CN109943555A - 一种利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用表面固定化方法连续制备酒母进行酒精发酵的技术，它将纤维材料固定于球状的网格中作为固定化介质，同时将固定化介质填装于发酵罐中，使酵母通过吸附的作用固定于纤维载体上实现酒母连续培养。该固定化连续培养酒母的工艺持久稳定，大幅降低酒母培养环节生产成本，缩短发酵周期，且能通过控制酵母浓度实现较高的糖醇转化率，具有较强的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明属于工业生物技术领域，具体涉及一种表面固定化方法连续制备酒母进行酒精发酵的技术。
背景技术
传统燃料乙醇生产企业通常采用的大接种量(20-35％)方式进行游离发酵，菌浓较高(>2.5亿个/ml)，消耗糖份较高，造成一定程度上的浪费；另外，后期由于机械搅拌或通气培养带来的剪切力作用导致酵母易老化想象，尤其大部分企业采用的投加安琪干酵母，更容易造成菌株退化，使得后面发酵后劲不足，发酵周期长，残总糖水平较高，淀粉利用率较低。同时，在酒母扩陪中，易发生染菌现象，从而进一步降低淀粉利用率。
固定化酵母研究历史较为悠久，其优点也很明显，比如载体吸附的高密度酵母，其菌群优势明显，使得发酵过程不易染菌，发酵速度快，总糖消耗更为彻底。同时，固定化酵母能反复利用，省去了酒母扩陪过程中的人力物力及财力，且便于连续化发酵。然而投入生产的案列少之甚少，主要存在的问题有：固定化介质成本高、机械强度低、吸附效果和传质效果差以及连续化发酵酵母活性易退化和易染菌等问题。而且，固定化技术多数应用于发酵过程中，很少见于酒母制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种表面固定化方法连续制备酒母进行酒精发酵的技术，以解决现有技术存在的效果不佳等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种表面固定化方法连续制备酒母进行酒精发酵的技术，它包括如下步骤：
(1)将装有吸附材料的球形网格状载体填充于底部具有均匀排布分布器和缓冲钢丝网的种子罐中；
(2)向步骤(1)中所述的发酵罐中泵入培养基和活化的安琪酿酒酵母或经过扩陪的酿酒酵母，底部通气培养；
(3)酵母浓度达到1.2-2.0亿个/mL时，结束通气，通过离心泵进行循环式培养和吸附，即酒母从底部出，经过离心泵和换热器再从罐顶喷头进入种子罐。
(4)循环式培养的过程中，采取一边连续进料(总糖浓度200-260g/L)一边连续出料至发酵罐中。按30-50％的接种量泵入发酵罐。30-50％液位后开始流加糖化醪至满罐，满罐后酒母罐出料切换至第二个发酵罐，以此类推，实现酒精发酵连续化生产。
所述的吸附介质为植物纤维、动物纤维和化学合成纤维中的任意一种或几种的组合，以及其用化学交联剂或改性剂进行修饰的纤维。
所述的球型网格由聚丙烯或聚乙烯制成。
所述的吸附介质为圆形片状，其边长与球形网格直径的比值为0.6～0.8：1；其中，一个球型网格中装有2～5片吸附介质。
所述的发酵罐的高径比为2～3：1；每个发酵罐中，吸附介质绝干的量为2～6g/L。
所述的空气分布器有1-3圈圆形管道，每圈管道上侧有等间距的出气孔。
所述的钢丝网，孔径为1cm×1cm-4cm×4cm的钢丝网，起缓冲作用，避免气流对载体冲击。
所述的培养基总糖浓度为150-220g/L，为人工半合成培养基，淀粉质原料(玉米、木薯、水稻或小麦)的糖化液和糖蜜中的任意一种或几种的组合；
所述的安琪酿酒酵母为耐高温安琪干酵母，其经过水活化后按0.1-0.3％(w/v)流加至酒母罐；所述的扩陪酵母指的是从平板活化经过2-3级扩陪后按照15-30％接种量流加至酒母罐。
所述的通气培养的空气流量为0.2-0.6vvm，培养过程中保持微压。
所述的循环量为1小时循环0.25-2次。
所述的进料流量控制条件以细胞浓度为指标，使其细胞浓度在0.8-1.5之间。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1、固定化技术所用材料成本低、机械强度高、无毒性、吸附效果好，操作简便，且中空球状载体有利于传质作用，适用于清液和全糟酒母的制备。
2、本技术避免了传统酒母扩培过程中酒母易老化易衰退现象，大幅降低酒母培养成本，明显提高酒母培养效率；
3、表面吸附的大量菌体具有较强的菌群优势，不易于染菌，溶液中产生的游离酵母数处于恒定的较低水平，避免了糖的浪费性消耗，间接提高了糖醇转化率；
4、本技术代取传统固定化发酵工艺，采用连续化酒母培养，使得固定化酵母始终处于高活性状态，酒母制备效率高，大幅缩短了酒精发酵的生产周期，明显提高了酒精发酵产能，该工艺易于工业化应用。
附图说明
图1本发明球型网格结构示意图。
具体实施方式
实施例1采用竹纤维固定化酵母连续制备酒母进行糖蜜乙醇发酵
将剪成直径为2cm的竹纤维(4层)固定于聚乙烯制成的如图所示直径3cm中空网格型球中，制备成固定化介质；然后将固定化介质以3g/L的填充量放入高径比 2.5:1的50L反应器中。反应器底部具有一圈空气分布器管路，且上方2cm处有一层孔径1cm×1cm的钢丝网。将酸处理后并灭菌过的糖蜜(总糖180g/L)培养基压入固定化种子罐，再加入10％的摇瓶种子液，以0.3vvm的空气流量进行通气培养，待酵母浓度达到1.1亿个/mL时结束通气，采用1小时2倍体积的流量进行自循环式培养，同时一边入糖蜜(总糖230g/L)，一边排出酒母至发酵罐，进出料流量取决于酵母浓度(维持在1.0-1.1亿个/mL)。发酵罐装满40液位后，泵入糖蜜至满罐(一般装液量 80％)。种子罐继续出料至第二个发酵罐。发酵结束糖醇转化率比传统发酵提高4.5 个百分点，发酵产能相比传统酒母发酵提高20％。
实施例2采用活性碳纤维固定化酵母连续制备酒母进行木薯乙醇发酵
首先，将剪成直径为3cm的活性碳纤维(3层)固定于聚乙烯制成的直径4.5cm中控网格型球中，制备成固定化介质；然后将固定化介质以2.5g/L的填充量放入高径比2:1的200L反应器中(罐内结构同实施例1)。将木薯糖化醪(总糖200g/L)压入固定化种子罐，再加入10％的摇瓶种子液，以0.5vvm的空气流量进行通气培养，待酵母浓度达到1.2亿个/mL时结束通气，采用1小时1.5倍体积的流量进行自循环式培养，同时一边入糖化醪(总糖220g/L，一边排出酒母至发酵罐，进出料流量取决于酵母浓度(维持在1.2亿个/mL左右)。发酵罐装满50液位后，泵入糖化液至所要求的液位。种子罐继续出料至第二个发酵罐。发酵结束糖醇转化率比传统发酵提高4 个百分点，发酵产能提高25.5％。
实施例3采用棉纤维固定化酵母连续制备酒母进行水稻乙醇中试发酵
首先，将剪成直径为15cm的棉纤维固定于聚丙烯制成的直径21cm中控网格型球中，制备成固定化介质；然后将固定化介质以2.5g/L的填充量放入高径比2.2:1的 30吨反应器中，反应器底部具有2圈空气分布器管路，且上方20cm处有一层孔径4cm ×4cm的钢丝网。将木薯糖化醪(总糖200g/L)压入固定化种子罐，再加入48kg经过水活化的安琪干酵母，以0.2vvm的空气流量进行通气培养，待酵母浓度达到1.0 亿个/mL时结束通气，采用1小时0.5倍体积的流量进行自循环式培养，同时一边入糖化醪(总糖215g/L)，一边排出酒母至发酵罐，酵母浓度维持在0.8-1.0亿个/mL。发酵罐装满35液位后，泵入糖化液至所要求的液位。种子罐继续出料至第二个发酵罐。发酵结束糖醇转化率比传统发酵提高3个百分点，发酵产能提高30％。
实施例4采用棉纤维固定化酵母连续制备酒母进行木薯乙醇高浓度中试发酵
首先，固定化方法同实施例1。将木薯糖化醪(总糖210g/L)压入固定化种子罐，再加入60kg经过水活化的安琪干酵母，以0.4vvm的空气流量进行通气培养，待酵母浓度达到1.5亿个/mL时结束通气，采用1小时1倍体积的流量进行自循环式培养，同时一边入糖化醪(总糖255g/L左右)，一边排出酒母至发酵罐，进出料流量取决于酵母浓度(维持在1.4-1.6亿个/mL左右)。发酵罐装满50液位后，泵入糖化液至所要求的液位。种子罐继续出料至第二个发酵罐。发酵结束酒度可达15.1％(v/v)以上，糖醇转化率比传统发酵提高2.5个百分点，发酵产能提高26％左右。
Claims (12)
1.一种利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
(1)将装有吸附材料的球形网格状载体填充于底部具有均匀排布分布器和缓冲钢丝网的发酵罐中；
(2)向步骤(1)中所述的发酵罐中泵入培养基和酿酒酵母，底部通气培养；
(3)当酵母浓度达到1.2-2.0亿个/mL时，结束通气，通过离心泵进行循环式培养和吸附；
(4)循环式培养的过程中，采取一边连续进料一边连续出料至串联发酵罐中，按发酵罐体积的30～50％的接种量泵入发酵罐中，达到30-50％液位后开始流加糖化醪至满罐，满罐后酒母罐出料切换至第二个发酵罐，以此类推，实现酒精发酵连续化生产。
2.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的吸附介质为植物纤维、动物纤维和化学合成纤维中的任意一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的球型网格由聚丙烯或聚乙烯制成。
4.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的吸附介质为圆形片状，其边长与球形网格直径的比值为0.6～0.8：1；其中，一个球型网格中装有2～5片吸附介质。
5.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的发酵罐的高径比为2～3：1；每个发酵罐中，吸附介质绝对干重为2～6g/L。
6.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的空气分布器有1-3圈圆形管道，每圈管道上侧有等间距的出气孔。
7.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的钢丝网，孔径为1cm×1cm-4cm×4cm的钢丝网。
8.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的培养基的总糖浓度为150-220g/L，所述的培养基为人工半合成培养基，淀粉质原料的糖化液、糖蜜中的任意一种或几种的组合；所述的淀粉原料为玉米、木薯、水稻或小麦。
9.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的酿酒酵母为安琪酿酒酵母或扩陪酵母；
所述安琪酿酒酵母为耐高温安琪干酵母，其经过水活化后流加至酒母罐；所述的扩陪酵母指的是从平板活化经过2-3级扩陪后流加至酒母罐。
10.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的通气培养的空气流量为0.2-0.6vvm。
11.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的循环量为1小时循环0.25-2次。
12.根据权利要求1所述的利用表面固定化技术连续制备酒母进行酒精发酵的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的进料流量控制条件以细胞浓度为指标，使其细胞浓度在0.8-1.5之间。
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