发酵工程(高等学校生物工程专业教材)

第四节 非淀粉质原料制备可发酵性糖 任务 1. 了解纤维素质原料预处理的方法。 2. 熟悉糖蜜预处理的方法。 一、木质纤维素制备可发酵性糖 废弃的农作物秸秆、森林木屑等木质纤维素在各地分布非常广泛,如何有效地利用这些生物资源已经受到世界各国的关注。目前,关于木质纤维素的利用研究主要集中在以木 质纤维素为原料生产燃料乙醇,弥补全球对化石燃料的依赖。由于不同种类的木质纤维素 组分中纤维素、半纤维素、木质素及其他成分的含量和比例均不相同,因此同一种预处理方法对于不同木质纤维素的预处理效果各不相同,降解产物的组成也有一定差异。从木质纤维素预处理水解产生糖的利用效率来分析,并非所有木质纤维素都适合生产燃料乙醇。 水解木质纤维素使纤维素和半纤维素分解成为单糖和低聚糖,再通过化学或生物化学法制 取乙醇、木糖、木糖醇、糠醛、乙酰丙酸等产品,对木质纤维素原料的综合利用将更加 合理。 木质纤维素原料必须经过预处理才能获得较高的转化率。通过预处理,将纤维素、半纤维素和木质素进行分离,打破纤维素的结晶结构,提高纤维素对酶的可及性,使纤维素 酶渗透进入纤维素,提高酶解纤维素的效率。 预处理是木质纤维素原料利用工艺中的关键技术环节,对后续工序和经济成本控制都 会产生重要影响。较好的预处理方法可以减少酶的用量,尽量降低纤维素和半纤维素在预 处理过程中降解产物的损失。通过对物理、化学、物理化学和微生物等预处理方法的研 究,建立一种高效、经济的获取各种糖的预处理平台,从而实现纤维素、半纤维素和木质 素高效分离的目的,同时减少降解产物糖的损失量。在预处理过程中充分考虑各种原料的 差异和特点,用水解得到的糖生产各种化工产品,这将更加具有经济性和可操作性,对木 质纤维素原料的综合利用也将更加具有意义。 1.纤维素质原料常规预处理 目前常规的预处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法?微生物法,这些方法都存在不同程度的问题。例如,机械粉碎法能耗高;微波处理法效率不高;碱处理法虽有较 强的脱出木质素和降低纤维素结晶度的能力,但木质素脱出的同时,半纤维素也被分解造 成损失,同时还存在试剂的回收、中和、洗涤等问题;氨处理、臭氧处理、中性溶剂处理 同样存在这样的问题;微生物法中白腐菌 (Phlebia)、褐腐菌等活性都不高,一般难以得 到应用。白腐菌具有一定的分解木质素的能力,但是白腐菌还能产生分解纤维素和半纤维 素的酶,造成纤维素和半纤维素的损失。 2000年,由美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 (NationalRenewableEnergyLaboratory, NREL)、奥本大学 (AuburnUniversity)等组成的合作团队专门研究生物质预处理技术, 他们以玉米秸秆为原料,分别对稀酸、氨水循环、氨爆破、石灰预处理等6种预处理方法 进行了优化和对比研究,从经济和效率各方面因素综合考虑,稀酸处理与氨爆破处理是两 种比较可行的处理方式。 常规稀酸预处理虽能增强反应能力,显著提高水解率,但常规稀酸预处理容易使降解 产物糖继续降解生成糠醛、甲基呋喃等小分子发酵抑制物,造成糖的损失。常规稀酸预处 理对设备有一定的腐蚀性,必须在糖发酵前将酸中和,处理温度较高,能耗相对较大,需 增加后续酸处理工艺。因此,采用更低浓度酸预处理木质纤维素将更具有意义。 2.超低浓度酸预处理 超低浓度酸水解是稀酸水解的一种新型工艺,因酸浓度非常低,对反应器材质要求相 对较低,而且酸液不需要回收,同时水解液中生成的抑制物较少,因此超低浓度酸水解经 济性较好,符合绿色环保的要求。近年来,超低浓度酸 (≤0.1%)预处理木质纤维素日 益受到重视。国内目前主要研究超低浓度酸预处理木质纤维素对水解液中还原糖得率和纤 维素转化率的影响等方面,缺乏对整个木质纤维素物料在预处理过程中变化情况的监控。 3.电解水预处理技术 研究发现,纯水在高温条件下会电离,使反应液形成一定的酸性,热水在一定压力下 可以穿透生物质细胞表皮结构,水解纤维素,除去半纤维素。其中,水的 pKa 受反应温度的影响,如当温度为200℃时,pH 大约为5.0。由于纯水具有特殊的高介电常数,使离 子化半纤维素游离并且分解。采用电解水预处理的优势是不需要使用额外的化学试剂。同时,相对于酸预处理来说,采用控制电解水的pH 的预处理方法可以很大程度地减少水解 得到的寡糖降解成副产物,避免水解得到的寡糖在高温条件下生成乙醛、糠醛等物质。 二、糖蜜制备可发酵性糖 糖蜜是糖厂产糖的副产物,又称糖浆、橘水,是制糖工业将压榨出的甘蔗、甜菜、柑 橘、玉米糖等的汁液,经加热、中和、沉淀、过滤、浓缩、结晶等工序制糖后所剩下的浓 稠液体。糖蜜含糖量很高,在50%以上,是一种非结晶糖分。糖蜜是很好的发酵原料,用 糖蜜原料发酵生产,可降低成本,节约能源,简化操作,便于实现高糖发酵工艺,有利于 产品得率和转化率的提高。糖蜜原料中,有些成分不适用于发酵。糖蜜中干物质浓度很 大,如果不进行处理,微生物无法生长和发酵。所以,在使用糖蜜原料时,可先进行处 理,以满足不同发酵产品的需求。糖蜜前处理程序包括稀释、酸化、灭菌及澄清等过程, 主要处理方法有加酸通风沉淀法、加热加酸沉淀法、添加絮凝剂澄清处理法三种方法。 1.糖蜜原料的分类及组成 根据来源不同,糖蜜分为甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和高级糖蜜等。甘蔗糖蜜是以甘蔗为原 料的糖厂 生 产 的 一 种 副 产 品,它 的 产 量 为 原 料 甘 蔗 的 2.5% ~3%,甘 蔗 糖 蜜 中 含 有30%~36%的蔗糖和20%的转化糖。甜菜糖蜜是以甜菜为原料的糖厂生产的一种副产品, 其产量占甜菜量的3%~4%,含蔗糖5%,转化糖1%。高级糖蜜是指在甘蔗榨汁 (糖浆) 中加入适量的硫酸或用酵母转化酶处理,制成转化糖。该糖蜜由于提高了溶解度,可使糖 浓度提高70%~85%。此外还有两种废糖蜜:一种是粗糖精制时分离出的糖蜜,称为粗糖 蜜;另一种是葡萄糖工业上不能再结晶葡萄糖的母液,称为葡萄糖蜜。 2.糖蜜的预处理 糖蜜的预处理,包括澄清和脱钙处理,对于生物素缺陷型菌株 (如谷氨酸生产菌), 还应该进行脱生物素处理。 (1)糖蜜澄清处理 糖蜜中由于含有大量的灰分和胶体,不但影响菌体生长,也影响 产品的纯度,特别是胶体的存在,致使发酵中产生大量的泡沫,影响发酵生产。因此,糖 蜜应进行适当的澄清处理。 (2)谷氨酸发酵中糖蜜的预处理 目前,谷氨酸发酵中使用生物素缺陷型菌株。发酵培养基中的生物素为5μg/L左右,而糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中的生物素含量为1~10μg/g,显然不适合谷氨酸的发酵。因此,在使用糖蜜为原料发酵生产谷氨酸时,必须想方设法降 低糖蜜中生物素含量,一般通过活性炭处理法、树脂法以吸附生物素,以及用化学药剂拮 抗生物素或使用其他营养缺陷型菌株 (如氨基酸缺陷型菌株、甘油或油酸缺陷型菌株、精 氨酸缺陷型菌株等)。通过改进生产工艺,如添加青霉素,改变细胞的渗透性,即使培养 基中生物素含量高,细胞膜仍可使谷氨酸向外渗透,因而不影响谷氨酸产量。 思考题 1.简述淀粉水解的原理以及一般工艺。 2. 简述糖蜜原料的性质和预处理方法。 3. 简述甘蔗糖蜜制备可发酵性糖的工艺流程。