专利名称：一种提高淀粉原料发酵酒精产率的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高淀粉原料发酵酒精产率的方法，属工业微生物发酵工程技术领域。
背景技术：
目前发酵生产酒精广泛采用半开放或开放状态连续进行，因此在发酵过程中容易发生杂菌污染。另外，发酵所使用的菌种存在耐高渗透压力能力不强，耐高浓度酒精能力不强等缺点。使酒精发酵的起始糖浓度偏低，杂菌因此更易生长，从而降低了糖的利用率，遏制了酵母的生长和发酵，使酒精转化率大为减少。同时，随着发酵的进行，酒精浓度不断上升，最后产生了底物的遏制作用，导致酒精终浓度偏低，一般体积百分比在7-10％(后同)之间变动。虽然采用固定化技术可以把酒精终浓度稳定在8-9％左右，但染菌和底物的遏制问题仍然没有解决。其主要原因是传统酒精发酵工艺所采用的单一酵母菌，在发酵全过程中，随着发酵液的含糖量不断降低、酒精浓度不断上升，很难始终保持最好的发酵生产酒精的能力。
在生产过程中为了防止杂菌污染，常采用添加大量硫酸的方法来抑制杂菌的生长，造成发酵废液pH值过低，毒性增大，对环境污染严重。酒精废液的污染治理一直是酒精生产重点投资的部分，治理程度的好坏直接影响到酒精生产企业的生存。
目前以淀粉质原料发酵生产酒精，多采用双酶法将淀粉质原料水解，以此为发酵基质生产酒精。生产中过多注重了淀粉的糖化率和糊化率，没有有机地将糖化醪中糖的成分与酵母菌的生长相联系，使糖化醪中葡萄糖含量偏高或偏低，造成糖化醪对酵母菌的酒精发酵抑制，结果导致整个酒精过程转化率偏低。
本发明人发明的“利用耐高浓度糖和酒精的酵母菌发酵生产酒精的方法(ZL031179312)”，对糖蜜酒精现有技术中存在的问题有所改进，本发明针对淀粉质原料酒精存在的问题进行改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现行淀粉质生产酒精工艺之不足，提供一种利用耐高渗溶液的酵母菌发酵生产酒精、降低酒精生产成本，减少废液污染的方法。本发明通过菌株选育，获得一株对高浓度酒精具有耐受性又能耐受高浓度糖的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)1912菌株(保藏号CGMCCNo.0806，中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心2002年10月9日保藏)，使其能在利用现行酒精发酵生产设备的前提下，在较高渗透压的高渗溶液中发酵生产酒精，从而提高发酵液中酒精含量，增加酒精产出，降低酒精废液污染，降低酒精生产成本。
本发明是这样实现的本发明的酒精生产经过淀粉原料预处理、酒精发酵、蒸馏三个步骤完成，具体如下淀粉原料进行双要酶法预处理首先，把淀粉原料粉碎(粒度20-60目)、水浸搅拌、膨化，配制成生产所需浓度的淀粉液。其次，将上述淀粉液升温到淀粉的糊化温度进行糊化，然后与淀粉酶混匀，进行液化，其温度应控制在65-88℃，保温1-3.5小时。再其次，将液化淀粉液进行蒸煮，其温度应控制在90-105℃，保温0.5-1.5小时最后，将蒸煮后的液化液与糖化酶混合，进行糖化，其温度应控制在55-65℃，保温1-2.5小时。至此完成淀粉原料的预处理，称为糖化醪。
酒精发酵将1912菌株按微生物发酵常规液体种子培养方法、以麦芽汁培养基(取啤酒厂用麦芽汁10婆美度)进行培养，当每毫升培养液含酵母菌数达到1×108个时，按发酵罐培养液1/10-1/15的量放入发酵罐中进行第一阶段菌体培养，当发酵罐内每毫升培养液含酵母菌数达到108个时，进行第二阶段酒精生产发酵；也可将该酵母菌菌株按常规的方法固定在载体上，再进行两阶段发酵生产酒精。其中第一阶段称为种子培养阶段，整个阶段连续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气3-10分钟；第二阶段称为发酵阶段，整个阶段保持间隙搅拌或间断通入无菌空气，即每间隔2小时通气1-5分钟。
利用该酵母菌菌株进行发酵生产酒精的两个阶段可在一个发酵罐内进行也可在多个发酵罐内进行。
酒精发酵全过程中，pH值控制在3.8-5.0、温度控制在26℃-36℃、发酵所用时间为36-48小时。
蒸馏按现行常规酒精生产蒸馏方法进行。
本发明所采用的酵母菌菌株1912具备以下特征(1)基本生理特征细胞圆形、卵圆形或洋梨形。在幼年菌落中，细胞为4～14×3～7微米，长和宽的比率是1∶1～2∶1；在麦芽汁中沉淀。子囊孢子圆形，平滑。
(2)酵母菌菌株1912是酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)通过分子生物学方法，使乙醇脱氢酶基因缺失或不表达而获得的变异菌株，具有能耐受高浓度糖和高浓度酒精的优点。酵母菌株乙醇脱氢酶基因缺失或不表达可通过物理、化学或分子生物学的方法达到，也可通过物理或化学诱变以及分子生物学的方法获得。
(3)酵母菌菌株1912同酒精生产所使用的其它酿酒酵母菌菌株及原出发菌株相比，能耐受较高浓度的酒精和糖。其耐受的糖重量百分比浓度最高达35％；酒精体积百分比浓度最高达20％，并在此条件下具有良好发酵生产酒精的能力。
固定化载体的制作方法第一步菌体制备。通过液体无菌培养的方法(按《工业微生物学实验手册》，化学工业出版社)，获得10毫升菌体量为每毫升培养液含108个菌体(计数方法按《微生物学实验》，高等教育出版社)的菌液。培养条件30℃，自然pH值，保持通入无菌空气。培养基采用麦芽汁培养基(取啤酒厂用麦芽汁10婆美度)。第二步将10克聚乙烯醇加80克水，加热溶化，保持体积在90毫升(不足部分加水补足)，待冷却至50-55℃时，加入8克硅藻土、2克膨润土，加入预先制备好的菌液，混合均匀，放入容器，置于不高于-4℃冰箱过夜(24小时)。第三步，将冰箱中的固定菌体取出，脱离容器，50℃烘干4小时，成为成品。
本发明具有实施方便，提高酒精发酵过程中发酵液的酒精含量，从而降低发酵生产酒精的生产成本，减少发酵废液的排放量。
附图为多级连续化酒精发酵生产设备流程图。
具体实施例方式一、单级发酵生产酒精实施例一首先，将淀粉原料进行双要酶法预处理第一，把淀粉原料粉碎(粒度20-60目)、水浸搅拌、膨化，配制成一定浓度的淀粉液。第二，将上述淀粉液升温到淀粉的糊化温度进行糊化，然后与淀粉酶混匀，将温度升至65℃，进行液化，保温3.5小时，控制液化率92％，糊化率82％，然后继续将温度升至90℃，保温半小时。第三，将原料冷却降温至55℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温2.5小时，此时的pH值应控制在4.0，控制糖化率37％，糖含量14％。至此完成淀粉原料的预处理，称为糖化醪。
其次，酒精发酵将1912菌株按微生物发酵常规液体种子培养方法、以麦芽汁培养基(取啤酒厂用麦芽汁10婆美度)进行培养，经摇瓶、种子罐等一系列培养后，当每毫升培养液含酵母菌数达到1×108个时，按发酵罐培养液1/15的量投入90M3发酵罐中进行培养，其中含有10-15M3糖浓度为10％的灭菌培养液，葡萄糖含量1.5％。温度控制在28℃，pH值控制在4.5，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气3分钟。检查培养液中酵母菌菌体量，达到每毫升培养液含酵母菌108个时，加入含糖14％的培养液，葡萄糖含量2.5％，温度控制在28℃，pH值控制在4.5，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气2分钟，培养38小时。
最后，蒸馏按现行常规酒精生产蒸馏方法进行。
实施例二具体操作同实施例一，不同之处首先，将淀粉液与淀粉酶混匀，将温度升至75℃，进行液化，保温2小时，控制液化率94％，糊化率88％，然后继续将温度升至95℃，保温1小时，然后将原料冷却降温至60℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温2小时，此时的pH值应控制在4.5，控制糖化率48％，糖含量18％。其次，种子罐培养液酵母菌数达到1.5×108个时，按发酵罐培养液1/15的量投入90M3发酵罐中进行培养，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气6分钟。最后，检查培养液中酵母菌菌体量，达到每毫升培养液含酵母菌108个时，加入含糖20％的培养液，葡萄糖含量4.0％，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气4分钟，培养46小时。
实施例三具体操作同实施例一，不同之处首先，将淀粉液与淀粉酶混匀，将温度升至85℃，进行液化，保温1小时，控制液化率97％，糊化率91％，然后继续将温度升至105℃，保温半小时，然后将原料冷却降温至65℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温1小时，控制糖化率48％，糖含量24％，此时的pH值应控制在4.8。其次，种子罐培养液酵母菌数达到1.9×108个时，按发酵罐培养液1/15的量投入90M3发酵罐中进行培养，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气10分钟。最后，检查培养液中酵母菌菌体量，达到每毫升培养液含酵母菌108个时，加入含糖24％的培养液，葡萄糖含量5.5％，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气5分钟，培养50小时。
二、多级发酵生产酒精实施例四首先，将淀粉原料进行双要酶法预处理第一，把淀粉原料粉碎(粒度20-60目)、水浸搅拌、膨化，配制成一定浓度的淀粉液。第二，将上述淀粉液升温到淀粉的糊化温度进行糊化，然后与淀粉酶混匀，将温度升至65℃，进行液化，保温3.5小时，控制液化率92％，糊化率82％，然后继续将温度升至90℃，保温半小时。第三，将原料冷却降温至55℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温2.5小时，此时的pH值应控制在4.0，控制糖化率37％，糖含量14％。至此完成淀粉原料的预处理，称为糖化醪。
其次，酒精发酵按说明书附图生产流程，将1912菌株制成固定化载体放入90M3发酵罐(种子培养罐或第一只发酵罐)中进行培养，其中含有10-15M3糖浓度为10％的灭菌培养液，葡萄糖含量1.5％。温度控制在30℃，pH值控制在4.5，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气3分钟。检查培养液中酵母菌菌体量，达到每毫升培养液含酵母菌1×108个时，在种子罐中连续加入种子培养液，通过液体的自然流动，当第二只发酵罐内有种子罐的过液时，在第二只发酵罐中连续加入含糖14％的培养液，葡萄糖含量2.5％的发酵培养液。温度控制在30℃，pH值控制在4.5，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气2分钟，培养38小时。
其中，种子培养罐体积(第一只发酵罐)与发酵罐(第二只发酵罐)体积比为1-1.2∶1。
第三，蒸馏按现行常规酒精生产蒸馏方法进行。
实施例五
具体操作同实施例四，不同之处首先，将淀粉液与淀粉酶混匀，将温度升至75℃，进行液化，保温2小时，控制液化率94％，糊化率88％，然后继续将温度升至95℃，保温1小时，然后将原料冷却降温至60℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温2小时，此时的pH值应控制在4.5，控制糖化率48％，糖含量18％。其次，种子罐培养液酵母菌数达到1.5×108个时，在种子罐中连续加入种子培养液，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气6分钟。最后，第二只发酵罐中连续加入含糖20％的培养液，葡萄糖含量4.0％，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气4分钟，培养46小时。
实施例六具体操作同实施例四，不同之处首先，将淀粉液与淀粉酶混匀，将温度升至85℃，进行液化，保温1小时，控制液化率97％，糊化率91％，然后继续将温度升至105℃，保温半小时，然后将原料冷却降温至65℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温1小时，控制糖化率48％，糖含量24％，此时的pH值应控制在4.8。其次，种子罐培养液酵母菌数达到1.9×108个时，在种子罐中连续加入种子培养液，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气10分钟。最后，第二只发酵罐中连续加入含糖24％的培养液，葡萄糖含量5.5％，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气5分钟，培养50小时。
实施例七具体操作同实施例四，不同之处首先，将淀粉液与淀粉酶混匀，将温度升至85℃，进行液化，保温1小时，控制液化率97％，糊化率91％，然后继续将温度升至105℃，保温半小时，然后将原料冷却降温至65℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温1小时，控制糖化率48％，糖含量24％，此时的pH值应控制在4.8。其次，种子罐培养液酵母菌数达到1.9×108个时，在种子罐中连续加入含糖24％，葡萄糖含量5.5％的培养液，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气5分钟。培养50小时。
实施例八具体操作同实施例四，不同之处首先，将淀粉液与淀粉酶混匀，将温度升至85℃，进行液化，保温1小时，控制液化率97％，糊化率91％，然后继续将温度升至105℃，保温半小时，然后将原料冷却降温至65℃，按糖化酶要求加入糖化酶，保温1小时，控制糖化率48％，糖含量24％，此时的pH值应控制在4.8。其次，种子罐培养液酵母菌数达到1.9×108个时，在种子罐中连续加入含糖24％，葡萄糖含量5.5％的培养液，保持持续或间断通入无菌空气，即每间隔1小时通气3分钟。最后，当第二只发酵罐中发酵液达到一半时，在第二只发酵罐中连续加入含糖24％，葡萄糖含量5.5％的培养液，保持间隙搅拌或每2小时通无菌空气3分钟，种子罐和发酵罐的进料比为1∶1-1.2。培养50小时。
表.云南省曲江糖厂1912菌株多罐发酵结果
权利要求
1.一种提高淀粉原料发酵酒精产率的方法，经淀粉原料预处理、酒精发酵、蒸馏三个步骤完成，其特征在于1.1淀粉原料预处理步骤a.在常规密闭设备中，把淀粉原料经过双酶法预处理，其液化率≥92％、糊化率≥82％，其糖化率为37％-56％；b.淀粉液化温度控制在65-88℃，液化淀粉液蒸煮温度应控制在90-105℃，糖化温度应控制在55-65℃；c.淀粉液化保温1-3.5小时，蒸煮保温0.5-1.5小时，糖化保温1-2.5小时；1.2酒精发酵步骤a.采用1912菌株进行酒精发酵，生产菌株为(Saccharomyces cerevisiae)1912，保藏号CGMCCNo.0806，保藏日2002年10月9日，保藏单位中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心；b.在酒精发酵的种子培养阶段每间隔2小时通入无菌空气3-10分钟，在酒精发酵阶段保持间隙搅拌或间断通入无菌空气，即每间隔2小时通气1-5分钟；c.种子罐中培养液酵母数达到1.0-1.9×108个/ml，酒精含量不低于整个酒精发酵过程完成后总酒精含量的60％；种子培养罐中培养液的葡萄糖含量为0.5％-5.5％；d.采用浓醪发酵，其糖化醪糖浓度最高可达30％；e.该方法可采取种子培养阶段和发酵阶段或者种子罐和发酵罐连续加入相同浓度、量或不同浓度、量的培养液；f.在发酵过程中不需要添加硫酸。
全文摘要
一种提高淀粉原料发酵酒精产率的方法，属工业微生物发酵工程技术领域。本发明经淀粉原料预处理、酒精发酵、蒸馏三个步骤完成。发酵过程选用生产菌株，生产菌株为(Saccharomyces cerevisiae)1912，保藏号CGMCCNo.0806，保藏日2002年10月9日，保藏单位中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。本发明按现行双酶法水解淀粉，将淀粉水解后，再利用耐高渗溶液的酵母菌进行发酵产生酒精，在发酵过程不添加硫酸，从而在相等原料条件下提高发酵液中酒精含量，降低发酵废液毒性及排放量。本发明具有实施方便，提高酒精发酵过程中发酵液的酒精含量，从而降低发酵生产酒精的生产成本，减少发酵废液的排放量等优点。
文档编号C12P7/06GK1814763SQ200510048708
公开日2006年8月9日 申请日期2005年12月20日 优先权日2005年12月20日
发明者乔敏, 张克勤, 余泽芬, 周薇 申请人:云南大学