可发酵糖的乙醇发酵生产工艺

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Publication number: CN109706190A
Application number: CN201910125892.0A
Authority: CN
Inventors: 王瑞云
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明涉及以纤维载体固定可发酵糖的乙醇发酵生产工艺。更具体的，本发明涉及一种通过固态发酵来生产乙醇的方法，包括以下步骤：a)纤维载体制备：制备长为1‑5cm、宽0.2‑0.6cm，厚0.1‑0.3cm的纤维载体；b)固定可发酵糖：将步骤a)中制备的纤维载体浸入可发酵糖液中，并在25‑30℃加热20‑30分钟；c)乙醇发酵：在步骤1.b)制备的固定有可发酵糖的纤维载体中加入酵母进行发酵。通过采用本发明的生产乙醇的方法，可以充分地利用原料，降低发酵过程中的底物、产物抑制效应，并且提高乙醇得率。

Description

以纤维载体固定可发酵糖的乙醇发酵生产工艺

技术领域

本发明属于发酵领域。更具体地，本发明涉及以纤维载体固定可发酵糖的乙醇发酵生产工艺。

背景技术

美国、巴西、欧盟、中国是带动生物燃料乙醇发展的主力军，而美国和巴西在生物燃料乙醇行业里更是走在前列。美国是全球最大的生物燃料乙醇生产国和消费国，以玉米为主要原料。2016年，全美生物燃料乙醇总产量达到4554万吨，E15车用乙醇汽油在美国已实现全覆盖，年减排二氧化碳超过4350万吨。巴西是是全球第二大生物燃料乙醇生产国和消费国，也是最早实现车用乙醇汽油全覆盖的国家，主要以甘蔗为原料。2016年，巴西生物燃料乙醇产量达到2118万吨，主要通过高比例掺混(27％)利用，巴西燃料乙醇替代了该国50％的汽油。欧盟早在1985年就开始使用乙醇含量为5％的车用乙醇汽油，欧盟2016年生物燃料乙醇产量为409万吨。与美国和巴西相比，我国人口众多、耕地面积有限，生产燃料乙醇的原料制约燃料乙醇产业发展。

燃料乙醇生产方法包括以粮食作物的糖质或淀粉质原料为原料的生产技术。该生产技术是当前的主要生产方式。在对糖质或淀粉质等原料进行发酵时，普遍采用游离的酵母细胞和固定化的酵母细胞。在采用游离的酵母细胞进行发酵时，细胞会随发酵液不断流走，造成发酵罐中细胞的浓度不够大，乙醇产生速度慢，发酵时间长，且所用发酵罐多，设备利用率不高。在采用固定化的酵母细胞进行发酵时，细胞可连续使用，发酵罐中的细胞浓度始终保持很大，乙醇产生速度快，产量也高。

尽管采用固定化的酵母细胞相较于采用游离的发酵母细胞来进行发酵更具备优势，但是酵母细胞是活的有机体，因此在对其进行固定化中可变性比较大，在生产中更容易出现问题。因此，如何进一步优化固态发酵，由此以更高的产率生产乙醇，是本领域亟需解决的一个技术问题。

发明内容

为解决上文所提及的问题，本发明旨在提供一种新型的发酵工艺，该工艺与传统的固态发酵工艺不同，也与酵母细胞固定化、酶固定化发酵不同，其是用纤维载体固定可发酵糖，由此增加酵母细胞与糖的接触面积，使酵母细胞可以充分利用糖分来进行发酵。

为此，在一方面，本发明提供了一种通过固态发酵来生产乙醇的方法，包括以下步骤：

a)纤维载体制备：制备长为1-5cm、宽0.2-0.6cm，厚0.1-0.3cm的纤维载体；

b)固定可发酵糖：将步骤a)中制备的纤维载体浸入可发酵糖液中，并在25-30℃加热20-30分钟；

c)乙醇发酵：在步骤b)制备的固定有可发酵糖的纤维载体中加入酵母进行发酵。

通过本发明生产乙醇的方法，可以在连续糖发酵操作的同时，降低底物限制对发酵反应的影响、提高原料的利用率，提升生物乙醇的产率、降低生产成本。并且，纤维载体可以重复利用，可发酵糖亦可以多样化，来丰富燃料乙醇的原料来源，以此促进企业的长久可持续发展。

此外，本发明不仅限于乙醇发酵，凡使用本技术利用可发酵糖实现菌体培养并代谢生产产品，均为本发明的权利范围。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

下面对本发明进行更为详细的描述。应注意，上文的发明内容部分以及下文的详细描述仅用于具体阐释本发明之目的，无意于以任何方式对本发明进行限制。在不背离本发明的精神和主旨的情况下，本发明的范围由随附的权利要求书确定。

如上文所述，在目前的固态发酵中，主要通过将酵母或者酶固定于载体上进行。然而这种方式的固态发酵存在着诸多问题，例如乙醇得率相对较低、不能连续发酵。另外，由于菌种和酶的可变性相对较大，其容易在固定中出现问题，由此影响乙醇发酵的效率。

为此，本发明提供了一种通过固态发酵来生产乙醇的方法，包括以下步骤：

d)纤维载体制备：制备长为1-5cm、宽0.2-0.6cm，厚0.1-0.3cm的纤维载体；

e)固定可发酵糖：将步骤a)中制备的纤维载体浸入可发酵糖液中，并在25-30℃加热20-30分钟；

f)乙醇发酵：在步骤b)制备的固定有可发酵糖的纤维载体中加入酵母进行发酵。

在本发明方法中，首先需要制备纤维载体，例如通过将纤维原料放入粉碎机中进行粉碎，去除块状原料，保留长为1-5cm、宽0.2-0.6cm，厚0.1-0.3cm的丝状原料作为纤维载体。该纤维载体可以采取多种类型的纤维原料来制备，其可以是农作物秸秆等生物质纤维，例如甜高粱秸秆、玉米秸秆等，也可以是竹纤维、矿物纤维等。

在一个实施方案中，所述纤维载体的原料为农作物秸秆、竹纤维和矿物纤维中的一种、两种或三种。在一个具体的实施方案中，所述农作物秸秆为玉米秸秆，所述竹纤维为芦竹纤维，所述矿物纤维为聚丙烯腈纤维。

本发明人发现，纤维载体的物理形状会影响可发酵糖在其上的固定，进而会影响到乙醇的发酵得率。更具体地，在采用短细条状的纤维载体时，相对于不规则块状或者粉末状的纤维载体，其可以更好地固定可发酵糖，并且具有更高的乙醇得率。

因此，在一个实施方案中，所述农作物秸秆被加工为长1.0-3.0cm、宽0.3-0.5cm、厚0.1-0.2cm的短细条。在一个具体的实施方案中，所述农作物秸秆可以是甜高粱秸秆、玉米秸秆等，但不限于此。

在采用纤维原料制备好纤维载体之后，需要在制备好的纤维载体上固定可发酵糖。该固定过程可以通过将在上一步中制备好的纤维载体浸入可发酵糖液中，并在25-30℃加热20-30分钟来进行。

本文中提及的术语“固定”是指可发酵糖被吸附至纤维载体的过程。“吸附”是指固体或液体表面对气体或溶质的吸着现象。吸附可以是物理吸附，也可以是化学吸附，或者是物理吸附和化学吸附的组合。“物理吸附”是指由分子间作用力相互作用而产生的吸附，例如活性炭对气体的吸附；“化学吸附”是指由于化学键的作用而产生的吸附，如镍催化剂吸附氢气。

因此，在一个实施方案中，所述固定通过物理吸附进行。在另一个实施方案中，所述固定进一步通过化学吸附进行。所述化学吸附可以采用一种或者多种化学吸附剂进行。

在一个实施方案中，采用农作物秸秆如甜高粱秸秆来制备纤维载体，并且另外地采用任何合适的化学吸附剂，以此在物理吸附的基础上进一步进行化学吸附，由此提高乙醇得率。

在本发明中，可以采用任何类型的可发酵糖。在此所谓“可发酵糖”是指在乙醇生产中能够被酵母利用和同化的糖类。

在一个实施方案中，所述可发酵糖液采用淀粉、糖蜜和其他可制备发酵糖液的糖类中的一种或者多种单独地或者混合地制备。

在采用淀粉来制备可发酵糖时，淀粉类物质需要经过除杂、液化、糖化等步骤转化为可发酵糖。在采用糖蜜来制备可发酵糖时，糖蜜类物质经过稀释、酸化，并在添加无机物后转化为可发酵糖。

在一个具体的实施方案中，所述淀粉为薯类或谷类例如甘薯、马铃薯、玉米、大米、高粱、小麦，所述糖蜜为甘蔗糖蜜或甜菜糖蜜，所述其他可制备可发酵糖液的糖类为甜高粱杆或甜菜。

在一个实施方案中，所述可发酵糖液的粘稠度被调整为4×10⁴mPa·s至6×10⁴mPa·s。具有该粘稠度的可发酵糖液可以更好地吸附至纤维载体上，由此在进行乙醇发酵时获得显著更高的乙醇得率。

在纤维载体上固定可发酵糖时，纤维载体与可发酵糖液两者之间的比例(重量比)可以为1:(1～5)，如1:(1～3)，如1:1.5。

在将可发酵糖固定于纤维载体之后进行乙醇发酵。在本发明中，可以采用任何合适的酵母细胞来进行发酵，例如可以采用酿酒酵母来发酵六碳糖。

在本发明中使用的酵母种子液可以经过一级培养和二级培养获得。在一级培养时，加入酵母营养盐、尿素，并使其充分溶于水中。随后接入酵母，保持酵母最佳繁殖温度26～30℃。当酵母数达到1×10⁸cells/ml，或出芽率20％以上时，将其用于二级培养。在二级培养时，将一级种子液中培养好的种子液转入二级培养瓶中，待酵母数增殖至1×10⁸cells/ml，保持醪液温度30±2℃，用硫酸将PH调整到4～5，待用。

需要注意的是，酵母培养使用代数不得超过7代。如遇染菌、增殖缓慢、酵母退化等现象，则需要重新对酵母培养器皿进行蒸汽灭菌，并重复地进行一级培养、二级培养步骤。

此外，在进行乙醇发酵时，在混合固定有可发酵糖的纤维载体和酵母种子液时，为获得好的乙醇得率，可以将酵母种子液和纤维载体两者按照重量比为(1～5):15的比例进行混合，例如按照1:15的比例进行混合。

在一个实施方案中，在步骤c)中，发酵温度为25-35℃，优选30-34℃，发酵时间为20-40小时。

在另一个实施方案中，在步骤c)中，用于发酵的酵母为酿酒酵母。

在乙醇发酵之后，还可以额外地对乙醇进行粗馏和精馏，并且还可以收集粗馏之后的纤维载体，将其循环使用。

现有的固态乙醇发酵法通常是通过固定酵母细胞，然后添加单一种类的糖原料来进行的。相反，本发明方法与现有方法极大不同，并且可以获得更高的乙醇得率，具体如下：

(1)我们固定于纤维载体的是可发酵糖而非酵母细胞。如上文所述，酵母细胞是活的有机体，因此在对其进行固定化的过程中，可变性比较大，在生产中更容易出现问题。但是，如果对可发酵糖进行固定则不再会面临这一问题。另外，通过用纤维载体将可发酵糖均匀地固定化，可增加酵母细胞与糖的接触面积，使酵母细胞可以充分利用糖分来进行发酵，提高原料利用率，提升生物乙醇的产率，降低生产成本。

(2)现有的发酵方法通常采用的是组成单一的糖原料。但是，本发明方法可以对多种类型的糖原料进行发酵，实现原料的多元化，丰富了生产燃料乙醇的来源，并且对原料的利用也更加充分。

(3)除了农作物秸秆之外，本发明方法还可以使用其他类型的纤维载体，例如竹纤维、矿石纤维等。显然，本发明方法实现了纤维载体的多样化，换言之本发明方法的适用范围更为广泛。此外，本发明方法中的纤维载体可以重复利用。

(4)本发明方法使得纤维载体能够携带足够的糖，由此可以连续地进行固态发酵，节省时间，节约成本。

(6)通过对基础方法的进一步优化，例如采用具最适粘稠度的可发酵糖液，或者采用合适的化学吸附剂，还可以进一步提高吸附率，进而提高乙醇得率。

下面结合附图以及实施例对本发明进行更为具体和详细的描述。

实施例

实施例1

1、纤维载体的制备：

将玉米秸杆等农作物秸秆类放入粉碎机中进行粉碎，筛选出块状原料，保留丝状原料，其长为1-5cm、宽0.2-0.6cm，厚0.1-0.3cm，随后高温灭菌、干燥。

2、可发酵糖液的制备：

2.1、粉碎：本实施例以玉米为例，将玉米粉碎成玉米面。

2.2、液化：将玉米面与水充分混合，之后加入ɑ-淀粉酶进行液化，温度升至80℃，液化过程将温度控制在70～80℃，将PH控制在ɑ－淀粉酶最适作用范围内，液化过程对物料进行碘检，碘检合格，不变色，橙色即为合格完成液化。

2.3、糖化：将温度控制在40～50℃，测醪液PH值，并调整到所使用糖化酶最适PH。加入糖化酶，用糖度计进行糖度检测，供发酵所用。

3、可发酵糖的固定：

将粉碎好的纤维载体以1:1.5的比例(重量比)浸入可发酵糖液中，30℃条件下加热20min，待用。

在固定结束之后，取出一部分固定好可发酵糖的纤维载体，通过称重的方式检测其吸附率。具体地，称量固定前和固定后纤维载体的重量及固定前可发酵糖液的重量，然后通过如下公式进行计算：吸附率(％)＝(固定后纤维载体的重量－固定前纤维载体的重量)/固定前可发酵糖液的质量)。检测发现其吸附率为90％。

4、酵母种子液的制备：

4.1、一级培养：一级扩培时需加入酵母营养盐、尿素，使其充分溶于水中，接入酵母，保持在酵母最佳繁殖温度26～30℃；当酵母数达到1×10⁸/ml或出芽率20％以上时，开始进行二级培养。

4.2、二级培养：将一级种子液中培养好的种子液转入二级培养瓶，待酵母数增殖至1×10⁸细胞/ml，保持醪液温度30±2℃，用硫酸将PH调整到4～5，按比例与粉碎物料混匀，进入发酵步骤。可补充糖化液、纯水及营养盐和尿素，开始新一代酵母培养；酵母培养使用代数不得超过7代，如遇染菌、增殖缓慢、酵母退化等现象，则需要重新对酵母培养器皿进行蒸汽灭菌，重复以上4.1、4.2的扩培步骤。

5、乙醇发酵：

将培养好的种子液加入至固定化载体，其中种子液和固定化载体两者的重量比为1:15，混合均匀，将混有酵母的物料放入发酵器皿，将发酵罐温度控制在30～34℃，发酵完毕后，进行物料粗馏。

6、乙醇的粗馏和精馏：

准确称取发酵料样品50g，加水200ml至圆底烧瓶中，加热煮沸，用蒸馏设备蒸出100ml液体至磨口锥形瓶中，倒入试管中及时密封即可，乙醇得率为92.5％。

7、纤维载体循环利用：

将粗馏完的纤维载体进行收集，循环利用。

实施例2：

1、纤维载体的制备：

2、可发酵糖液的制备(糖蜜)：

2.1、稀释：将80-90Bx的糖蜜类物质加水稀释到36-42Bx的糖液。

2.2、酸化：按糖蜜量的0.2％-0.4％加入浓硫酸(比重为1.84，浓度为98％)，然后再加入0.2％-0.3％的硫酸铵。酸化时间为4-5小时，PH值为4-4.5即可。

2.3、添加无机物：按糖蜜量的比重添加硫酸铵0.10％、尿素0.10％、磷酸二氢钾0.16％、七水硫酸镁0.05％。

3、可发酵糖的固定：

将粉碎好的纤维载体以1:3的比例浸入可发酵糖液中，30℃条件下加热20min，待用。

在固定之后，取出一部分固定好可发酵糖的纤维载体，通过称重的方式检测其吸附率。具体地，称量固定前和固定后纤维载体的重量及固定前可发酵糖液的重量，然后通过如下公式进行计算：吸附率(％)＝(固定后纤维载体的重量－固定前纤维载体的重量)/固定前可发酵糖液的质量)。检测发现其吸附率为92％。

4、酵母种子液的制备：

4.1、一级培养：一级扩培时需加入酵母营养盐、尿素，使其充分溶于水中，接入酵母，保持酵母最佳繁殖温度26～30℃；当酵母数达到1×10⁸细胞/ml或出芽率20％以上时，开始进行二级培养。

4.2二级培养：将一级种子液中培养好的种子液转入二级培养瓶，待酵母数增殖至1×10⁸细胞/ml，保持醪液温度30±2℃，用硫酸将PH调整到4～5，按比例与粉碎物料混匀，进入发酵步骤。可补充糖化液、纯水及营养盐和尿素，开始新一代酵母培养；酵母培养试用代数不得超过7代，如遇染菌、增殖缓慢、酵母退化等现象，则需要重新对酵母培养器皿进行蒸汽灭菌，重复以上4.1、4.2的扩培步骤。

5、乙醇发酵：

6、乙醇的粗馏和精馏：

准确称取发酵料样品50g，加水200ml至圆底烧瓶中，加热煮沸，用蒸馏设备蒸出100ml液体至磨口锥形瓶中，倒入试管中及时密封即可，乙醇得率为93％。

7、纤维载体循环利用：

将粗馏完的纤维载体进行收集，循环利用。

实施例3

除了采用竹纤维作为原料来制备纤维载体之外，本实施例的其余步骤，包括可发酵糖液的制备、可发酵糖的固定、酵母种子液的制备、乙醇发酵、乙醇的粗馏和精馏、以及纤维载体的循环利用，均与实施例1中公开的方法步骤相同。

在本实施例中，纤维载体的制备通过如下方式进行：将竹纤维大致剪切成长为1-5cm、宽0.2-0.6cm，厚0.1-0.3cm的丝状长条，高温灭菌，干燥。

结果发现，竹纤维载体对可发酵糖的吸附率为89％，并且乙醇得率为90％。

实施例4

除了采用聚丙烯腈纤维作为原料来制备纤维载体之外，本实施例的其余步骤，包括可发酵糖液的制备、可发酵糖的固定、酵母种子液的制备、乙醇发酵、乙醇的粗馏和精馏、以及纤维载体的循环利用，均与实施例1中公开的方法步骤相同。

在本实施例中，纤维载体的制备通过如下方式进行：将聚丙烯腈纤维大致剪切成长为1-5cm、宽0.2-0.6cm，厚0.1-0.3cm的丝状长条，高温灭菌，干燥。

结果发现，聚丙烯腈纤维载体对可发酵糖的吸附率为91％，乙醇得率为91％。

实施例5

本实施例对不同物理形状的纤维载体对乙醇发酵的影响进行了比较和研究。在本实施例中，除了采用不同物理性状的纤维载体来固定可发酵糖之外，本实施例的其余步骤，包括可发酵糖液的制备、可发酵糖的固定、酵母种子液的制备、乙醇发酵、乙醇的粗馏和精馏、以及纤维载体的循环利用，均与实施例1中公开的方法步骤相同。

将玉米秆纤维通过如下方式制备成具有不同物理形状的纤维载体：通过粉粹机粉粹，控制粉粹机的筛网孔径大小，得到不同形状的玉米秸秆纤维。

通过上述方式制备出来的纤维载体具有如下形状：

表1.玉米秸秆纤维载体的形状

经检测发现，这几种具有不同物理形状的纤维载体对于糖的吸附能力是不同的，其中处理组2即短细条的吸附能力最强，其吸附率达93％，其次是处理组1，其吸附率为83％。最后是处理组3，其吸附率为80％，并且处理组2与处理组1和3之间的吸附能力差异显著(p<0.05)。最终确定，处理组2，即长1.0～3.0cm，宽0.3～0.5cm,厚0.1～0.2cm的短细条状的纤维载体，是本试验条件下的适宜物理形状。

另外，这三种不同物理形状的纤维载体在乙醇发酵中获得了不同的乙醇得率。具体地，处理组2的乙醇得率为91％，处理组1的乙醇得率为80％，处理组3的乙醇得率为79％。经统计分析发现，处理组2与处理组1和3之间的乙醇得率差异极其显著(p<0.01)。

通过以上结果可以获知，在纤维载体的吸附能力越强的情况下，能获得更高的乙醇得率。

实施例6

本实施例进一步研究了可发酵糖液的粘稠度的影响。采用实施例5的处理组1使用的纤维载体，并以与实施例5中实验条件相同的实验条件进行实验。

在进行可发酵糖的固定之前，将可发酵糖液的粘稠度调整在1×10⁴mPa·s至10×10⁴mPa·s之间，10个粘稠度梯度。可发酵糖液的粘稠度测定采用NDJ-1旋转式粘度计进行。

结果发现，在可发酵糖液的粘稠度为4×10⁴mPa·s至6×10⁴mPa·s时，吸附率介于93％-95％之间，乙醇得率分别为91％-93％。粘稠度在此范围外的情况下，吸附率相对较低，基本不足90％，与粘稠度为4×10⁴mPa·s至6×10⁴mPa·s时相比，具有统计学显著差异(p<0.05)。同时，粘稠度在此范围外的情况下，乙醇得率也相对较低，大致分布在85-88％之间，差异显著(p<0.05)。可见，可发酵糖液的粘稠度会直接影响可发酵糖的吸附率，由此间接地影响乙醇得率。

上文已经通过一般性说明及具体实施方案对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种通过固态发酵来生产乙醇的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维载体的原料为农作物秸秆、竹纤维和矿物纤维中的一种、两种或三种；例如，所述农作物秸秆为玉米秸秆，所述竹纤维为芦竹纤维，所述矿物纤维为聚丙烯腈纤维。

3.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤a)中，所述纤维载体由农作物秸秆制备，并且所述农作物秸秆被加工为长1.0-3.0cm、宽0.3-0.5cm、厚0.1-0.2cm的短细条。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述可发酵糖液采用淀粉、糖蜜和其他可制备发酵糖液的糖类中的一种或者多种单独地或者混合地制备获得；优选地，所述淀粉为薯类或谷类例如甘薯、马铃薯、玉米、大米、高粱、小麦，所述糖蜜为甘蔗糖蜜或甜菜糖蜜，所述其他可制备可发酵糖液的糖类为甜高粱杆或甜菜。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中所述可发酵糖液的粘稠度被调整为4×10⁴mPa·s至6×10⁴mPa·s。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中在步骤b)中，所述固定通过物理吸附进行。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述固定进一步通过化学吸附进行。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中在步骤c)中，发酵温度为25-35℃，优选30-34℃，发酵时间为20-40小时。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中在步骤c)中，用于发酵的酵母为酿酒酵母。