[發明專利]一種惰性氣體強化乙醇固態發酵新方法

在審

• 申請號: 201811344202.2
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN111172199A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 王嵐;劉陽;陳洪章
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C12P7/10
• 分類號: C12P7/10
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

纖維素乙醇固態發酵因難以維持較好的厭氧環境而未能實現高效生產。本發明提供了一種以惰性氣體作為介質，以周期脈動為強化手段，實現纖維素乙醇的高效固態發酵。研究結果表明，在30％的固形物載荷下，氮氣脈動固態發酵體系中乙醇濃度可達到39.9％，而對照組為21.7％。葡萄糖消耗速率從0.19g/(L·h)增加至0.77g/(L·h)。該氮氣脈動強化乙醇固態發酵新方法主要有三個優點：(1)以氮氣為介質，為酵母發酵提供了厭氧環境；(2)采用周期氮氣強化方法，強化體系內部質熱傳遞過程；(3)在高固體系下實現了纖維素乙醇的生產，減少水的排放。

技術領域

本發明涉及一種惰性氣體強化乙醇固態發酵新方法，屬于生物化工領域。

背景技術

生物質高固轉化是實現生物質高效轉化和經濟性的重要研究方向。纖維素乙醇是一種清潔生物燃料，為保證其經濟性，發酵體系中產物濃度必須高于4％，此時的固相物含量要大于20％。此時，體系厭氧環境的維持和發酵過程強化成為制纖維素乙醇的重要問題。

相比于液態發酵，高固形物含量導致嚴重的水束縛，因而導致體系中的質熱傳遞效率較低，因此強化高固體系的傳質過程對提高秸稈等生物質轉化下效率具有重要意義。不同固定物含量的體系呈現出不同的理化特性。以玉米秸稈生物轉化過程為例，當體系中固形物含量低于15％，體系內部物料的宏觀混合可采用傳統的機械攪拌實現。當固形物含量為15％-25％時，傳統的機械攪拌表現出在該體系下的不適應性，具體表現為攪拌能耗急劇升高，多孔生物質內部物質傳遞效率較低。傳統機械攪拌方式對此高固反應體系的不適應性對高固反應體系的強化策略提出新的要求。目前過程強化的方式有自由墜落式反應器，其通過物料受重力墜落實現物料的宏觀混合。在以前研究中，本課題組模擬食物消化過程胃的蠕動提出的新型的周期蠕動強化策略，法向力的周期加載，可使物料達到微觀尺度的混合，強化物質傳遞過程，從而提高玉米秸稈的轉化效率。

但是，隨著固形物含量的增加，體系中毛管水急劇減少，生物質多孔介質內部為氣相共存的狀態。體系的特征由以液相為連續相轉變為以氣相為連續相。因此，本發明提出以氮氣驅動高固生物體系內部物質傳遞過程。此時，可利用氣體無孔不入的特性，通過調控空氣的進入和排除，達到驅動孔隙內部物質遷移過程。同時，采用氮氣作為介質，為微生物厭氧發酵提供較好的厭氧環境。

發明內容

本發明目的是實現纖維素乙醇的固態發酵，并采用惰性氣體脈動的方法提高乙醇發酵效率。酵母發酵產生乙醇的方式為厭氧發酵，在固態發酵體系下，難以保證體系的厭氧環境。同時，固態體系下缺乏有效的外部強化措施，導致體系內質熱傳遞效率較低。因此，本發明采用惰性氣體作為強化介質，為發酵菌種營造厭氧環境，并采用脈動的方式，周期強化體系內部的質熱傳遞過程。從而提高纖維素乙醇的發酵效率。

本發明提出的一種惰性氣體強化乙醇固態發酵新方法，主要操作步驟如下：

(1)取發酵原料覆水15-30％；

(2)將覆水后的物料放入汽爆罐中，壓力維持在0.3-1.5Mpa，維持1-20min，瞬間釋放壓力，收集物料，風干備用；

(3)取一定量的物料，加入pH 4.8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，調整固體載荷15-40％，121℃滅菌30min；

(4)在冷卻的物料中加入15-30FPU/g干料的纖維素酶和適量的活化酵母，置于惰性氣體脈動反應器中；

(5)通過控制面板設置反應溫度，惰性氣體脈動壓力和周期。反應結束后測定發酵體系中乙醇含量。

本發明主要優點如下：(1)以惰性氣體為介質，為酵母發酵提供了厭氧環境；(2)采用周期惰性氣體強化方法，強化體系內部質熱傳遞過程；(3)在高固體系下實現了纖維素乙醇的生產，減少水的排放。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明做進一步說明。