CN110117588A - 一种新型发酵罐及其在固定化酵母发酵制备乙醇中的应用 - Google Patents

一种新型发酵罐及其在固定化酵母发酵制备乙醇中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面固定化酵母发酵方法与装备，它将纤维材料固定于球状的网格中，并将球分层填装于发酵罐，发酵罐分层安装分流管道，采用循环方式进行酵母固定和连续间歇式发酵。该技术克服了现有固定化技术的不足，该固定化方法不仅投入成本低、操作方便、工艺稳定、传质和吸附效果好，而且对原料没有严格限制，可用于淀粉类原料带渣发酵，易于工业化应用。

Description

一种新型发酵罐及其在固定化酵母发酵制备乙醇中的应用
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酵母发酵方法与装备。
背景技术
随着自然资源的匮乏和环境问题的日渐突出，生物发酵技术的地位也越来越重要，近些年来也取得了迅猛发展。固定化技术凭其众多优势在生物发酵中成为重要的研究热点。虽然固定化技术研究有较长的历史，但真正应用于工业化生产的寥寥可数。究其原因，主要是固定化介质机械强度低，传质效果差，不易于操作等。之前我们申请了表面固定化酵母发酵技术(如专利号ZL201210538977.X)，即将特殊处理的纤维材料附着于支撑骨架，并填充到生物反应器中，然后将酵母细胞固定于生物反应器中的纤维材料上，从而实现固定化酵母发酵的目的。该技术所用载体可长期反复利用，发酵效率明显提高，稳定性很强，但这种方法存在一定的缺陷，工业化放大安装复杂，投入成本较高，维修相对较困难。
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酵母发酵方法和装备，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：
一种新型发酵罐，包括如下部件：
发酵罐主体、主进料管道、出料管道，所述发酵罐主体内横向设有若干格栅板，所述格栅板上对应设置副进料管道，所述副进料管道呈圆形排布在格栅板上，所述副进料管道上设有单向喷头，所述单向喷头喷出液体的方向与水平面呈40°～60°角；所述的发酵罐的高径比为1.5-5：1，罐底部呈圆锥状；所述主进料管道上设有流量计、进料阀。
一种固定化酵母发酵产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)将发酵菌株固定于吸附介质上，将吸附介质填充到球型网格中，将球型网格置于权利要求1所述发酵罐的格栅板上；
(2)向发酵罐中泵入种子液，开始发酵，培养并循环固定；
(3)种子固定结束后，排出种子醪，泵入发酵液，发酵结束后更换新的发酵液，并每隔2-5批更换一次抑菌剂。
步骤(1)中，所述的吸附介质为棉纤维、竹纤维、活性碳纤维、聚氨酯泡沫，木渣、秸秆中的任意一种或几种的混合物。
步骤(1)中，所述的球型网格的材料为聚氯乙烯或聚乙烯，密度为0.85-0.98g/cm3。
步骤(1)中，所述的吸附介质为圆形片状，直径为6～12cm；所述的球型网格直径为15～25cm。
步骤(1)中，一个球型网格中装有2～4片吸附介质。
步骤(2)中，所述的种子液的配方为人工配置培养基，玉米的液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液和糖蜜中的一种或几种的混合液，
所述种子液中酿酒酵母数量为2.0～3.5亿个/ml；
其中，所述的人工配置培养基的配方为葡萄糖20～100g/L，蛋白胨5～20g/L，酵母膏5～20g/L，硫酸镁0.1～1g/L，Ph4.0～5.0；
所述的玉米的糖化液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液中，料水质量比为2.5～3：1；所述的糖蜜的初始总糖为20～180g/L；
步骤(2)中，所述的培养并循环固定是指30～35℃下循环培养，循环量为1小时0.5-4遍。
步骤(3)中，所述的发酵液为人工配置培养基、玉米的糖化液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液、秸秆或纤维素的水解液、糖蜜中的任意一种或几种的组合；
其中，所述的人工配置培养基的配方为葡萄糖150～250g/L，蛋白胨3～10g/L，酵母膏3～10g/L，Ph4.0～5.0；
所述的玉米的糖化液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液中，料水质量比为2.5～3：1；
所述的秸秆或纤维素的水解液中，料液质量比为1：2～3，pH为4.5～5.2；1:3-1:2，pH4.5-5.2,水解条件为转速100-250r/min，温度45-60℃，酶解1-2.5小时；
所述的糖蜜的初始总糖为180～240g/L。
步骤(3)中，所述的种子固定结束是指酵母菌体吸附量达到1.0～3.0亿个/ml，所述的发酵结束是指发酵罐内还原糖的浓度降低至0.5～4g/L。
步骤(3)中，所述的抑菌剂为安菌素、青霉素、漂白粉中的一种或几种的混合物。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1、本发明采用的固定化技术所用固定化材料成本低、无毒性；物化性质稳定，吸附介质表面积大，吸附效果好；另外，对球形材质密度控制，可以提高载体流动性，从而提高传质作用，降低料液下沉造成料堵；
2、本发明采用的吸附载体投入成本低，填充和取出简单，便于检修，适于工业化应用。
3、本发明罐内分层设计不仅减轻载体承重，且能减轻带渣原料发酵带来的堵料风险；另外发酵循环管路上的支路和罐内每层分流设计可以有效提高罐内传质作用，减小堵料可能性和提高散热效果，同时便于罐内冲洗。
附图说明
图1工艺流程示意图。
1流量计，2进料阀，3双金温度计，4格栅支撑架，5隔膜液位计，6进泵阀，7离心泵，8出料阀，9冷却出水，10散热器，11冷却进水，12冲水层分流阀，13冷却循环上水，14载体，15冲水造流管，16排气口，17人孔，18气压式补给槽。
具体实施方式
以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
一种新型发酵罐，包括如下部件：发酵罐主体、主进料管道、出料管道，所述发酵罐主体内横向设有若干格栅板，所述格栅板上对应设置副进料管道，所述副进料管道呈圆形排布在格栅板上，所述副进料管道上设有单向喷头，所述单向喷头喷出液体的方向与水平面呈40°～60°角；所述的发酵罐的高径比为1.5-5：1，罐底部呈圆锥状；所述主进料管道上设有流量计、进料阀。
所述的发酵罐内每层上部装有进料管道(即冲水造流管，对应外部循环管路上的支路)，进料管道分为两种：一种直接从外部伸进来，于中间部位安装多向喷头，使得液体流向四周；另一种是从外部伸进来之后呈圆形管路排布，圆形管路朝下打孔安装单向喷头(喷头方向与圆形管路切线方向呈30°—60°的角度，喷头与水平面呈40°—60°的角度)，使得流出的液体呈螺旋状态向下；
实施例1以糖蜜为发酵原料采用竹纤维固定化酵母制备燃料乙醇
首先，将剪成直径15cm的竹纤维(厚度0.15cm)放入聚乙烯(密度0.94g/cm3)制成的如图1所示直径20cm球形网格中，制备成固定化载体；然后将固定化介质以150cm2/L的填充量放入高径比3:1的20吨反应器中。然后将培养好的菌种加到装有4层格栅板的发酵罐中(罐内每层进料管(即图1所示的冲水造流管)喷头位于中间位置，多向喷头朝向四周)，以流速为10m3/h循环固定36h。直至菌体吸附浓度2.0亿个/ml。然后排出废液。再流加糖蜜发酵培养基(总糖浓度为220g/L)，装液量75％，进行循环发酵，其中温度为33℃，发酵液pH4.5，循环量为10m3/h。5批平均发酵周期为16h，反应浓度达到103.5g/L，比游离发酵(接种量10％)缩短了8h。乙醇产率达到5.2gL-1h-1，平均转化率92.1％，分别比游离发酵提高20％和6.5％，比海藻酸钠固定化载体发酵提高35％和3.5％。
实施例2以木薯液化醪培养基为发酵原料采用棉纤维固定化酵母制备燃料乙醇
首先，将剪成直径18cm的棉纤维放入聚乙烯制成的直径25cm球形网格(密度0.92g/cm3)中，制备成固定化介质；然后将固定化介质以120cm2/L的填充量放入高径比3:1的20吨反应器中。然后将培养好的菌种加到装有3层格栅板的发酵罐中(罐内每层进料管喷头位于中间位置，多向喷头朝向四周)，以流速为10m3/h循环固定30h。直至菌体吸附浓度2.5亿个/ml。然后制备木薯液化醪：料液比1:2.5，加液化酶(15U/g木薯干重)85℃液化2小时，冷却后排出固定化种子废液。再流加木薯液化醪，并加入糖化酶(180U/g木薯干重)，装液量72％，进行循环发酵，其中温度为35℃，发酵液pH4.5，流速15m3/h。10批平均发酵周期为24h，反应浓度达到102.8g/L，比游离发酵(接种量25％)缩短了4h。乙醇产率达到4.28gL- 1h-1，平均转化率91.8％，分别比秸秆吸附载体提高了35％和3％。
实施例3以高浓度木薯液化醪培养基为发酵原料采用棉纤维固定化酵母制备燃料乙醇
首先，将剪成直径8cm的棉纤维放入聚氟乙烯制成的直径12cm球形网格(密度0.89g/cm3)中，制备成固定化介质；然后将固定化介质以110cm2/L的填充量放入高径比3:1的20吨反应器中。然后将培养好的菌种加到装有4层格栅板的发酵罐中(罐内进料管靠罐壁呈圆形排布，圆形管路朝下打孔安装单向喷头，喷头方向与圆形管路切线方向呈40°的角度，喷头与水平面呈35°的角度)，使得流出的液体呈螺旋状态向下)，以流速为15m3/h循环固定32h。直至菌体吸附浓度2.0亿个/ml。然后制备木薯液化醪：料液比1:2.2，加液化酶(18U/g木薯干重)90℃液化1.5小时，冷却后排出固定化种子废液。再流加木薯液化醪，并加入糖化酶(200U/g木薯干重)，装液量75％，进行循环发酵，其中温度为36℃，发酵液pH4.2，流速为15m3/h。6批平均发酵周期为48h(初始总糖263g/L)，反应浓度达到125.2g/L，比游离发酵缩短了6h。乙醇产率达到2.85gL-1h-1，平均转化率93.1％，相同发酵条件下，比我们之前专利(专利号ZL201210538977.X)所用的固定化方法(同样的吸附材料附着在钢丝网表面)得率提高了2.5％，比其所用的支撑材料成本降低了80％以上，且取放更方便，更容易应用于生产。
实施例4以玉米液化醪培养基为发酵原料进行放大实验
首先，将棉纤维经戊二醛化学交联后，剪成直径18cm的尺寸，放入聚丙烯制成的直径25cm球形网格(密度0.92g/cm3)中，制备成固定化介质；然后将固定化介质以140cm2/L的填充量放入高径比2.85:1的320吨反应器中。然后将培养好的菌种加到装有4层格栅板的发酵罐(循环进料管路设计同实施3)中，以流速为250m3/h循环固定36h。直至菌体吸附浓度2.5亿个/ml。然后制备玉米液化醪：料液比1:2.3，加液化酶(15U/g木薯干重)86℃液化2小时，冷却后排出固定化种子废液。再流加木薯液化醪，并加入糖化酶(200U/g木薯干重)，装液量75％，进行循环发酵，其中温度为34℃，发酵液pH4.2，流速为200m3/h。每隔3批换一次抗生素(按安菌素、青霉素和漂白粉顺序)，8批平均发酵周期为28h(初始总糖216.7g/L)，反应浓度达到102.5g/L，比游离发酵缩短了6h。乙醇产率达到5.13gL-1h-1，平均转化率92.6％，比游离发酵(接种量25％)提高6.0％。

Claims (11)

1.一种新型发酵罐，其特征在于，包括如下部件：
发酵罐主体、主进料管道、出料管道，所述发酵罐主体内横向设有若干格栅板，所述格栅板上对应设置副进料管道，所述副进料管道呈圆形排布在格栅板上，所述副进料管道上设有单向喷头，所述单向喷头喷出液体的方向与水平面呈40°～60°角；
所述的发酵罐的高径比为1.5-5：1，罐底部呈圆锥状。
2.根据权利要求1所述用于表面固定化酵母发酵制备乙醇的发酵罐，其特征在于，所述主进料管道上设有流量计、进料阀。
3.一种固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将发酵菌株固定于吸附介质上，将吸附介质填充到球型网格中，将球型网格置于权利要求1所述发酵罐的格栅板上；
(2)向发酵罐中泵入种子液，开始发酵，培养并循环固定；
(3)种子固定结束后，排出种子醪，泵入发酵液，发酵结束后更换新的发酵液，并每隔2-5批更换一次抑菌剂。
4.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的吸附介质为棉纤维、竹纤维、活性碳纤维、聚氨酯泡沫，木渣、秸秆中的任意一种或几种的混合物。
5.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的球型网格的材料为聚氯乙烯或聚乙烯，密度为0.85-0.98g/cm3。
6.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的吸附介质为圆形片状，直径为6～12cm；所述的球型网格直径为15～25cm。
7.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(1)中，一个球型网格中装有2～4片吸附介质。
8.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的种子液的配方为人工配置培养基，玉米的液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液和糖蜜中的一种或几种的混合液，
所述种子液中酿酒酵母数量为2.0～3.5亿个/ml；
其中，所述的人工配置培养基的配方为葡萄糖20～100g/L，蛋白胨5～20g/L，酵母膏5～20g/L，硫酸镁0.1～1g/L，Ph4.0～5.0；
所述的玉米的糖化液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液中，料水质量比为2.5～3：1；所述的糖蜜的初始总糖为20～180g/L；
步骤(2)中，所述的培养并循环固定是指30～35℃下循环培养，循环量为1小时0.5-4遍。
9.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的发酵液为人工配置培养基、玉米的糖化液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液、秸秆或纤维素的水解液、糖蜜中的任意一种或几种的组合；
其中，所述的人工配置培养基的配方为葡萄糖150～250g/L，蛋白胨3～10g/L，酵母膏3～10g/L，Ph4.0～5.0；
所述的玉米的糖化液、木薯的糖化液、陈化粮的糖化液中，料水质量比为2.5～3：1；
所述的秸秆或纤维素的水解液中，料液质量比为1：2～3，pH为4.5～5.2；1:3-1:2，pH4.5-5.2，水解条件为转速100-250r/min，温度45-60℃，酶解1-2.5小时；
所述的糖蜜的初始总糖为180～240g/L。
10.根据权利要求3所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的种子固定结束是指酵母菌体吸附量达到1.0～3.0亿个/ml，所述的发酵结束是指发酵罐内还原糖的浓度降低至0.5～4g/L。
11.根据权利要求1所述的固定化酵母发酵产乙醇的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的抑菌剂为安菌素、青霉素、漂白粉中的一种或几种的混合物。
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