CN1148090A - 发酵法生产甘油的二步发酵生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发酵法生产甘油的二步发酵生产工艺,其特征在于第一阶段供氧发酵,当菌体开始消耗甘油时停气进行第二阶段厌氧发酵,必要时还可以接入另外一种耗糖酵母一起混合发酵,使残糖被消耗完全,并转化为酒精,而甘油不被消耗,从而使得后续甘油蒸馏容易进行,甘油回收率约为95%。
Description
本发明涉及发酵法生产甘油尤其是二步发酵生产工艺。
目前,甘油发酵常规工艺大规模工业化的关键困难是产品后提取,如G.Martin所著的《The Manufacture of Glycerol》一书中(Sec.III.PT)就明确记载有″从发酵法生产甘油的发酵液中提取甘油是相当困难的″. P.Kishore等人在″Concentrationof Glycerol inFermentation BathsbyReverse Osmosis″(J.Microbio,Biotech-nol.1987,2(1),22-27)一文中亦认为:“从甘油发酵液中提取甘油是发酵法生产甘油的瓶颈问题”,并提出采用反渗透法解决该问题的可能性。
具体的说,发酵甘油的提取困难在于:发酵培养基的起始葡萄糖浓度在25%左右,发酵后期当糖浓度降到1~4%,甘油浓度达到8~12%时,菌体由于葡萄糖效应而不再消耗残留糖生产甘油,却反过来将细胞外的甘油作为二次代谢碳源消耗,发酵过程被迫就此停止,而转入后提取,即过滤、浓缩和甘油蒸馏工序。甘油的沸点很高,蒸馏时残糖焦化十分严重,导致甘油蒸馏十分困难甚至无法进行。为解决这一难题,已提出了多种技术方案。诸如溶析提取法、转化分离法、载体蒸馏法。容易发现,它们的出发点是共同的,即承认发酵后期残糖不能被菌体消耗完全的现实,进而采取措施分离残糖与甘油,最终提取甘油,因此这些现有技术是“治标”的工艺方案。
本发明的目的在于提出一个从根本上解决上述难题的方案,即通过全新的二步发酵工艺,使菌体在发酵后期能将残糖消耗完全,并尽可能少或不消耗甘油,将问题解决在提取工序之前的发酵工序。
本发明的技术解决方案是:第一阶段按常规工艺通气供氧发酵,当残糖浓度降至1-4%甘油浓度升到8-12%时,菌体开始消耗甘油,停止通气进行第二阶段厌氧发酵,直至残糖浓度降至0.2%以下时结束,发酵转入后提取。
厌氧开始时可适当添加0.02-0.2%含氮、磷及其它微量元素的营养成分,加快降糖。
可将残糖包括单糖和低聚糖转变为酒精和少量甘油。
必要时可接入另一种耗糖酵母一起混合厌氧发酵。
二步发酵可与一步发酵在同一设备中完成。厌氧条件下,菌体将不会消耗甘油却继续消耗残糖,并生产酒精。
甘油合成代谢途径由葡萄糖酵解反应的中间物磷酸二羟丙酮引出,磷酸二羟丙酮在α-磷酸甘油脱氢酶(E1)的作用下,被还原为α-磷酸甘油再由甘油磷酸化酶(E2)作用脱去磷酸生成甘油;而甘油的分解代谢则从甘油激酶(E3)催化磷酸化生成L-α-磷酸甘油开始,此时L-α-磷酸甘油面临三个可能的代谢途径,一是经甘油磷酸化酶(E2)作用或甘油激酶(E3)的逆反应重新分解为磷酸和甘油;二是通过α-磷酸甘油脱氢酶(E1)的逆反应生成磷酸二羟丙酮,再进入糖酵解途径;其三则为被转运入线粒体内在线粒体磷酸甘油氧化酶(E4)作用下与氧反应,被氧化为磷酸二羟丙酮,然后再转运出线粒体参与糖酵解反应。后两种代谢会导致甘油的消耗。
甘油合成途径中的3-磷酸甘油脱氢酶(E1)活力极高,在该酶作用下从磷酸二羟丙酮L-α-磷酸甘油的反应是几乎不可逆的,因此,当甘油转入细胞内被菌体消耗时,必须先经甘油激酶(E3)作用生成L-α-磷酸甘油,再转入线粒体内在3-磷酸甘油氧化酶(E4)催化下与O2反应生成磷酸二羟丙酮,最后转入胞质内进入糖酵解途径。在葡萄糖浓度较高时,甘油激酶(E3)的活力受糖代谢中间产物的强烈抑制,菌体不会消耗甘油,只有当糖浓度低至一定值后,对E3的抑制才被解除,菌体开始消耗甘油。若此时停气使细胞缺氧,一方面厌氧导致酵母菌本来就不发达的线粒体萎缩,线粒体酶(E4)的活性受到强烈抑制,另一方面厌氧使线粒体内从L-α-磷酸甘油到磷酸二羟丙酮的反应因缺乏底物氧而无法进行。因此,后期采用厌氧发酵可以保证菌体不将甘油作为代谢碳源消耗掉。相反,从代谢途径可知,厌氧发酵时,还可能使部分残糖继续转变为甘油。
此外,厌氧条件下,酵母菌可通过糖酵解途径将残糖转变为有用产物酒精,即两步发酵工艺可以副产酒精。
具体操作办法是:在发酵过程监测甘油和葡萄糖浓度,当甘油浓度开始下降时,即停止第一阶段供氧发酵而转入第二阶段厌氧发酵,直至残糖浓度被降至0.2%以下结束发酵转入后提取。第二阶段发酵的温度与第一阶段发酵温度相同,PH值即为第一阶段结束时的自然PH值(3.2-5.0),其他条件与第一阶段发酵一致。厌氧开始时,可适当添加0.02-0.2%含氮、磷的营养成分加快降糖。若发酵在实验室摇瓶上进行,则在供氧发酵结束时将三角瓶口用封口膜封上,隔断空气,适当调低度振荡速率,进行厌氧发酵。若发酵在发酵罐中进行,则在供氧发酵结束时停止通空气,采用适当方式进行搅拌发酵。
必要时还可以接入另一种耗糖。酵母一起混合发酵,使残糖被消耗完全,并转化为酒精,而甘油不被消耗,从而使得后续甘油蒸馏容易进行。
本发明与现有发酵法生产甘油的技术相比,其优点如下:
1.现有技术立于酵结束以后再设法分离残糖与甘油,本发明则通过采用第二阶段厌氧发酵将残糖完全消耗。
2.现有技术为分离残糖和甘油加复杂反应步骤(如残糖氧化)或操作设备(如溶析法、树脂吸附),使生产成本增加,本发明两步发酵可在同一设备中完成,成本增加极少。
3.现有技术将残糖简单去除,本发明则将残糖(包括单糖和低聚糖)转变为有用产品酒精和少量甘油,提高原料利用率。
以下结合工艺流程图做进一步说明:将发酵原料注入发酵罐,灭菌冷却后接入油菌种并通气供氧:进行第一次发酵,时间为60-101小时,当残糖浓度降至1-4%,甘油浓度升至8-12%时,停止通气转第二阶段厌氧发酵,即本发明的二步工艺。二次发酵与一次发酵可在同一设备中完成。厌氧发酵开始时可另加或不加耗糖菌种:亦可适当添加0.02-0.2%含氮、磷及其它微量元素的营养成分,以便加快降糖。在厌氧条件下菌体将不会消耗甘油。却继续消耗残糖,9-35小时后停止厌氧发酵。经过滤器过后,进入离子交换器进行交换,同时将产生的酒精进行回收。最后通过浓缩蒸馏等工艺生产出甘油,甘油回收率约为95%。
实施例
本发明经过了多次实验验证。下表是其中的一些实验结果。其中第1、2、4、5号实验是在摇床上500ml三角瓶中进行的,第3、6号实验则是在7升机械搅拌罐中进行的。摇床供氧发酵和厌氧发酵的振荡频率分别是140rpm和80rpm,搅拌罐供氧和厌氧氧发酵的转速分别是1200rpm和300rpm。
例号 | 初糖(%) | 一次发酵时间(hr) | 厌氧开始时(%) | 二次发酵时间(hr) | 发酵终了时(%) | 是否加耗糖菌 | ||||
甘油 | 酒精 | 糖 | 甘油 | 酒精 | 糖 | |||||
1 | 22.42 | 72 | 9.60 | 0 | 2. 32 | 9 | 8.20 | 0.78 | 0.04 | 是 |
2 | 22.41 | 72 | 9.60 | 0 | 2.32 | 9 | 8.70 | 0.92 | 0 | 是 |
3 | 21.32 | 72 | 7.65 | 0 | 2.85 | 18 | 7.43 | 1.83 | 0.25 | 是 |
4 | 19.05 | 78 | 9.70 | 0 | 2.74 | 40 | 9.42 | 1.24 | 0 | 否 |
5 | 20.56 | 78 | 9.92 | 0 | 1.42 | 40 | 11.2 | 0.65 | 0.18 | 否 |
6 | 26.74 | 101 | 8.41 | 0 | 5.69 | 35 | 9.06 | 2.55 | 0.48 | 否 |
Claims (5)
1.发酵法生产甘油的二步发酵生产工艺,其特征在于:第一阶段供氧发酵,当菌体开始消耗甘油时停气进行第二阶段厌氧发酵,直至残糖浓度被降至0.2%以下时结束,发酵转入后提取。
2.按权利要求1所述的发酵法生产甘油的二步发酵生产工艺,其特征在于:厌氧开始时,可添加0.02-0.2%含氮、磷及其它微量元素的营养成分、加快降糖。
3.按权利要求1所述的二步发酵生产工艺,其特征在于:可将残糖包括单糖和低聚糖转变为酒精和少量甘油。
4.按权利要求1所述的二步发酵生产工艺,其特征在于:必要时可接入另一种耗糖酵母一起混合厌氧发酵。
5.按权利要求1所述的二步发酵生产工艺,其特征在于:二步发酵可与一步发酵在同一设备中完成。
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