專利名稱：一種生產發酵產品的方法
技術領域：
本發明涉及生物化工領域，特別是涉及一種發酵法生產發酵產品的工藝改進，尤 其是醇類發酵過程的改進。
背景技術：
由于化石能源的日趨枯竭和環境破壞的日益嚴重，發展可再生的生物能源替代化 石能源越來越受到世界各國的關注。在所開發的生物能源中，生物乙醇的發展最為受到重 視，尤其是從可再生資源生產乙醇。眾所周知，乙醇是由糖發酵生產的，而可利用的發酵原 料來源廣泛。這些原料一方面可從含發酵糖的植物，如甘蔗、甜菜、甜高粱等獲得，另一方 面，也可通過谷物、土豆和木薯等淀粉質原料水解獲得，或從稻草、秸稈等各種木質纖維原 料水解獲得。這些糖在一定濃度的水溶液中可被細菌或酵母菌代謝轉化為乙醇。無論使用 哪種原料，在發酵后期，乙醇溶液質量分數大致可以達到6%到12%。因此，分離濃縮乙醇 稀溶液是整個過程中能耗最高的。在典型的傳統乙醇發酵過程中，生產過程中有大量的未 發酵原料，最終將產生大量的廢水。廢水的處理會造成的嚴重的環境問題并會增加乙醇生 產的費用。傳統乙醇發酵過程中的可發酵糖可以通過從甘蔗、甜高粱壓榨糖汁或從甜菜中提 取，或者液化糖化含淀粉的谷物或木薯類原料獲得。這些糖通常不需要處理便可進行批式 發酵。發酵罐中首先裝入糖液，然后加入少量微生物種子液，通常是酵母，進行發酵。發酵 過程的第一步通常是酵母在將過量碳源轉化為乙醇前先消耗其中一部分糖用于自身生長。 在此階段，由于發酵液中有較高的糖濃度和較低的酵母濃度，從未滅菌的底物中帶入的其 它微生物將會迅速生長并消耗糖，從而會導致乙醇產量降低和副產物增加。傳統的乙醇發 酵時間在40到80個小時之間，需要較大體積且造價昂貴的發酵罐。此外，如此長的發酵時 間會導致部分酵母分解產生另一些副產物。因此典型的傳統發酵工藝，不僅發酵時間長、乙 醇產量低，而且副產物多，產品純度不高。另外，傳統乙醇發酵結束后發酵液通常沒有進行 進一步的凈化處理即進行蒸餾。這樣將會損失所有的酵母菌體并排到廢水中。這些廢水不 能直接排放，需要進行處理。通常采用蒸發對廢水進行處理，而此過程能耗巨大。同時每個 發酵批次都需要新鮮的酵母種子液，需要增加種子液培養設備和接種設備。在一些生產中， 對發酵液進行離心以回收酵母液循環用于下一批發酵。但同樣地，此過程也需要投入額外 的設備和能量。而且如此獲得的酵母液含有一定濃度的乙醇和不可發酵的物質，因此這種 酵母循環的方法是受限的。
發明內容
本發明的目的在于提供一種改進的連續發酵技術，以實現高細胞密度發酵并將發 酵菌體和水分循環用于發酵過程，從而提高發酵速率、產量，降低生產成本。本發明的目的是采用以下技術方案來實現的一種生產發酵產品的方法，所述方法包括將發酵后的發酵醪液進行蒸發，得到了主要含所述發酵產品的氣相物流和主要含發酵菌種的菌體的液固混合物流；然后再將液固 混合物流中含有的發酵菌種的菌體分離出，循環使用于發酵過程。上述方法可以適用于大 多數易蒸發、低沸點的發酵產品的生產，如醇類產品，優選為乙醇。用于生產乙醇的發酵菌 株是所屬領域熟知的，如各種已知的篩選的高產細菌或酵母菌株等，也可利用重組的工程 菌株。以生產乙醇為例，上述方法的具體實施過程可如下述一種發酵法生產乙醇的方法，所述方法為循環使用細菌或酵母菌體的連續發酵 過程，包括將發酵后的發酵醪液在真空蒸發器中進行蒸發后得到以下兩種物流1)氣相物 流，其中含有乙醇蒸汽、水蒸汽和不凝性氣體；2)液固混合物流，其中含有水、乙醇、細菌或 酵母菌體，并且可以進一步將該液固混合物流分成兩部分，一部分循環用于發酵過程，另一 部分進行濃縮和干燥得到菌體蛋白。其中，優選地，所述真空蒸發器的操作溫度為32°C _50°C，更優選為38°C _45°C。優選地，所述真空蒸發器的級數大于或等于1級。優選地，所述真空蒸發器各級蒸發得到的氣相物流經冷凝后，得到乙醇水溶液。優選地，所述真空蒸發器各級蒸發得到的氣相物流還可以通過蒸汽壓縮機壓縮后 用于真空蒸發器至少1級的供熱，同時得到乙醇水溶液；若氣相物流中的乙醇未完全冷凝， 則再通過后續的冷凝設備進行冷凝。優選地，所述真空蒸發器各級蒸發得到的氣相物流還可以通過蒸汽壓縮機壓縮后 用于真空蒸發器所有級的供熱，同時得到乙醇水溶液；若氣相物流中的乙醇未完全冷凝，則 再通過后續的冷凝設備進行冷凝。優選地，所述真空蒸發器各級蒸發得到的氣相物流混合并冷凝后得到的乙醇水溶 液中乙醇含量為進入真空蒸發器前的發酵醪液乙醇含量的1. 8-2. 5倍；優選地，所述真空 蒸發器各級蒸發得到的氣相物流混合并冷凝后得到的乙醇水溶液中，乙醇的質量分數為 10% -50%。優選地，所述液固混合物流中，乙醇的質量分數小于2%，更優選小于0. 5% ；發酵 菌體的質量分數為16% -50%，更優選為20% -35%。優選地，所述循環用于發酵過程的液固混合物流在用于發酵前添加營養物質以活 化發酵菌體。所添加的營養物質包括葡萄糖、玉米漿、酵母浸膏、硫酸銨、磷酸銨、硫酸鎂、磷 酸氫二鉀、磷酸二氫鉀中一種或多種。優選地，所述發酵菌體的活化過程是在一個單獨的活化罐中進行。優選地，所述氣相物流和液固混合物流的比例可以根據需要自由選擇和調節。例 如，可根據所需液固混合物流中的發酵菌體濃度來控制二者比例，或者根據液固混合物流 中所需乙醇的濃度來控制二者比例。優選地，所述循環使用發酵菌體的連續發酵過程是通過往一個或多個串聯的發酵 罐中連續流加發酵底物而實現的。所述發酵底物為從含糖原料，如甘蔗、甜菜、甜高粱等用 本領域內熟知的方法處理后獲得的糖液，或者是將淀粉原料，如谷物、土豆、木薯等用本領 域內熟知的淀粉酶進行糖化后所得的葡萄糖溶液，或者是將木質纖維素，例如玉米秸稈、麥 草、甘蔗渣等用本領域內熟知的方法水解后得到的糖液。優選地，所述多個串聯的發酵罐至少為2個發酵罐，且所述發酵罐的體積比為任意比，即酵母菌體在各發酵罐中的停留時間比為任意比。優選地，進入發酵罐的可發酵糖液中帶入的水量可以事先進行調整，以滿足整個 系統中水的質量平衡。優選地，加入的水量等于在真空蒸發器中同乙醇一起被帶走的水量與發酵菌體濃 縮與干燥部分除去的水量之和。優選地，所述方法還包括在將發酵底物流加至發酵罐之前，采用過濾、離心、膜分 離的一種或多種結合的方法除去發酵底物中的固體物質，例如甘蔗糖液中的纖維雜質、淀 粉液化糖化后糖液中的未糖化淀粉顆粒、木質纖維素酶解液中的殘余固體。上述方法及其各種優選方案不僅適用于乙醇生產，也同樣適用于其他產品生產。進一步地，通過優選的實施方案再對本發明的方法進行詳述在進行發酵之前，對從含糖原料(如甘蔗、甜菜、甜高粱)獲得的糖液首先進行過 濾，以除去所有的纖維、髓質及其它固體。淀粉原料(如谷物、土豆、木薯)用該領域內熟知 的淀粉酶進行糖化。木質纖維素原料，例如玉米秸稈、麥草、甘蔗渣等采用稀酸水解或經過 預處理后采用纖維素酶進行糖化。糖化底物再通過離心、過濾、超濾或者這些方法的組合除 去其中所有的不溶物。優選地，本發明提供的方法采用超濾膜過濾純化淀粉糖化液，同時除 去糖液中的殘余糖化酶和微生物甚至孢子，實現糖液的滅菌。木質纖維素材料水解和糖化 得到的糖液也可用同樣的方法凈化。隨后，將不含有不溶物質的純凈糖液泵入發酵罐中。該糖液含可發酵糖的質量分 數為2% -40%，優選為8% -30%，更優選為12% -28%。根據本發明提供的方法，可以只 需要一個發酵罐實現發酵液連續流動操作，但優選地，連續發酵模式以多個發酵罐級聯的 方式進行。每個級聯發酵罐的停留時間可以相同，即具有相同的體積，但優選地，級聯發酵 罐具有不同的體積，因此每個級聯發酵罐中的停留時間不同。級聯發酵罐的停留時間可以 任意分配。一個優選的方案是第一個發酵罐具有最長的停留時間(最大體積)而最后一個 發酵罐具有最短的停留時間(最小體積)。發酵罐級數可以任意選定，優選地，發酵罐級數 選為3級，且各級發酵罐體積比和停留時間比為3 2 1。發酵罐的總體積是由發酵總停 留時間決定的，因此發酵時間選擇6小時到14小時之間。發酵溫度可高達所用發酵微生物 的最高耐熱溫度。所屬領域的酵母菌作為發酵微生物時其最高上限溫度在38°C和46°C之 間，而乙醇生產細菌可能達到60°C到65°C。本發明提供的方法還涉及保持發酵罐中的發酵微生物(如酵母)濃度在較高水 平。每個發酵罐中的發酵微生物(如酵母)的菌體干重質量分數在4%-15%之間，優選為 5% -10%之間，更優選為5% -8%之間。發酵結束后，將全部發酵液加熱至32°C至50°C，優選為38°C到45°C后引入至真空 蒸發器。真空蒸發器可以由單級或多級組成。本發明提供的方法優選2到5級的蒸發器。對于單級真空蒸發器，蒸汽被蒸汽壓縮機壓縮并用于加熱蒸發器。在多級蒸發器， 需要多個蒸汽壓縮機，每個蒸汽壓縮機壓縮一級的蒸汽并用于加熱此級或下一級蒸發器。 所屬領域的多級蒸發器為部分串聯或并聯過程，其中多于1級的蒸汽可被同一蒸汽壓縮機 壓縮。優選地，低沸點成分(少量乙醇)和不凝性氣體(如空氣、發酵產生的CO2)在多級 真空蒸發器的最后一級排出，并與含乙醇的蒸汽分離。從真空蒸發器中得到的氣相物流中乙醇質量分數在12% -45%之間，這取決于發酵醪液的乙醇濃度和所用蒸發器的級數。使用單級蒸發器時可得到的乙醇質量分數為 12%-35%。使用多級蒸發器時，第一級蒸汽的乙醇含量高于最后一級蒸汽的乙醇含量。這 些蒸汽混合并冷凝后的乙醇含量是發酵醪液中乙醇含量的1. 8-2. 5倍，并且不含任何可溶 性物質和完全不含醛類、甲醇等低沸點成分。該乙醇水溶液可采用所屬領域內熟知的技術 很容易地蒸餾至所需的最終濃度。從乙醇蒸餾分離得到的水不含不溶物成分，可循環用于 上游發酵過程或無需凈化而直接排放。蒸發過程結束后還可以得到液固混合物流，即酵母菌體濃縮液，其含酵母菌體干 重為16% -50%，優選為20% -35%。該酵母菌體濃縮液含有乙醇的質量分數小于2%，優 選小于0. 5%。由于真空蒸發器的蒸發操作是在低溫溫和條件下進行的，因此酵母菌體仍然 存活并具有活性。一部分酵母菌體濃縮液循環用于發酵過程，優選地，循環用于發酵前添加 營養物質并調節PH值至最優值以活化酵母菌體。另一部分酵母菌體濃縮液采用所屬領域 熟知的蒸發和干燥方法進行濃縮和干燥，生產高價值的人用酵母蛋白。進入發酵罐的可發酵糖濃度事先通過加水進行調整同時實現對帶入發酵過程中 的水量進行控制。優選地，加入的水量等于在真空蒸發器中同乙醇一起被帶走的水量與酵 母菌體濃縮與干燥部分除去的水量之和。由此可見，本發明提供的乙醇發酵方法克服了傳統典型工藝的缺點。根據本發明 提供的方法，乙醇發酵過程中經乙醇分離后的水分可循環使用。因此，需要處理的廢水量顯 著降低。本發明提供的方法的另一個優點是，發酵罐中的底物濃度保持適當較低的水平，因 而消除了底物對菌體生長的抑制作用，從而使得可有效將底物轉化為乙醇的活性菌體保持 較高的濃度。因此，所有的發酵底物都可以轉化為乙醇而不產生副產物。本發明提供的方法的另一個優點是，發酵過程為連續操作模式，并保持較高的發 酵微生物(如酵母菌)濃度，從而減少發酵時間、發酵罐體積和降低投資成本。根據本發 明提供的方法，由于發酵液中含有較高的發酵微生物(比如酵母菌)濃度和較短的發酵時 間，因此顯著降低了染菌風險同時提高了乙醇產量。發酵過程中循環使用大部分發酵微生 物(如酵母菌)，減少種子液培養并基本上將全部底物轉化為乙醇，從而進一步提高了乙醇 產量。本發明與傳統發酵工藝相比，減少了投資經營成本以及廢水排放。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于 說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。實施例1純淀粉懸浮液采用本領域熟知的酶法進行液化糖化，所得糖液采用超濾膜純化后 得到含糖質量分數為25%的澄清糖溶液。將三個含有控溫熱交換器的發酵罐串聯安裝。第 一個發酵罐體積為45L，第二個為30L，第三個為15L。第一個發酵罐填裝糖液后接種酵母， 并讓酵母生長。一定時間后以每小時IOL的流量將濃度為25%的糖液連續泵入第一個發酵 罐，并使發酵醪液溢流至第二個和第三個發酵罐。三個發酵罐的溫度都控制在36°C (為所 用酵母的最優產乙醇溫度)。第三個發酵罐溢流出的發酵液經換熱器加熱至42°C后進入三 級真空蒸發器。三級蒸發器的蒸汽分別由各級的真空蒸發器壓縮并通過給本級蒸發器供熱而冷凝。發酵過程達到穩態操作后，可從蒸發器得到流量為5. 7L/h的含22%乙醇的冷凝 液。蒸發器中得到液固混合物流(酵母菌體濃縮液)含酵母菌體干重為20%，殘余乙醇含 量小于0. 5%。該液固混合物流分為兩部分，第一部分流入一個小的活化罐中并添加用于酵 母生長的營養物質。在部分酵母生長之后，將這部分溶液泵回至第一個發酵罐。三個發酵 罐中酵母菌體含量大約為10%。第二部分殘余液進一步進行真空干燥，可以得到含55%蛋 白質的干酵母。實施例2甘蔗渣經過高溫稀酸預處理后采用纖維素酶水解，水解液經過濃縮后并通過膜過 濾后得到可發酵糖質量分數為20%的澄清糖溶液。將三個含有控溫熱交換器的發酵罐串聯 安裝，其中第一個發酵罐體積為15L，第二個為10L，第三個為5L。第一個發酵罐填裝糖液 后接種酵母，并讓酵母生長。一定時間后以每小時IOL的流量將濃度為20%的糖液連續泵 入第一個發酵罐，并使發酵醪液溢流至第二個和第三個發酵罐。三個發酵罐的溫度都控制 在32°C (為所用酵母的最優產乙醇溫度)。第三個發酵罐溢流出的發酵液經換熱器加熱至 42-43°C后進入三級真空蒸發器。蒸發器的壓力控制在88mbar-92mbar之間。三級蒸發器 的蒸汽分別由各級的真空蒸發器壓縮并通過給本級蒸發器供熱而冷凝。發酵過程達到穩態操作后，可從蒸發器得到流量為4. 5L/h的含20%乙醇的冷凝 液。蒸發器中得到液固混合物流(酵母菌體濃縮液)含酵母菌體干重為18%，殘余乙醇含 量小于0. 5%。該液固混合物流分為兩部分，第一部分流入一個小的活化罐中并添加用于酵 母生長的營養物質。在部分酵母生長之后，將這部分溶液泵回至第一個發酵罐。三個發酵 罐中酵母菌體含量大約為9%。第二部分殘余液進一步進行真空干燥，可以得到含55%蛋 白質的干酵母。實施例3玉米淀粉采用本領域熟知的酶法進行液化糖化，所得糖液采用超濾膜純化除去不 溶物質后得到含糖質量分數為20%的澄清糖溶液。將2含有控溫熱交換器的發酵罐串聯安 裝。每個發酵罐的體積均為45L。第一個發酵罐填裝糖液后接種酵母，并讓酵母生長。一定 時間后以每小時IOL的流量將濃度為20%的糖液連續泵入第一個發酵罐，并使發酵醪液溢 流至第二個發酵罐。兩個發酵罐的溫度都控制在32°C (為所用酵母的最優產乙醇溫度)。 第二個發酵罐溢流出的發酵液經換熱器加熱至41 °C后進入二級真空蒸發器。各蒸發器的壓 力控制在84mbar-98mbar之間。第一級蒸發器的溫度控制41-41. 5°C，第二級蒸發器溫度控 制在41. 5-42°C。二級蒸發器的蒸汽分別由各級的真空蒸發器壓縮并通過給本級蒸發器供 熱而冷凝。發酵過程達到穩態操作后，可從蒸發器得到流量為4. 2L/h的含20%左右的乙醇 冷凝液。蒸發器中得到液固混合物流(酵母菌體濃縮液)含酵母菌體干重為17%，殘余乙 醇含量小于0.7%。該液固混合物流分為兩部分，第一部分流入一個小的活化罐中并添加 用于酵母生長的營養物質。在部分酵母生長之后，將這部分溶液泵回至第一個發酵罐。兩 個發酵罐中酵母菌體含量大約為10%。第二部分殘余液進一步進行真空干燥，可以得到含 55%蛋白質的干酵母。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾(如本領域熟知 的一些相關設備改造、或將其用于其它發酵產品生產時根據產品特性做出的常規改動等)， 這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
一種生產發酵產品的方法，其特征在于，所述方法包括將發酵后的發酵醪液進行蒸發，得到了主要含所述發酵產品的氣相物流和主要含發酵菌種的菌體的液固混合物流；然后再將液固混合物流中含有的發酵菌種的菌體分離出，循環使用于發酵過程。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述發酵產品為乙醇。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述發酵菌種為以糖為碳源來源的可發酵 生產乙醇的細菌或酵母菌。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括將發酵后的發酵醪液在真空 蒸發器中進行蒸發后得到以下兩種物流1)氣相物流，其中含有乙醇蒸汽、水蒸汽和不凝 性氣體；2)液固混合物流，其中含有水、乙醇、細菌或酵母菌體；再將該液固混合物流進一 步分成兩部分，一部分循環用于發酵過程，另一部分進行濃縮和干燥得到菌體蛋白。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述真空蒸發器的操作溫度為32°C-50 優選為38°C -45°C ；并且所述真空蒸發器的級數大于或等于1級。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述真空蒸發器各級蒸發得到的氣相物 流通過蒸汽壓縮機壓縮后用于真空蒸發器至少1級的供熱，同時得到乙醇水溶液。
7.如權利要求4至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述液固混合物流中，乙醇 的質量分數小于2%，優選小于0.5% ；細菌或酵母菌體的質量分數為16% -50%，優選為 20% -35%。
8.如權利要求4至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述循環用于發酵過程的分離 出的一部分的液固混合物流在用于發酵前添加營養物質以活化發酵菌體。
9.如權利要求4至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述循環使用發酵菌體的發酵 過程是通過往一個或多個串聯的發酵罐中連續流加發酵底物而實現的；優選地，所述多個 串聯的發酵罐至少為2個發酵罐，且所述發酵罐的體積比為任意比。
10.如權利要求4至9中任一項所述的方法，其特征在于，進入發酵罐的可發酵糖液中 帶入的水量等于在真空蒸發器中同乙醇一起被帶走的水量與發酵菌體濃縮與干燥部分除 去的水量之和。
全文摘要
本發明公開了一種生產發酵產品的方法，所述方法包括將發酵后的發酵醪液進行蒸發，得到了主要含所述發酵產品的氣相物流和主要含發酵菌種的菌體的液固混合物流；然后再將液固混合物流中含有的發酵菌種的菌體分離出，循環使用于發酵過程。本發明提供的方法克服了傳統典型工藝的缺點，在發酵過程中循環使用大部分發酵微生物(如酵母菌)，減少種子液培養，并且通過蒸發直接得到大部分的發酵產品，既節約能耗，又降低分離成本。
文檔編號C12P7/06GK101941886SQ201010258930
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月17日 優先權日2010年8月17日
發明者劉德華, 埃里克·F·圖梭, 戴維爾斯·卡則梅可, 趙雪冰 申請人:德國Acs農業化學系統Gmbh公司;清華大學