多层分隔式生物反应器及该反应器用于发酵玉米醪生产酒精工艺

摘要

一种多层分隔式生物反应器是在发酵罐中置有由金属或硬质塑料及树脂等材料制的筛网粒子筐，粒子筐中放入固定化酵母凝胶体，当采用多层粒子筐时，各层粒子筐之间应有一定间隔，利用这种反应器，采用固定化细胞技术，由玉米醪生产酒精的工艺是选择聚乙烯醇为载体而制成固定化增殖酵母凝胶体，在发酵温度为35～40℃，pH值为3.5～6.0条件下进行发酵。其操作简单，反应速度快，发酵周期短，易控制，污染少，酵母活性寿命长。同传统工艺相比生产能力可提高3倍以上。

说明书

本发明为生物发酵工程提供一种适合于三相反应（固、液、气）的固定床多层分隔式生物反应器，同时提供一种利用这种反应器以玉米、谷类或薯类糖化醪为原料生产酒精的新工艺。

继60年代固定化酶技术后而兴起的多酶反应的固定化细胞技术已广泛用于工业发酵、医药、环境保护、分析化学以及动植物的组织培养等领域。固定化细胞技术在发酵工业方面的应用，进一步推动了生物技术的发展。固定化微生物细胞由于其制备比较简单、成本低廉、可反复活化，长期使用，打开了生物发酵技术连续化自动化生产的大门。实现上述细胞固定化技术生产的关键问题是选择适宜的固定化载体及设计生物反应器，其中固定化载体的选择主要按生产所用的原料进行选择，使其适应发酵工艺过程。而生物反应器主要是取决于实际生产效果，它决定固定化细胞技术能否在传统的生产中推广应用。近年来，国内外对生物反应器的研究愈来愈多。用于发酵工业的反应器总括可分为两大类：即流化床反应器和固定床反应器，但是这类反应器投资多、难于加工、技术较复杂。此外，我国目前发酵工业基本上均系传统的通用式发酵罐。虽然这种工艺生产能力低，发酵周期长，但要放弃现有的传统发酵设备，投入大量的资金用以建立新式的生物反应器也是不现实的。因此，设计一种简便的生物反应器，改造我国现有的发酵工业设备，实现固定化细胞技术，使发酵生产突破传统的模式，是生物工程中的一个亟待解决的问题。

本发明的目的在于设计一种新型生物反应器，对传统的通用型旧式发酵设备进行改造。此外，本发明的另一任务在于利用上述反应器，为以玉米谷类和薯类的糖化醪为原料，选择适当的固定化载体，实现固定化细胞技术生产酒精，即提供一种采用固定化细胞技术的发酵玉米糖化醪生产酒精的新工艺，并在发酵工业中得到广泛应用。

为实现上述目的，本发明设计了一种多层分隔式生物反应器，具体地说，本发明的多层分隔式生物反应器，其特征在于在发酵罐（通用式发酵罐）中置有一层或多层粒子筐，粒子筐是用金属（或硬质聚合树脂、塑料）等材料制成的筛网筐，筛网筐中放入固定化酵母凝胶体，使凝胶体不能流出粒子筐，但发酵液可通过粒子筐的筛网自由流化。粒子筐筛网的网目大小可按选取的细胞固定化载体性能和制成的凝胶粒的体积而定，一般可采用1～100毫米²网目。当采用多层粒子筐时，各层粒子筐之间应留有一定间隔，以利于发酵液在罐内流化及发酵过程中产生的气体的排放。此外，也可在粒子筐中（中心或均匀）设置一个或若干个排气管。附图1是本发明的多层分隔式生物反应器的结构示意图;附图2为粒子筐的结构示意图;下面结合附图1对本发明的反应器结构给予进一步详细地说明。

图中：1、发酵罐;2、粒子筐;3、排气管;4、支架;5、夹层;6、进料口;7、出料口;8、金属筛网筐;9、筛网筐盖。由图1、2所示的本发明多层分隔式生物反应器是在发酵罐1中放置，由金属筛网筐8及筛网筐盖9制成的粒子筐2，粒子筐2中放有带孔排气管3，图1所示为四层粒子筐，各粒子筐之间留有一定间距，排气管3既起到排放气体的作用，也作为粒子筐2的支承柱，粒子筐2通入支架4放置固定在发酵罐1中。发酵罐外的夹层5是其热交换层，通入水9或气）使发酵罐保持在一定的发酵温度。原料由发酵罐1的进料口6送入，发酵后产物由出料口7排出。上述是本发明的固定式多层分隔式生物反应器。可以用于各种发酵过程。同时，也可以对目前普遍应用的传统发酵设备进行改造，在原发酵罐中放入制备好的粒子筐，即可适用于固定化细胞技术进行发酵生产酒精。

本发明采用上述多层分隔式生物反应器，为以玉米、谷类及薯类等为原料发酵酒精的生产过程提供了一种新的工艺。其工艺流程如图3所示，下面结合附图3对其工艺方法进行详细描述。

图3中：11、种子培养;12、载体;13、固定化酵母凝胶体制备;14、酵母增殖培养;15、原料处理;16、糖化;17、发酵反应;18、蒸馏;19、成品。

按图3所示的酒精生产工艺流程，其固定化酵母凝胶体的制备过程为首先取酿酒酵母菌种，采用葡萄糖、蛋白胨、酵母膏、MgSO₄·7H₂O、KH₂PO₄·12H₂O等组成的培养基进行种子培养，即工序11种子培养;固定化酵母凝胶体制备13及酵母增殖培养14工序采用玉米糖化醪液作培养基，其固定化酵母凝胶体制备工序的特征在于选用聚乙烯醇（PVA）作为载体12，酿酒酵母菌经上述11～14工序处理后的固定化酵母凝胶体中听菌数不少于10⁶个/ml，并将其凝胶体放入反应器的粒子筐中。由于在固定化细胞发酵工艺中，反应器中固定化酵母凝胶体（固含率）的多少对酒精的生产力有明显的影响，适当加大固含率，酒精速度虽快，但生产力较低，固含率低的反应器内流体传质效果好，但生产酒精速度慢，一般发酵过程中固含率在7～20%，较佳的固含率在7～15%。制备酒精原料玉米的处理工序15及糖化工序16可参照常规操作方法进行。但由于固定化增殖细胞发酵工艺，增加了细胞密度而加速了发酵反应，从而大大缩短了发酵周期。因此要求糖化工序的糖化率要高（初始可发酵性糖度高），可在较短的时间内快速完成发酵，其玉米醪的糖化率应在80%以上。糖化16反应在58～60℃下进行，糖化后醪液经冷却送入本发明提供的生物反应器内进行发酵反应，其发酵周期短，提高酒精生产力，且可实现半连续性发酵。其发酵反应温度控制在25～40℃，pH值控制在3.5～6.0。经上述发酵反应17后，发酵醪进行蒸馏18处理即可得到成品酒精19。其处理工序与传统工艺方法相同。下面通过实施例对本发明的技术给予进一步的说明。

实施例1，多层分隔式生物反应器

按附图1、2所示反应器的结构制作本发明容积为1000立升的反应器，它采用4层粒子筐，粒子筐体积占发酵罐体积的30%～40%，粒子筐用不锈钢丝筛网制成，网目为5×5毫米²，粒子筐中心有一内径为100毫米的多孔钢管，作为排气管，四层粒子筐分别固定在多孔钢管上。粒子筐放在支架上固定在发酵罐内制成多层分隔式生物反应器。

实施例2，固定化增殖酵母发酵玉米醪制酒精

利用实施例1所述的容积为1000立升的反应器，以玉米为原料，并按图3所示工艺流程制备酒精。其固定化酵母凝胶体的制备，选聚乙烯醇（PVA）为载体，酿酒酵母经11～14工序处理制成固定化增殖酵母凝胶体，并按7%固含率将凝胶体等分装入反应器的四个粒子筐中。按传统工艺方法处理玉米原料，其糖化过程在58～60℃下进行，玉米醪的糖化率为80%。糖化后的醪液冷却到30℃送入反应器中，发酵温度为33～35℃，醪液中的游离细胞数在10⁶～10⁷个/ml，细胞出芽率为13%左右。醪液初始糖度为17～20%，发酵反应进行20小时，发酵后醪液残糖为0.2～0.7%，酒精含量9.0～11.8%V/V，其理论转化率大于90%。上述酒精制备过程连续化进行2个月其固定凝胶体内的酵母发酵活性仍没有明显变化。

由上述本发明的多层分隔式生物反应器能满足固定化细胞技术对反应器的要求，其设备制造简单。利用这种反应器，并选用聚乙烯醇为载体制成的固定化增殖酵母凝胶体，用于玉米醪生产酒精，其工艺技术操作简单，稳定可靠，易于放大，与传统发酵过程比较，发酵醪中终酒精浓度达到10%（V/V）时，固定化细胞发酵时间可由原工艺72小时缩短到20小时左右，生产能力可提高3倍以上。此外，这种新工艺不但具有反应速度快，发酵周期短，生产力高、易控制外，还具有减少污染，酵母活性寿命长等特点。同时，本发明的技术还可以用于对现有的传统发酵技术的改造，其投资少、收效快，是推广固定化细胞这一先进技术的行之有效的手段。此外本发明提供的技术也可以在啤酒或其它发酵工业中广泛得到应用。