CN101544996A - 植物体糖化发酵酒曲(菌体蛋白饲粮)与生醇发酵生产新工艺 - Google Patents
植物体糖化发酵酒曲(菌体蛋白饲粮)与生醇发酵生产新工艺 Download PDFInfo
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Abstract
植物体糖化发酵酒曲(菌体蛋白饲粮)与生醇发酵生产新工艺是把植物体原料经2.3％－6.5％硫酸(或者盐酸或者硝酸)水溶液浸透润湿后，在紫外线照射下以湿度为85％－97％温度为35℃－65℃的流通空气处理或在自然环境下晾晒处理获得易碾碎植物体预处理原料。磨碎原料经加入定量有机氮料或无机氮料后再加一定量水制成一定固液比糖化发酵酒曲培养基或生醇发酵醪液，用碱水溶液中和其pH值到4－5，培养基料接种木霉菌或黑曲霉与酵母菌在28℃－35℃下共发酵制得预处理植物体糖化发酵酒曲，发酵醪液接入其糖化发酵酒曲后在28℃－35℃下发酵制得成熟发酵醪液，此醪液经过滤精馏获得共沸酒精，其滤出的固态物料经35℃－45℃干燥后即为植物体糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮。
Description
技术领域
生物质原料预处理，纤维素酶曲与酒母(或菌体蛋白饲粮)生产或生物质多糖的生醇发酵等工艺。
背景技术
木质纤维素构成了植物体的细胞壁，对细胞起着保护作用，它的主要有机物包括纤维素、半纤维素和木质素三部分，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，纤维素镶嵌在其中，不同生物质中的纤维素、半纤维素和木质素的含量不同，其中半纤维素是由不同的多聚糖构成的混合物，这些多聚糖是由不同的单糖聚合而成，有直链也有支链，上面连接有不同数量的乙酰基和甲基。半纤维素的水解产物包括两种五碳糖(木糖和阿拉伯糖)和三种六碳糖(葡萄糖、半乳糖和甘露糖)各种糖所占比例随原料而变化，一般木糖占一半以上，以农作物秸秆和草为水解原料时还有相当量的阿拉伯糖(可占五碳糖的10％-20％)，半纤维素的聚合度较低，所含糖单元数在60-200，也无晶体结构，故它较易水解，在100℃左右就能在稀酸里水解，也可在酶催化下完全水解。而纤维素大分子间通过大量的氢键连接在一起形成晶体结构的纤维素束。这种结构使得纤维素的性质很稳定，不溶于水，无还原性，在常温下不易发生水解，在高温下水解也很慢。只有在有催化剂存在下，纤维素的水解反应才显著地进行。常用的催化剂有无机酸和纤维素酶。由此分别形成了酸水解工艺和酶水解工艺。木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳-碳键连接而成三维空间高分子化合物，其分子式可简单表示为(C6H11O2)n，木质素不能被水解为单糖，且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素的水解。纤维素属大分子多糖，是由葡萄糖脱水，通过β1，4葡萄糖苷键连接而成的直链聚合体，纤维素分子式可简单表示为(C6H10O5)m，这里的m为聚合度，表示纤维素中葡萄糖单元的数目，其值一般在3500—10000，纤维素经水解可生成葡萄糖。
植物体原料的预处理：预处理的目的：酶水解工艺中一个重要课题是原料的预处理，由于构成生物质主要成份的纤维素、半纤维素和木质素间互相缠绕，且纤维素本身存在品体结构，会阻止酶接近纤维素表面，故生物质直接水解时效率很低，通过预处理可除去木质素，溶解半纤维素或破坏纤维素的晶体结构，从而增大其可接近表面，提高水解产率，好的预处理工艺过程应满足以下条件：(1)可促进糖的生成或有利于后面的酶水解；(2)能避免碳水化合物的降解损失；(3)避免生成对水解和发酵有害的副产品；(4)经济上合理。
已对许多预处理方法进行了研究，可大致将其分为物理法、物理化学法、化学法和生物法4类。由于到目前为止生物法预处理的速度太慢，尚在研究阶段，故目前工业生产中主要是前3类。(1)物理法：物理法主要是机械粉碎，可通过切、碾、磨等工艺使生物质原料的粒度变小，增加和酶的接触表面，更主要的是破坏纤维素的晶体结构。通过切碎可使原料的粒度降到10-30mm，而通过碾磨后可达到0.2-2mm，但粉碎生物质原料所需能耗较大。(2)物理化学法：主要包括蒸汽爆裂、氨纤维爆裂、CO2爆裂等。蒸汽爆裂法是用蒸汽将生物质原料加热至200—240℃，并保持0.5—20min。高温和高压导致木质素的软化，然后迅速打开阀降压，造成纤维素晶体的爆裂，使木质素和纤维素分离，水蒸汽爆裂的效果主要取决于停留时间、处理温度、原料的粒度和含水率等。研究表明，在较高温度和较短停留时间(270℃，1min)下处理，或在较低温度和较长停留时间(190℃，10min)下处理效果都很好。但最近有研究表明，采用较低温度和较长停留时间更为有利。蒸汽爆裂的优点是能耗低，可间歇也可连续操作。主要适合于硬木原料和农作物秸秆，但对软木的效果较差(因软木中木质素含量较多，也没有硬木中的所有的长的导管，故传热效率较差，催化剂传递困难)。缺点是木糖损失多，且产生对发酵有害的物质。预处理强度越大，纤维素酶水解越容易，但由半纤维素得到的糖就越少，产生的发酵有害物越多。
氨纤维爆裂原理类似于蒸汽爆裂，它在高温和高压下使固体原料和液态的氨反应，同样经一定时间后突然开阀降压，造成纤维素晶体的爆裂。典型的工艺其处理温度在90—95℃，维持时间20—30min，每千克固体原料用1—2kg氨，为降低工艺成本，氨需要回收，为此用温度高达200℃的过热氨蒸气将残留的固体原料上的氨气化回收，为使氨和水分离，可先用预冷凝器把大部分水蒸气冷凝下来，留下纯度高达99.8％的氨蒸气。预冷凝器中的液体进入精馏塔，塔顶也可得99.8％的氨蒸气。这些氨蒸气经冷凝压缩后循环使用。氨纤维爆裂不产生有害物质，半纤维素中的糖损失也少，但经此处理的半纤维素并未分解，需另用半纤维素酶水解，故处理成本较大。CO2爆裂与氨纤维爆裂基本相似，只是用CO2代替了氨，但其效果比氨处理差。
化学法包括碱处理、稀酸处理及臭氧处理等。其碱处理法是利用木质素能溶解于碱性溶液的特点，用稀氢氧化钠或氨溶液处理生物质原料，破坏其中木质素的结构，从而便于酶水解的进行。受到重视的工艺是用氨溶液处理的方法，因氨易挥发，通过加热可容易地回收(在间歇实验中回收率在99％以上)，而预处理效果很好。如用氨处理杨木原料，在180℃下处理1小时后，其中的纤维素有95.2％可被酶水解，而未处理时仅7.8％可水解。通过氨预处理还能回收纯度较高的木质素用作化工原料。稀酸预处理类似于酸水解，通过将原料中的半纤维素水解为单糖，达到使原料结构疏松的目的。水解得到的糖液也可发酵制酒精。软木水解较困难，需在较强烈的条件下进行预处理，这时也可采用两级稀酸预处理的方法，即把经第一级处理过的原料先水洗，再在较强烈的条件下进行第二次处理，这样可减少糖的分解及有害物的产生。
用臭氧处理可有效地除去木质素，反应在常温常压下进行，也不会产生有害物质，但成本太高，不实用。
纤维素酶生产：大部分细菌不能分解晶体结构的纤维素，因它们的酶系统不完善，但有些霉菌能分泌水解纤维素所需的全部酶，这些酶对纤维素酶生产十分重要。目前用的最多的是里氏木霉(T.reesei)。各种微生物所分泌的纤维素酶不完全相同。如不少里氏木霉菌株可产生有高活性的内切葡萄糖酶和外切葡萄糖酶，但它们所产生的β葡萄糖苷酶的活性较差，而属于Aspergillus系的霉菌虽水解纤维素的能力差，但分解纤维二糖的能力却很强，在生产纤维素酶时就可把这两种菌株放在一起培养。纤维素酶的生产为固态发酵和液态发酵两种方法。(1)固态发酵：所谓固态发酵是指微生物在没有游离水的基质上生长，这种过程类似麸曲生产，它的优点是能耗低，对原料要求低，产品中酶浓度高，可直接用于水解，缺点是所需人工多，不易进行污染控制，各批产品性质重复性差。
(2)液态发酵：目前大规模生产纤维素酶以液态深层发酵法为主，液态发酵的优点为所需人工少，适宜于大规模生产，易进行污染控制。各批产品性质重复性好。缺点是能耗大，原料要求高，产品中酶浓度低。不管是那种发酵方法，一般都用经预处理的生物质为生产酶的基质，这除了可降低成本外，还有其它两方面的好处：(1)微生物能很好地以经过预处理的生物质为碳源，由此生产出来的酶比用纯纤维素或糖为基质时所产酶更适用于纤维素水解，活性更高。(2)用同样原料生产酶和生产酒精在流程安排上更方便，可减少设备成本。同时还要加入发酵罐的还有微生物生长繁殖所需的无机盐营养物以及表面活性剂等。但目前纤维素酶的生产成本仍太高。
纤维素酶水解：在纤维素物料的酶水解过程中，一般认为酶水解包括三个基本过程：酶在固体原料上的吸附，酶催化水解和酶脱附。纤维素的酶水解和一般的酶促反应不同，它的酶作用物纤维素是不溶性的，酶只有吸附在其表面后才能起作用，故酶的吸附对酶水解效率影响很大，酶除了吸附在纤维素上外，也会吸附在木质素上，这是影响酶水解效率的重要因素。人们发现原料中木质素含量较低时，水解速度较快，故在预处理中除去木质素对水解有利，添加表面活性剂也可减少酶的不可逆吸附提高水解效率。添加非离子型活性剂的效果更好。另外，水解产物对纤维素酶的活性有阻碍作用，而纤维素酶的作用也受其它有害组分的影响，如强氧化剂、还原剂、金属离子等，结合在纤维素上的酶不受这种影响，纤维素的酶水解速度还和纤维素浓度、酶活性、水解温度和PH值等条件有关。所以在一般情况下，要使酶和纤维素充分混合，水解中纤维素浓度最多在6％-10％(W/V)，纤维素酶的用量通常用滤纸酶活表示单位FPU。它表示酶水解滤纸(一种聚合度较低的纤维素物质)的能力，可通过实验测定，显然酶用量越多，水解速度越快。但成本也相应增加。在一般的实验和做经济分析时，常把酶的用量定为10FPU/克纤维素。因这样的用量已可使纤维素在48—72小时内达到最大的转化率。酶水解的适宜温度在45-50℃，所需最佳PH值在4.8左右。
生醇发酵：生物质废弃物制酒精工艺中的发酵和以淀粉或糖为原料的发酵有很大不同。这主要表现在以下两点：1、生物质水解糖液中常会含有对发酵微生物有害的组分；2、水解糖液中含有较多的木糖。以上特点决定了该工艺中有害物脱除和木糖发酵的重要性，尽管也有研究木糖发酵的，但一般考虑的都是葡萄糖和木糖的共发酵。若仅用葡萄糖发酵，一般都用酵母菌。因它有优良的酒精转化性能，是最常用的。发酵本身并不耗氧，但微生物的生长繁殖需消耗一定的氧，故需使发酵液内保持一定量的溶氧浓度。(生物质能现代化利用技术/吴创之、马隆龙主编----北京化学工业出版社2003，5生物质燃料酒精173-186)
淀粉质原料的糖化发酵条件：糖化发酵是否正常，就要看创造的条件是否适宜生物酶和微生物的要求。糖化酶对淀粉的作用温度范围一般在20-70℃，最适温度为55-60℃，超过60℃酶活力失活很快，低于20℃糖化速度则比较缓慢，要彻底将淀粉转化为葡萄糖所需的糖化时间较长。酵母菌的生长代谢温度范围一般在15-41℃，最适温度为28-30℃，超过41℃酵母容易死亡，繁殖代谢能力明显下降，低于15℃则繁殖代谢速度比较缓慢，不利于发酵产酒，它们对温度比较敏感，要求较严格，而PH值在4.0-6.5范围内即可适应其要求。因此，糖化发酵条件一般以酵母的最适温度来调控为宜，即控制室温25-35℃，糖化发酵醪品温28-35℃，装料量为发酵容器体积分数的80％左右。
酿酒酵母的制造：用活性酒精干酵母代替卡氏罐种子制造大缸酒曲
(1)活性干酵母活化：称取糖化醪(1kg淀粉质原料+5kg水的糖化液)原料质量0.1％的活性干酵母加10倍水和10倍糖化醪，然后在35℃左右活化3min后加入到糖化醪中在28-30℃下培养8-10h备用。
(2)固体麸皮培养：将麸皮加水75％-80％翻拌均匀，要求无夹心无团块，然后在常压下蒸料1-1.5小时，蒸料后冷却至30℃左右，接入活化培养干酵母液5％-10％和0.1％-0.2％的根霉曲，充分拌匀，要求疏松无团块，然后将物料倒入通风池中进行静置培养，培养温度控制在28-30℃，6-8小时品温上升后，开始通风并适当翻拌，10-12小时翻拌并通风，15小时左右酵母细胞旺盛繁殖，品温上升较快，此时要降温通风并翻拌，24-30小时酵母培养结束。
(3)烘干：烘干一般分两个阶段，前期从进烘房开始到烘曲24小时左右，这时曲内含水量多，基质内仍有部分养料可被利用，菌种继续繁殖生长，但曲内水分过多，也易引起杂菌繁殖，所以前期烘干温度应掌握在35-40℃，即起培养作用，又能尽快降低曲内水分，从24小时直烘干为后期烘干阶段，这一时期，曲内水分较少，菌体逐渐停止生长，由于水分减少，菌体细胞对热的抵抗能力增强，这时的烘干温度一般控制在40-45℃，使曲子干透，至曲子水分在10％以下，就可以出曲，也可利用阳光晒干，达到干燥目的。(生料酿酒技术/黄平主编——北京：中国轻工业出版社，2001年，生料酒曲生产工艺115-168)
纤维素酶固态发酵：纤维素酶固态发酵微生物为木霉属的真菌，纤维素酶固态发酵碳源一般以纤维素原料为主，添加少量麸皮。以稻草、杂草为碳源，以硫酸铵为氮源，30℃培养96小时，酶活力均较高，杂草中加入麸皮，菌体生长迅速，酶活力最高，较为理想的硫酸铵用量为培养基量的0.8％-1.0％。纤维素酶固态发酵工艺控制：在实际的工业化生产中，由于很难达到类似浅盘培养的品温控制水平，因此将品温在发酵前期(24小时)控制在28-33℃，发酵中期(24-60小时)控制在40℃以下，发酵后期(60-96小时)控制在35℃以下的策略与操作是可以接受的。其发酵初始PH值在3.5-6.5，固态发酵品温的控制主要是通过通风、翻曲来实现，一般在发酵24小时左右开始第一次通风，每次通风时间不超过3min，翻曲时间在发酵40-48小时较好。在实际生产过程中PH值一般在3.5-4.5之间，发酵物料的细度一般是通过35-45目筛即可。发酵物料的含水量在50％-60％。
另外黑曲霉除了能产酸性蛋白酶和木聚糖酶以外，还产较高酶活力的葡聚糖酶、纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶和淀粉酶等酶系，故曲霉属非常适合固体发酵生产饲用复合酶。
目前国内外纤维素酶生产工艺有两种：固态发酵及深层液态发酵。固态发酵法生产纤维素酶具有独特优点：1、固态发酵条件环境更接近于自然状态下的木霉生长习性，使其产生的酶系更全，有利于降解天然纤维素；2、固态发酵消耗能源少，设备投资相对减少；3、酶产品收率高，后续提取过程较液态发酵好处理。因此固态发酵生产纤维素酶越来越受到重视。自然界中可降解纤维素的微生物很多，包括细菌、真菌和放线菌，纤维素的微生物破坏有两种可能的方式，一种是破坏外部，然后向内部发展；另一种是由内向外侵蚀。霉菌是降解纤维素的微生物，它在降解纤维素的底物时，菌丝横穿次生壁进入细胞，并不断生长，由内向外降解纤维素，使纤维素逐步被破坏。微生物分解纤维素时有一个共同的特点，即合成胞外纤维素酶，但有少量的微生物合成纤维素酶簇降解结晶纤维素。(固态发酵技术与应用/吴振强主编—北京：化学工业出版社2006年2月，酶制剂的固态发酵173—197)
为了降低酒精的生产成本，在20世纪70年代开发了同时糖化的发酵工艺(SSF)，即把预处理的生物质、纤维素酶和发酵微生物加入一个发酵罐内，使酶水解和发酵在同一装置内完成，当然实际SSF流程也可用几个发酵罐串联生产。此工艺不但简化了生产装置，而且因发酵罐内的纤维素水解速度远低于葡萄糖发酵速度，使溶液中葡萄糖和纤维二糖的浓度很低，这就消除了它们作为水解产物对酶水解的抑制作用，相应可减少酶的用量。此外低的葡萄糖浓度也减少了杂菌感染的机会。目前SSF已成为很有前途的生物质酒精工艺。
SSF工艺的主要问题是水解和发酵条件的匹配。纤维素酶水解所需的最佳PH值在4.8左右，而发酵的最佳PH值在4-5之间，二者并无矛盾，但酶水解的最佳温度在45-50℃，而发酵的最佳温度在28-30℃，二者不能匹配。实际SSF常在35-38℃下操作，这一折中处理过程使酶的活性和发酵的效率都不能达到最大。
在一般的SSF工艺中，预处理所产生的富含五碳糖的液体是单独发酵的。随着同时发酵葡萄糖和木糖的新型微生物的开发，又发展了SSCF工艺，在该工艺中，预处理得到的糖液和处理过的纤维素放在同一个反应器中处理，这就进一步简化了流程。此工艺的原料预处理是把经粉碎后的生物质用0.5％H2SO4在190℃下处理10min，采用并流式水解反应器，其形式类似造纸工业中的纸浆蒸煮器。其中固体的浓度为20％，该过程在破坏纤维素晶体结构的同时，可把75％的半纤维素水解为单糖，但也有10％的木糖和阿拉伯糖转化为糠醛，有15％的半乳糖和甘露糖转化为HMF。出预处理器的原料进入闪蒸器，压力从1.2Mpa降到常压。此过程除了降温外，还可把预处理中产生的大量糠醛、HMF和部分乙酸脱除，这将有利于后续工段。然后进入过滤器进行液固分离，所得浆状固体产物中的小部分用于制纤维素酶，大部分进入SSCF反应器，过滤得到的液体用离子交换树脂处理，除去88％的乙酸和全部硫酸，然后先用硫酸把该液体PH值调节到2，再用石灰将PH值调节到10，通过这种过量加碱法可把液体中的发酵有害物质随硫酸钙一起除去，然后把液体的PH值调节到4.5，也将其加入到SSCF反应器。
SSCF工段中使用3组3600m3的搅拌式不锈钢发酵器，每一组6个，共18个发酵器。酶用量为15FPU/克纤维素。发酵用菌种为转基因Z.moblis，采用2组种子培养器，每组包括5个容器，逐级扩大培养，每级接种量相当于容器体积的10％。SSCF操作条件为：温度30℃，固体初始浓度(包括可溶的和不可溶的)20％，停留时间7d，葡萄糖和木糖转化为酒精的理论产率分别为92％和85％。
SSCF的酶生产用11个1000m3的充气式发酵器，采用间歇操作，在任何时候都有8个发酵器处于运行中，以T.reesei(里氏木酶)为菌种。采用3组种子培养器，每组包括3个容器，逐级扩大培养，每级接种量相当于容器体积的5％。发酵器初始纤维素浓度为4％，平均每克纤维素和半纤维素可生产200FPU纤维素酶，发酵生产率为75FPU/Lh。
发酵液用传统的精馏方法制得共沸酒精，再用分子筛脱水制得99.9％酒精，加入5％的汽油制成变性酒精储存。精馏塔釜底废液经离心分离和蒸发，可回收80％的水循环使用。当木质素残渣中的固体浓度提高到45％时送去燃烧发电。
目前对燃料酒精生产技术的改进仍在进行中，一个可能的技术是联合生物处理法(CBP)，也称直接微生物转化法(DMC)，它把纤维素酶生产、纤维素水解、葡萄糖发酵和木糖发酵结合在一个反应器内完成，且只用一种微生物。该工艺计划水解产率达92％，发酵产率达90％，酒精浓度达5％，发酵时间为36h，采用连续发酵，不需种母罐。DMC是有一定依据的，已知有不少微生物有把纤维素原料直接转化为酒精的能力，如霉菌Fusariumoxysporum，细菌Clostridia sp等，不过现有DMC菌种的酒精产率都较低，且不能在低液固比下处理生物质原料。(生物质能现代化利用技术/吴创之、马隆龙主编—北京：生物化学出版社2003年5月生物质燃料酒精189-195)
单细胞蛋白固态发酵生产工艺：
玉米秸秆固态发酵生产SCP：
该工艺分五部分：原料预处理、菌种逐级扩大培养、固态通风发酵、双菌株共发酵及产品后处理。1、原料预处理：玉米秸秆粉碎后经高压蒸气爆破处理，配以辅料、水润湿，拌匀后蒸气灭菌。2、菌种逐级扩大培养：A和B两菌株分别按各自的培养条件进行三角瓶、饭盒种曲、曲盘种曲逐级扩大培养。3、固态通风发酵：采用旋转式园盘制曲机，接种纤维素酶高产菌株96-32进行厚层固态通风发酵，以获得含有较高活性纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶等的复合酶曲，并酶解纤维素物质，产生单糖及氨基酸等物质。4、双菌株共发酵：以A菌株固态发酵产物为基质，接种酵母菌B进行双菌株共发酵，使酶解与菌株增殖同时进行，以获得高酶活单细胞蛋白产物。5、产品后处理：共发酵产物经低温干燥、粉碎、配料混合即得产品。(固态发酵技术与应用/吴振强主编—北京：化学工业出版社2006年2月，饲料蛋白的固态发酵254)
从上述简述中，已明确的了解到上述生物质糖化生醇发酵工艺中所存在着的难以克服和避免的不利因素，而且其工艺过程繁杂，如生物质预处理过程虽然是半纤维素得到完全水解，但造成植物体半纤维素多糖的损失高达25％，而且使其生成了有害发酵的物质，而必须进行脱除处理。这无疑会增加其工艺的设备投资与工艺过程能耗和操作费用。而且其发酵工艺中，不管用那种微生物进行生醇发酵，其发酵微生物的最适发酵温度与纤维素酶糖化的最适水解温度均不能匹配，不得不采用折中的方法控制温度。而这一折中的糖化发酵温度，使得其糖化酶的活性和发酵效率都不能达到最大，而影响其工艺的糖化与发酵效率。而其DMC同样存在一个弱点，那就是DMC菌种的酒精产率较低，且不能在低液固比下处理生物质原料。而正是目前生物质糖化发酵酒精生产工艺的诸多不利因素制约着生物质燃料酒精工业化发展的普及程度。所以，为了把年复一年重复再生的大量生物质原料转化为人类取之不尽、用之不竭的生物质燃料酒精与饲粮原料，使其植物多聚糖转化为能被普通酒精酵母发酵利用的可发酵糖来高效能生产燃料酒精或蛋白饲粮，这需要开发一种全新的生物质原料的预处理工艺，与其用普通酵母菌发酵的和其全新的糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮生产工艺来实现这一目标，这就是本发明的宗旨和目的，于是本发明产生了。
发明内容
植物体原料预处理加工：把经除尘的撕裂(禾本)或切片与磨碎(木本)植物体原料，在浓度为2.3％—6.5％无机酸(或者盐酸、或者硫酸、或者硝酸)水溶液中经均匀浸渍后，放置在温度为35℃--65℃，湿度在85％--97％的流通空气中在紫外线照射下处理，一定时间，或者放置在温度25℃以上自然流通空气中，经昼夜循环晾晒一定时间，至植物体原料内外均易于碾碎后，进行干燥磨碎。经此预处理后的植物体其半纤维素多糖被降解，而且其五碳糖分子结构已发生改变，这种分子异构改变的糖体能够被普通酒精酵母发酵代谢利用。其纤维素大分子的结构也发生了改变，这种分子结构的改变使其多糖体能够在35℃下被木霉属与黑曲霉微生物复合酶系所水解，而其木质素结构也已遭到离解破坏。
预处理植物体的糖化发酵酒曲菌体蛋白饲粮)生产：植物体物料中经加入无机氮料或一定量有机氮料(应包括微生物培养生长所需生长因子)，再加入其质量分数70％—80％水后用碱水溶液中和其PH值到4-5，然后接入固体质量0.3％—0.5％经三级逐步扩大培养的种曲(木霉菌与黑曲霉比例为1∶1的复合菌曲)后，置入通风发酵池中进行培养，前期(24h)控制品温在28—30℃，中期(24—60h)控制品温30—35℃，后期(60—72h)控制品温在30—33℃，并同时在24h后开始第一次通风，每次通风时间不超过3min，翻曲时间在培养40—42h后进行，翻拌时再接入经逐级扩大培养酒精酵母液4％—8％，进入多菌种共发酵，发酵30-32h，期间翻曲次数在3—4次为宜，发酵物料的含水量控制在50％—60％，发酵结束后进行烘干，烘干分两个阶段，前期从进烘房开始到烘曲24h，此阶段烘干温度控制在35℃—40℃，从24h后直到烘干为后期，此期烘干温度控制在40℃—45℃，使曲子干透至曲子水份在10％—15％就可以出曲，也可利用阳光晒干，达到干燥目的，曲子烘干后进行粉碎，粉碎时品温不应超过55℃。此粉碎曲料为预处理植物体的糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮。
预处理植物体原料的生醇发酵工艺：将预处理植物体物料中加入一定量有机氮料(应包括微生物培养生长所需生长因子)或无机氮料后，加入其质量2.2-4倍水，以碱水溶液中和其PH值为4—5，然后接入其固体原料质量分数0.6％—1.2％的糖化发酵酒曲进行糖化发酵。前发酵期品温控制在28—30℃，此发酵期为24h，主发酵期品温控制在30—35℃，此期间每天应搅动醪液1—2次，并维持2—3d，后发酵期品温控制在30—33℃，时间需维持1—2d发酵结束，发酵醪液经无菌过滤后蒸馏可得共沸酒精，再用分子筛脱水制得99.9％的酒精溶液，此滤出固态物经35℃—45℃烘干后即获预处理植物体糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮。本工艺也可半连续操作处理和多级全连续操作处理，其半连续操作处理的工艺过程是：把其单级间歇操作处理过程结束后所得到的成熟醪液不完全送去蒸馏，而是留下一小部分作为新添加预处理植物体物料的糖化发酵菌种曲来使用进行重复间歇操作。这样就省去了物料重新发酵所需微生物，而可节约大量的糖化发酵酒曲原料，实现降低工艺成本的目的。其连续法操作处理是把其间歇处理过程中所获得的前期发酵醪液在连续添加新料的基础上经溢流(或输送)到下一级反应器，再进行中期发酵，等到第二级反应器的醪液完成中期发酵后，再溢流(或输送)到下一级反应器中，进行后期发酵，完成第三级发酵后，即可溢流(或输送)到过滤工段进行精馏处理与脱水处理，这样就实现此糖化水解与发酵的连续性，并且更适宜操作控制。但需严格控制杂菌的污染，要求在高度无菌的环境下操作处理。当然此全连续处理过程也可在其各发酵期均完成后，其植物体糖化发酵酒曲的加入方式，可用与糖化发酵酒曲等效的一定量发酵醪液回流来实现。
从以上本发明的植物体原料的预处理工艺过程到预处理植物体原料的糖化发酵酒曲或预处理原料植物体菌体蛋白饲粮的工艺过程与预处理植物体的生醇发酵工艺过程的工艺效果来看，本发明工艺和目前各现有工艺相比具有以下优越之处：本发明植物体预处理工艺过程简单，工艺设备投资低，工艺过程温和且不产生有害发酵的物质，没有糖的损失，并且在半纤维素降解的基础上，其木糖和阿拉伯糖异构化而能被普通酒精酵母发酵代谢利用，而其纤维素多糖大分子结构也发生改变。这种改变使其作为酶底物而降低了纤维素复合酶的适宜水解温度，使得纤维素酶生产时的培养温度和纤维素酶水解温度及糖化发酵温度能够相互匹配，从而提高了其发酵过程的生产效率。而且使制成的糖化发酵酒曲(或菌体蛋白饲粮)中没有抗营养糖体存在，这均是现有各工艺达不到的效果。
而且本发明的糖化发酵工艺过程中，其糖化发酵菌种是以曲的形式加入的，所以很显然其酶水解效率要比直接加纤维素酶其水解效率要高的多。这类似于现有DMC工艺，但比DMC工艺过程其固液比要大的多，酒精产率也高的多。因而其糖化发酵效率也均比各现有工艺高。现有工艺的固液比为1：5，而本发明固液比为2：5左右。所以本发明的糖化发酵制酒精工艺比现有工艺能使其精馏工艺成本降低50％以上。发酵效率提高50％以上，而糖利用率可直接提高25％，而其连续糖化发酵工艺成本更低。
而其制成的糖化发酵酒曲作为菌体蛋白饲粮产品和现有工艺相比糖利用率高。使成本降低，且产品不含抗营养糖体，只要添加充足的钙元素与适量的甲硫氨基酸和维生素B12，便可获得与鱼粉同样营养的蛋白饲粮产品，但其价值要比鱼粉高很多。而本发明使预处理植物体糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮与生醇发酵生产于一体，这是本发明显著的效果。
具体实施方式
取1000克切短或撕碎的除尘禾本植物体或1000克木性锯末(或刨花)分别经浸透2.3％—6.5％硫酸(或者盐酸或者硝酸)水溶液后，分别置入烘箱中，同时保持烘箱中的湿度在85％—97％，使其在紫外线灯照射下，以35—65℃的流通空气进行处理直至植物体内外均易于碾碎后，干燥磨碎，或分别在25℃以上自然环境气温下晒制并经过夜陈化重复晾晒，同样晾晒到植物体里外均易于碾碎后，干燥磨碎。
制造预处理植物体物料的糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮：取500克预处理磨碎植物体，禾本与木本分别加8％-28％或35％-48％麸皮，加70％-80％水后用铵与钙的克分子浓度比在1：7的碱水溶液中和其PH值到4-5，接入固体质量0.3％-0.5％木霉与黑曲霉比例为1：1的种曲后，置入通风发酵箱中进行培养。前期(24h)控制品温在28—30℃，中期(24—60h)控制品温30—35℃，后期(60—72h)控制品温30-33℃，并同时在24h后开始第一次通风，每次通风时间为3min，翻曲时间在培养40—42h后进行，翻拌时再接入经逐级扩大培养酒精酵母液4％—8％并把发酵物料的含水量控制在50％—60％，翻曲次数在3—4，多菌种共发酵30-32h结束。然后进行出曲烘干，将培养后的曲子放入烘干箱中进行干燥处理，前期(24h)内烘干温度在35—40℃，然后把烘干温度调到40—45℃至曲子干透，并使曲子的含水量在10％-15％就可以出曲。出曲后进行粉碎，粉碎时曲品的温度为55℃。干燥磨碎后的曲子即为预处理植物体物料的糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮。
预处理植物体物料生醇发酵：取预处理植物体物料500克，加入8％-28％麸皮(禾本)或35％-48％麸皮(木本)，然后将此物料加入到其质量2.2—4倍的30—35℃的水中，然后用氢氧化铵与氢氧化钙克分子浓度比1：7的碱水溶液中和其PH值到4-5，经加入其固体质量0.6％—1.2％糖化发酵酒曲，制得糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮与生醇发酵生产醪液，醪液拌匀后置入发酵器中(以3000毫升的三口瓶代替)，在28℃—30℃下发酵24h后，把品温调到30—35℃发酵2—3d，此发酵期每天应搅动1—2次，然后再把品温调到30—33℃发酵1—2d后发酵结束。此发酵成熟醪液经无菌过滤精馏获得共沸酒精，此酒精可再经脱水后即可获得99.9％酒精溶液。把过滤获得的固态物料经35℃—45℃干燥后，即获得预处理植物体糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮产品。
这是本工艺的单级间歇操作过程，当然本工艺也可进行单级半连续操作处理和多级全连续操作处理，其半连续操作处理的工艺过程是：把上述单级间歇操作处理过程结束后所得到成熟醪液一部分送去精馏，把另外部分重新加入新料形成新的发酵醪液，再进行单级操作，控制过程同上进行半连续发酵。其连续法操作处理是把其间歇处理过程中所获得的前期发酵醪液在连续添加新料的基础上经溢流(或输送)到下一级反应器(三口瓶)，再进行中期发酵，等到第二级反应器(三口瓶)的醪液完成中期发酵后，再溢流(或输送)到下一级反应器中进行后期发酵，完成第三级发酵后，即可溢流(或输送)到过滤工段进行精馏处理与脱水处理，控制操作温度与时间同上。此过程要求在高度无菌的环境下操作处理。当然此全连续处理过程其糖化发酵酒曲的连续接入，是在其完成—全期发酵过程后由等效的一定量的发酵醪液回流来完成。
以上工艺过程有机氮源料的使用，也可用与麸皮量营养效价等效的其它有机氮源料混合料。
Claims (4)
1、植物体糖化发酵酒曲(菌体蛋白饲粮)与生醇发酵生产新工艺是把经除尘的撕碎或切片与磨碎植物体原料，以2.3％—6.5％硫酸(或者盐酸或者硝酸)水溶液浸透润湿后在湿度为85％—97％、温度为35℃—65℃的流通空气中紫外线照射下进行连续处理或者在25℃以上气温环境下自然晒制，并经过夜陈化重复晾晒处理，直至植物体内外均易于碾碎后，干燥磨碎，此磨碎物料即为植物体糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮生产预处理基料，也为植物体生醇发酵生产预处理原料。此基料与原料经加入一定量有机氮料(应包括微生物培养生长所需生长因子)无机氮料、水，调其PH值到4-5，接入复合菌曲，就可以进行糖化发酵酒曲(或菌体蛋白饲粮)生产或生醇发酵生产，其特征是：将预处理植物体物料中加入8％-28％麸皮(禾本)或35％-48％麸皮(木本)，再加入70％—80％的水后以氢氧化铵与氢氧化钙克分子浓度比1∶7的碱水溶液中和其PH值到4-5，并充分搅拌均匀后，然后，将此物料中均匀接入其固体含量质量分数0.3％—0.5％的经多级逐步扩大培养种曲(木霉菌与黑曲霉比例为1∶1的复合菌种)，在28℃—35℃下发酵培养，发酵培养40—42h后再接种经逐级扩大培养酿酒酵母液4％—8％进行多菌株共发酵，共发酵30h-32h发酵培养结束，然后进行出曲烘干，烘干温度控制在35℃—45℃，前期(24h)内控制在35—40℃，然后把烘干温度调到40—45℃至曲子含水10％—15％就可以出曲，出曲后进行粉碎，粉碎时品温不超过55℃，曲子烘干粉碎后，即获得预处理植物体物料的糖化发酵酒曲(或菌体蛋白饲粮)。然后再将上述加入麸皮的植物体加其质量2.2-4倍水用上述碱水溶液中和其PH值为4-5，接入其固体含量0.6％—1.2％的糖化发酵酒曲后在28℃—35℃下发酵4d—6d后，即制得成熟发酵醪液，醪液经无菌过滤精馏获得共沸酒精，此酒精经脱水可获得99.9％酒精溶液。滤出的固态物料经35-45℃干燥后获得预处理植物体糖化发酵酒曲或菌体蛋白饲粮。上述工艺过程也可进行半连续操作或连续操作。其工艺过程有机氮源料的使用，也可用与麸皮量营养效价等效的其它有机氮源料配合料。
2、根据权利要求1所说的在28℃—35℃下发酵培养，其特征是：前期(24h内)培养品温在28℃—30℃，中期(24—60h)品温在30℃—35℃，后期(60—72h)控制品温在30℃—33℃，并同时在24h小时后开始第一次通风，每次通风时间不超过3min。翻曲时间在培养40—42h后进行，翻曲次数在3—4次，发酵物料的含水量控制在50％—60％。
3、根据权利要求1所说的在28℃—35℃下发酵4d-6d后，即制得成熟醪液，其特征是：进行糖化发酵前期品温控制在28℃—30℃，此发酵期为24h，主发酵期品温控制在30—35℃，此期间每天应搅动醪液1-2次，并维持2-3d，后发酵期品温控制在30℃-33℃，时间需维持1-2d。
4、根据权利要求1所说的半连续操作或连续操作其特征是：把其单级间歇操作处理过程结束后所得到的成熟醪液不完全送去蒸馏，而是留下一小部分作为新添加预处理植物体物料的糖化发酵的菌种曲来使用进行重复间歇操作。其连续操作处理时，是把其间歇处理过程中所获得的前期发酵醪液在连续添加新料的基础上经溢流(或输送)到下一级反应器，再进行中期发酵，等到第二级反应器的醪液完成中期发酵后，再溢流(或输送)到下一级反应器中进行后期发酵，完成第三级发酵后，即可溢流(或输送)到蒸馏工段过滤精馏处理与脱水处理。此连续糖化发酵过程的糖化发酵酒曲的连续配比加入方式是其发酵醪液回流。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090930 |