一種糖蜜乙醇發酵分離耦合方法與流程
2023-05-14 08:19:16 6
本發明屬於生物工程技術領域，尤其涉及一種糖蜜乙醇發酵分離耦合技術。
背景技術：
乙醇作為一種重要的工業原料，廣泛用於食品、化工、醫藥、染料、國防等領域。同時，它還是一種可再生的清潔能源，作為燃料其燃燒值達到26900 kJ/kg。
微生物發酵是目前常用的乙醇生產方法，但游離菌株對乙醇耐受性較差。固定化細胞發酵雖然能在一定程度上提高菌株的耐受性和乙醇發酵效率，但乙醇發酵過程的產物抑制問題仍然存在。當發酵環境中的乙醇濃度達到6%（w/w）時，酵母細胞的生長和發酵過程受到明顯抑制；當乙醇濃度高於8%（w/w）時，乙醇的發酵過程幾乎停滯。
膜分離與發酵過程耦合是近年來綠色生物催化工藝集成領域的研究熱點，通過實現產物與發酵液實時分離來解決發酵過程的產物抑制問題。中國發明專利CN 102174593 A 公開了一種木質纖維素髮酵與膜分離耦合生產高濃度乙醇的工藝，將發酵液泵入填充有沸石分子篩的矽橡膠板式滲透汽化膜組件後，截留液重新回到發酵罐中，發酵液中乙醇濃度有效降低，透過液中的乙醇濃度達到236 g/L，但是該工藝受到膜汙染的限制，可連續操作時間短，而且膜的分離性能較弱，使得乙醇的產量不高；中國發明專利CN 103695475 A公開了在一種利用蒸汽滲透汽化膜分離技術原位分離發酵液中乙醇的方法，雖然這種膜分離技術能夠在一定程度上改善膜的汙染問題，但微生物細胞發酵溫度通常維持在30-40 ℃，該溫度條件下的發酵液不能持續的、穩定的向膜分離組件供應蒸汽態乙醇，使得發酵分離耦合系統不穩定。
中國發明專利CN 101255446 B公開了一種利用固定化酵母細胞與滲透蒸發膜耦合連續發酵葡萄糖木糖的方法，通過海藻酸鈣膠珠固定酵母細胞，減少了由於細胞黏附所造成的膜汙染及阻力問題，從而有效降低了產物乙醇對酵母細胞的抑制作用，發酵分離耦合系統能夠連續有效運行370 h。但是，配製的混合糖溶液與實際的非糧生物質原料狀態和組成還是有極大的區別，比如糖蜜原料中除了葡萄糖、果糖、蔗糖以外，還包含膠體、灰分、金屬離子等成分，目前尚未見這些成分對膜分離狀態的影響，以及糖蜜乙醇發酵-膜分離高產乙醇的報導。
PDMS/陶瓷膜是一種以陶瓷作為支撐層的乙醇選擇性透過膜。中國發明專利CN 105420095 A公開了一種乙醇發酵耦合PDMS/陶瓷複合膜分離系統裝置，該裝置可使發酵連續進行，減小發酵產物乙醇對酵母菌的抑制作用，提高發酵原料轉化率和乙醇產率，但發明專利中未說明乙醇濃度對酵母菌細胞的抑制強度，以及原料轉化率和乙醇產率的增加量。本發明基於申請人前期已報導的、具有自主智慧財產權的糖蜜原位預處理方法（中國發明專利CN 105420418A）和乙醇發酵技術（何珣等，2016），輔以PDMS/陶瓷複合膜分離裝置，建立了一條完整的糖蜜乙醇發酵分離耦合工藝。該工藝旨在以綠色環保的工藝流程，實現低成本高產率的乙醇生產，對其他非糧生物質發酵工業產品的分離也具有一定的借鑑和指導意義。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種綠色的糖蜜乙醇發酵分離耦合方法，通過該方法解決了糖蜜乙醇發酵分離耦合過程中存在的膜汙染問題和和產物抑制作用，極大地提高了乙醇產率和糖醇轉化率。
為實現本發明的技術目的，本發明的技術路線為：
糖蜜原位預處理、固定化細胞製備、固定化細胞增殖、固定化細胞發酵、與PDMS/陶瓷膜分離耦合。
本發明技術方案的具體步驟如下：
1.糖蜜原位預處理
按中國發明專利CN 105420418A中公開的方法對糖蜜進行預處理。將發明專利CN 105420418A中公開的複合降黏劑加入到糖蜜中攪拌，複合降黏劑在糖蜜中添加的質量分數為 0.4% ；攪拌轉速為300rpm，攪拌時間為 2~8 min。
2.固定化細胞製備
將釀酒酵母與2%海藻酸鈉溶液混合，緩慢滴入4%氯化鈣溶液中，形成的
白色顆粒在氯化鈣溶液中固化4 h，然後用生理鹽水洗滌3次。
3. 固定化細胞增殖
將製備的固定化細胞在增殖培養基中培養約20-24 h，溫度30 ℃，pH 5.5。
增殖培養基組分為1% 酵母膏，2% 蛋白腖，2%原位預處理糖蜜。
4.固定化細胞發酵
將增殖的固定化細胞按發酵罐體積的50%接種於發酵培養基中，溫度30 ℃，
pH 5.5。發酵培養基組分為18%原位預處理糖蜜、0.2%磷酸二氫鉀、0.3%硫酸鎂、1%硫酸銨、1%酵母膏。
5.與PDMS/陶瓷膜分離耦合
當發酵罐中乙醇濃度到達4%-9%（v/v），優選5%-6%（v/v）時，啟動膜分
離，滲透液收集於冷阱中，截留液返回發酵罐中繼續作為培養基。
本發明實現了糖蜜乙醇的生產、分離、濃縮的同步進行，減少了產物抑制和膜汙染，提高了乙醇產率和乙醇濃縮的成本，為糖蜜乙醇的連續生產提供了一條新工藝。
附圖說明
圖1是發酵與膜分離耦合工藝技術線路圖。
其中：1.發酵罐；2.8.蠕動泵；3.膜分離裝置（1）（2）分別為1號膜和2號膜；4.冷凝裝置；5.真空泵；6.7.閥門；9.補料罐。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明，本發明所涉及的主題保護範圍並非僅限於這些實施例。
實施例 1 ：本實施例說明海藻酸鹽固定化釀酒酵母製備
將釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae AQ（CCTCC AY 2015008）與2%海藻酸鈉溶液混合，緩慢滴入4%氯化鈣溶液中，形成的白色顆粒在氯化鈣溶液中固化4 h，然後用生理鹽水洗滌3次。
實施例 2 ：本實施例說明海藻酸鹽固定化釀酒酵母增殖
將製備的固定化細胞在1 L發酵罐中培養約20-24 h，溫度30 ℃， pH 5.5。
增殖培養基組分為1% 酵母膏，2% 蛋白腖，2%原位預處理糖蜜。
實施例3 ：本實施例說明海藻酸鹽固定化釀酒酵母發酵與分離耦合
將增殖的固定化細胞按發酵罐體積的50%接種於發酵培養基中，溫度30 ℃，
pH 5.5。發酵培養基組分為18%原位預處理糖蜜、0.2%磷酸二氫鉀、0.3%硫酸鎂、1%硫酸銨、1%酵母膏。
當發酵罐中乙醇濃度到達6%（v/v）時，啟動膜分離，滲透液收集於冷阱中，
截留液返回發酵罐中繼續作為培養基。當發酵罐內總糖濃度低於50 g/L時，向發酵罐內補料，補料培養基為發酵培養基，連續運行300 h後，膜的滲透通量為400 g/m2/h，分離因子為22，滲透液中乙醇濃度為510 g/L，糖醇轉化率為葡萄糖理論轉化率的74.22%。
實施例4 ：本實施例說明海藻酸鹽固定化釀酒酵母發酵與分離耦合
將增殖的固定化細胞按發酵罐體積的50%接種於發酵培養基中，溫度30 ℃，
pH 5.5。發酵培養基組分為18%原位預處理糖蜜、0.2%磷酸二氫鉀、0.3%硫酸鎂、1%硫酸銨、1%酵母膏。
當發酵罐中乙醇濃度到達9%（v/v）時，啟動膜分離，滲透液收集於冷阱中，
截留液返回發酵罐中繼續作為培養基。當發酵罐內總糖濃度低於50 g/L時，向發酵罐內補料，補料培養基為發酵培養基，連續運行240 h後，膜的滲透通量為340 g/m2/h，分離因子為12，滲透液中乙醇濃度為320 g/L，糖醇轉化率為葡萄糖理論轉化率的61.22%。
實施例5：本實施例說明海藻酸鹽固定化釀酒酵母發酵與分離耦合
將增殖的固定化細胞按發酵罐體積的50%接種於發酵培養基中，溫度30 ℃，
pH 5.5。發酵培養基組分為18%原位預處理糖蜜、0.2%磷酸二氫鉀、0.3%硫酸鎂、1%硫酸銨、1%酵母膏。
當發酵罐中乙醇濃度到達5%（v/v）時，啟動膜分離，滲透液收集於冷阱中
截留液返回發酵罐中繼續作為培養基。當發酵罐內總糖濃度低於50 g/L時，向發酵罐內補料，補料培養基為發酵培養基，連續運行340 h後，膜的滲透通量為520 g/m2/h，分離因子為25，滲透液中乙醇濃度為570 g/L，糖醇轉化率為葡萄糖理論轉化率的81.22%。
實施例6：發酵-分離耦合對糖蜜乙醇生產的影響