CN111172199A - 一种惰性气体强化乙醇固态发酵新方法 - Google Patents

一种惰性气体强化乙醇固态发酵新方法 Download PDF

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Abstract

纤维素乙醇固态发酵因难以维持较好的厌氧环境而未能实现高效生产。本发明提供了一种以惰性气体作为介质，以周期脉动为强化手段，实现纤维素乙醇的高效固态发酵。研究结果表明，在30％的固形物载荷下，氮气脉动固态发酵体系中乙醇浓度可达到39.9％，而对照组为21.7％。葡萄糖消耗速率从0.19g/(L·h)增加至0.77g/(L·h)。该氮气脉动强化乙醇固态发酵新方法主要有三个优点：(1)以氮气为介质，为酵母发酵提供了厌氧环境；(2)采用周期氮气强化方法，强化体系内部质热传递过程；(3)在高固体系下实现了纤维素乙醇的生产，减少水的排放。

Description

一种惰性气体强化乙醇固态发酵新方法
技术领域
本发明涉及一种惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，属于生物化工领域。
背景技术
生物质高固转化是实现生物质高效转化和经济性的重要研究方向。纤维素乙醇是一种清洁生物燃料，为保证其经济性，发酵体系中产物浓度必须高于4％，此时的固相物含量要大于20％。此时，体系厌氧环境的维持和发酵过程强化成为制纤维素乙醇的重要问题。
相比于液态发酵，高固形物含量导致严重的水束缚，因而导致体系中的质热传递效率较低，因此强化高固体系的传质过程对提高秸秆等生物质转化下效率具有重要意义。不同固定物含量的体系呈现出不同的理化特性。以玉米秸秆生物转化过程为例，当体系中固形物含量低于15％，体系内部物料的宏观混合可采用传统的机械搅拌实现。当固形物含量为15％-25％时，传统的机械搅拌表现出在该体系下的不适应性，具体表现为搅拌能耗急剧升高，多孔生物质内部物质传递效率较低。传统机械搅拌方式对此高固反应体系的不适应性对高固反应体系的强化策略提出新的要求。目前过程强化的方式有自由坠落式反应器，其通过物料受重力坠落实现物料的宏观混合。在以前研究中，本课题组模拟食物消化过程胃的蠕动提出的新型的周期蠕动强化策略，法向力的周期加载，可使物料达到微观尺度的混合，强化物质传递过程，从而提高玉米秸秆的转化效率。
但是，随着固形物含量的增加，体系中毛管水急剧减少，生物质多孔介质内部为气相共存的状态。体系的特征由以液相为连续相转变为以气相为连续相。因此，本发明提出以氮气驱动高固生物体系内部物质传递过程。此时，可利用气体无孔不入的特性，通过调控空气的进入和排除，达到驱动孔隙内部物质迁移过程。同时，采用氮气作为介质，为微生物厌氧发酵提供较好的厌氧环境。
发明内容
本发明目的是实现纤维素乙醇的固态发酵，并采用惰性气体脉动的方法提高乙醇发酵效率。酵母发酵产生乙醇的方式为厌氧发酵，在固态发酵体系下，难以保证体系的厌氧环境。同时，固态体系下缺乏有效的外部强化措施，导致体系内质热传递效率较低。因此，本发明采用惰性气体作为强化介质，为发酵菌种营造厌氧环境，并采用脉动的方式，周期强化体系内部的质热传递过程。从而提高纤维素乙醇的发酵效率。
本发明提出的一种惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，主要操作步骤如下：
(1)取发酵原料覆水15-30％；
(2)将覆水后的物料放入汽爆罐中，压力维持在0.3-1.5Mpa，维持1-20min，瞬间释放压力，收集物料，风干备用；
(3)取一定量的物料，加入pH 4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，调整固体载荷15-40％，121℃灭菌30min；
(4)在冷却的物料中加入15-30FPU/g干料的纤维素酶和适量的活化酵母，置于惰性气体脉动反应器中；
(5)通过控制面板设置反应温度，惰性气体脉动压力和周期。反应结束后测定发酵体系中乙醇含量。
本发明主要优点如下：(1)以惰性气体为介质，为酵母发酵提供了厌氧环境；(2)采用周期惰性气体强化方法，强化体系内部质热传递过程；(3)在高固体系下实现了纤维素乙醇的生产，减少水的排放。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
(1)汽爆玉米秸秆制备：称取120g(含水量15％)秸秆(3-5cm)放入汽爆罐(实验室自行设计加工，容积为，最高设计压力2.5MPa)中，关闭阀门后通入蒸汽，当罐压升至1.1MPa后，维持8min，迅速泄压，反应混合物爆破至接收罐中。收集汽爆混合物，利用15倍初始固体质量的去离子水冲洗物料，收集固体，风干至含水率5％左右，进行梳分分级分离，收集长、短纤维，风干保存。糖含量(葡萄糖、木糖)等采用高效液相色谱法测定。色谱条件：AminexHPX-87H离子交换色谱柱(300mm*7.8mm)，柱温40℃，流动相5mM H2SO4，流速0.6mL/min，示差检测器。
(2)氮气脉动强化酵母固态发酵乙醇：氮气脉动同步糖化发酵产乙醇的步骤如下：取2g汽爆玉米秸秆，用50Mm,pH 4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液稀释至50％的固形物含量，121℃灭菌20分钟。冷却后加入30FPU/g的纤维素酶和OD600nm为0.57/g的活化后的酵母。分别装入50ml三角瓶中。对于氮气脉动和氮保护实验组，瓶口采用滤膜封口，对照组采用橡皮塞封口。氮气脉动组放入自行设计的反应器中，设定反应温度30℃,高压30秒,低压维持3小时。氮气保护组放入氮气环境中，并一同放入培养箱中，30℃酶解发酵。
实验结果表明，24小时，氮气脉动组葡萄糖含量由49.3g/L减少至11.37g/L at24h，但是氮气保护组和对照组分别为40.3g/L和44.03g/L。表明氮气脉动加速了葡萄糖的消耗。氮气脉动体系中乙醇浓度从15.38增加至39.92g/L，而氮气保护组和对照组分别为22.24和21.74g/L。发酵24小时，氮气脉动体系中乙醇产率为1.66g/L/h，与对照组相比增加了83.6％。
实施例2
(1)汽爆小麦秸秆制备：称取120g(含水量15％)秸秆(3-5cm)放入汽爆罐(实验室自行设计加工，容积为，最高设计压力2.5MPa)中，关闭阀门后通入蒸汽，当罐压升至1.1MPa后，维持8min，迅速泄压，反应混合物爆破至接收罐中。收集汽爆混合物，利用15倍初始固体质量的去离子水冲洗物料，收集固体，风干至含水率5％左右，进行梳分分级分离，收集长、短纤维，风干保存。糖含量(葡萄糖、木糖)等采用高效液相色谱法测定。色谱条件：AminexHPX-87H离子交换色谱柱(300mm*7.8mm)，柱温40℃，流动相5mM H2SO4，流速0.6mL/min，示差检测器。
(2)氮气脉动强化酵母固态发酵乙醇：氮气脉动同步糖化发酵产乙醇的步骤如下：取2g汽爆玉米秸秆，用50Mm,pH 4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液稀释至50％的固形物含量，121℃灭菌20分钟。冷却后加入30FPU/g的纤维素酶和OD600nm为0.57/g的活化后的酵母。分别装入50ml三角瓶中。对于氮气脉动和氮保护实验组，瓶口采用滤膜封口，对照组采用橡皮塞封口。氮气脉动组放入自行设计的反应器中，设定反应温度30℃,高压30秒,低压维持3小时。氮气保护组放入氮气环境中，并一同放入培养箱中，30℃酶解发酵。
实验结果表明，24小时，氮气脉动体系中乙醇产率为0.87g/L/h，与对照组相比增加了79.84％。
实施例3
(1)汽爆玉米秸秆制备：称取120g(含水量15％)秸秆(3-5cm)放入汽爆罐(实验室自行设计加工，容积为，最高设计压力2.5MPa)中，关闭阀门后通入蒸汽，当罐压升至1.1MPa后，维持8min，迅速泄压，反应混合物爆破至接收罐中。收集汽爆混合物，利用15倍初始固体质量的去离子水冲洗物料，收集固体，风干至含水率5％左右，进行梳分分级分离，收集长、短纤维，风干保存。糖含量(葡萄糖、木糖)等采用高效液相色谱法测定。色谱条件：AminexHPX-87H离子交换色谱柱(300mm*7.8mm)，柱温40℃，流动相5mM H2SO4，流速0.6mL/min，示差检测器。
(2)二氧化碳脉动强化酵母固态发酵乙醇：二氧化碳脉动同步糖化发酵产乙醇的步骤如下：取2g汽爆玉米秸秆，用50Mm,pH 4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液稀释至50％的固形物含量，121℃灭菌20分钟。冷却后加入30FPU/g的纤维素酶和OD600nm为0.57/g的活化后的酵母。分别装入50ml三角瓶中。对于二氧化碳脉动和二氧化碳保护实验组，瓶口采用滤膜封口，对照组采用橡皮塞封口。氮气脉动组放入自行设计的反应器中，设定反应温度30℃,高压30秒,低压维持3小时。氮气保护组放入氮气环境中，并一同放入培养箱中，30℃酶解发酵。
实验结果表明，发酵24小时，氮气脉动体系中乙醇产率为1.22g/L/h，与对照组相比增加了55.37％。
实施例4
(1)汽爆玉米秸秆制备：称取120g(含水量15％)秸秆(3-5cm)放入汽爆罐(实验室自行设计加工，容积为，最高设计压力2.5MPa)中，关闭阀门后通入蒸汽，当罐压升至1.1MPa后，维持8min，迅速泄压，反应混合物爆破至接收罐中。收集汽爆混合物，利用15倍初始固体质量的去离子水冲洗物料，收集固体，风干至含水率5％左右，进行梳分分级分离，收集长、短纤维，风干保存。糖含量(葡萄糖、木糖)等采用高效液相色谱法测定。色谱条件：AminexHPX-87H离子交换色谱柱(300mm*7.8mm)，柱温40℃，流动相5mM H2SO4，流速0.6mL/min，示差检测器。
(2)氮气脉动强化运动单胞菌固态发酵乙醇：氮气脉动同步糖化发酵产乙醇的步骤如下：取2g汽爆玉米秸秆，用50Mm,pH 4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液稀释至50％的固形物含量，121℃灭菌20分钟。冷却后加入30FPU/g的纤维素酶和OD600nm为0.57/g的活化后的运动发酵单胞菌。分别装入50ml三角瓶中。对于氮气脉动和氮保护实验组，瓶口采用滤膜封口，对照组采用橡皮塞封口。氮气脉动组放入自行设计的反应器中，设定反应温度30℃,高压30秒,低压维持3小时。氮气保护组放入氮气环境中，并一同放入培养箱中，30℃酶解发酵。
实验结果表明，氮气可明显强化运动发酵单胞菌乙醇生产速率，乙醇生产效率提高37.3％。

Claims (6)

1.一种惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，其特征在于：采用惰性作为介质，以脉动过程为手段，在固态发酵体系下实现乙醇发酵产率的提高。
2.根据权利要求1所述的惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，其特征在于：以惰性气体作为介质营造一种适宜于厌氧微生物生长的厌氧环境。惰性气体包括氮气、氦气、二氧化碳、氩气等。
3.根据权利要求1、2所述的惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，其特征在于：采用氮气周期脉动的方式，脉动的频率范围为每天1-20次。
4.根据权利要求1、2、3所述的惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，其特征在于：纤维素乙醇发酵在高固形物体系下的条件下进行。固形物载荷范围为20-50％。
5.根据权利要求1、2、3、4所述的惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，其特征在于：所使用的原料包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、药用植物秸秆等，以及各种处理措施预处理后的物料。
6.根据权利要求1、2、3、4、6所述的惰性气体强化乙醇固态发酵新方法，其特征在于：所采用的菌种包括酵母、运动发酵单胞菌等。
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