[发明专利]适用于纤维素乙醇生产的低温灭菌方法

说明书

技术领域

    本发明属于纤维素乙醇发酵领域，具体的说，涉及一种适用于纤维素乙醇生产的低温灭菌方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭，消耗化石能源所带来的气候变暖、环境恶化等现象的出现，人们迫切的希望找到一种可再生的清洁能源作为化石能源的替代品，在满足消耗需求的同时减少对环境的破坏。燃料乙醇作为一种可再生的清洁能源，从上世纪70年代在美国、巴西开始推行，由于初始推行的燃料乙醇大多数是通过玉米等淀粉质粮食作物为原料，导致世界粮食价格的上涨，形成了与人争粮的局面，制约了其大规模推广。随着纤维素酶技术的发展，纤维素乙醇技术的开发和纤维素酶商业化生产正渐成气候和规模。

在纤维素乙醇的生产策略中，同步糖化与发酵技术（SSF）被认为比较经济，且能节约发酵时间、消除产物抑制，适合大规模推广。通过将纤维素原料、乙醇发酵菌株及纤维素酶在发酵初始阶段同时投入发酵罐中，在纤维素酶降解纤维素生成葡萄糖的同时乙醇发酵菌株消耗掉生成的葡萄糖，使得整个发酵过程中葡萄糖的含量维持在一个很低的浓度，大大的降低了由于葡萄糖的积累所导致的酶解抑制现象，提高了酶解的效率；同时也减少了葡萄糖大量用于发酵菌株生长所带来了转化率下降的问题的发生。

在同步糖化与发酵技术中为保证发酵过程没有外源菌的污染，发酵培养基要事先通过湿热蒸汽进行灭菌处理，以消除外源杂菌。然后加入已除菌的酶液并接种培养好的发酵菌株。该种灭菌方法存在着一些弊端：1.木质纤维素原料在115~121℃的湿热蒸汽灭菌下容易生成糠醛、多酚化合物，该类物质是纤维素酶的抑制剂，极大的抑制纤维素酶于纤维素的结合，降低酶解效率；2.高浓度纤维素乙醇发酵过程中要保证最终乙醇的浓度提高必须要提高前期纤维素原料的浓度，由于纤维素原料多为不溶于水的固体物质，所占的体积比较大湿热蒸汽灭菌时大量的冷凝水会导致发酵体积变大最终影响发酵浓度；3.由于纤维质原料高浓度下会导致发酵液变粘影响传热，因而在影响发酵体积的同时也会导致热量利用率的低下，造成灭菌能耗过大，大大的提高了成本；4.由于一般的纤维素酶最适酶活在50℃左右，而目前的耐高温发酵菌株一般在30~40℃，存在最适矛盾冲突，为保证发酵菌株的存活选择在纤维素酶催化效率较低的温度下进行发酵，大大的降低了纤维素酶的催化效率，使得发酵周期延长。

发明内容

本发明的目的是：提供一种适用于纤维素乙醇生产的低温灭菌方法，针对以上4点同步糖化及发酵技术的不足，该低温灭菌方法在保证不染杂菌的同时兼顾纤维素酶的催化效率，消除传统灭菌方式产生的抑制产物，减少能耗利用，节约灭菌成本。

本发明的技术解决方案是该低温灭菌方法包括以下步骤：

（1）称取定量的经过预处理的纤维素原料及培养基的其他组分直接加入发酵罐中；

（2）根据最终发酵体积加入定量的纤维素酶酶液并升温至50~65℃，保温1~3h，降温至乙醇发酵菌株的发酵温度；

（3）通过无菌接种的方式加入培养好的乙醇发酵菌株种子悬液，维持罐压在0.01~0.02Mpa，控制合适的条件进行厌氧发酵直至发酵结束。

其中，步骤1）中的纤维素原料的来源为可再生的木质纤维类生物质的玉米秆、稻草，或为造纸、纺织工业所产生的纤维质相关的原料。

其中，步骤1）中的纤维素原料的预处理方式为化学处理的酸处理、碱处理，或物理处理的射线处理、机械处理，或生物处理及气爆处理，或为几种处理方式的组合处理。

其中，步骤2）中的根据最终发酵体积加入纤维素酶酶液是指根据发酵所需的纤维素酶酶量，量取或称取定量的酶粉或酶液，用水稀释至扣除接种体积的最终发酵体积处，压入发酵罐中与前期投入的纤维质原料及其他营养成分混匀，或是直接压入体积为最终发酵体积减去种子体积的发酵粗酶液。

其中，步骤2）中所述的纤维素酶为一种或几种产纤维素酶的细菌或真菌发酵获得的酶液、酶粉，包含内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶及β-葡萄糖苷酶。

其中，步骤2）中的保温状态需要开启搅拌以加快物料混匀。