发酵对分离的影响

【专家解说】：发酵 汉词“发酵”作为名词表示一个过程，作为动词表示一种行动。 (1)微生物生理学严格定义的“发酵”: 有机物被生物体氧化降解成氧化产物并释放能量的过程统称为生物氧化。 微生物生理学把生物氧化区分为呼吸和发酵，呼吸又可进一步区分为有氧呼吸和无氧呼吸。因此，发酵是生物氧化的一种方式。 发酵是这样一种生物氧化方式：在没有外源最终电子受体的条件下，化能异养型微生物细胞对能源有机化合物的氧化与内源的（已经经过该细胞代谢的）有机化合物的还原相耦合，一般并不发生经包含细胞色素等的电子传递链上的电子传递和电子传递磷酸化，而是通过底物（激酶的底物）水平磷酸化来获得代谢能ATP；能源有机化合物释放的电子的一级电子载体NAD,以NADH的形式直接将电子交给内源的有机电子受体而再生成NAD，同时将后者还原成发酵产物（不完全氧化的产物）。 细胞中的NAD是有限的，如果作为一级电子载体的辅酶NAD不能得到再生，就不能被回用，有效的电子载体就会愈来愈少，脱氢反应就不能持续进行下去了。因此辅酶NAD的再生是生物氧化（包括发酵）继续进行下去的必要条件。 (2)工业生产上定义的发酵——“工业发酵” 工业生产上笼统地把一切依靠微生物的生命活动而实现的工业生产均称为“发酵”。这样定义的发酵就是“工业发酵”。工业发酵要依靠微生物的生命活动，生命活动依靠生物氧化提供的代谢能来支撑，因此工业发酵应该覆盖微生物生理学中生物氧化的所有方式：有氧呼吸、无氧呼吸和发酵。 近百年来，随着科学技术的进步，发酵技术发生了划时代的变革，已经从利用自然界中原有的微生物进行发酵生产的阶段进入到，按照人的意愿改造成具有特殊性能的微生物以生产人类所需要的发酵产品的新阶段。 (3) 专业词汇“发酵（fermentation）” “发酵”这个词汇在生活中往往是人联想到发面制作大饼、油条、馒头、包子，或者联想到食品酸败物品霉烂。 “发酵”作为专业词汇其含义不但覆盖发面制作大饼、油条、馒头、包子，更重要的是指用发酵的手段工业化生产酒及酒精饮料、食品及食品添加剂、饲料及饲料添加剂、药品、化工材料等等。 自絮凝颗粒酵母酒精发酵新技术 生物酒精是生物质资源与现代石油化学工业连接的关键节点，开发其生产的创新技术，特别是工程化技术，对国家实现石油资源替代的战略目标，具有十分重要的意义。同时可以拓宽农产品加工转化渠道，稳定农业种植结构，延长农产品加工产业链。我国现有酒精发酵行业普遍存在原料资源利用不合理、污染物治理成本高的突出问题，急需发展创新技术，提升这一传统产业的制造水平。 一、攻关任务及完成情况 本课题针对酒精发酵技术存在的诸多问题，在依托现代生物技术，选育酒精发酵性能优良且具有自絮凝能力酵母菌株的基础上，发展了一种全新的酒精发酵工艺技术--自絮凝颗粒酵母酒精发酵新技术，以期替代引进技术，为国家"十五"期间规划发展及试点建设的燃料酒精装置，提供技术支撑。本课题的任务是建立1套万吨级规模工业性试验装置，解决自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵新技术的工程放大问题。 （1）在原料前处理综合利用基础上，实现清液发酵，自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵的发酵罐单级容积规模放大到100m3，多级串联操作，建立万吨级规模工业性试验装置。 （2）在前序液化和糖化工段糖浓度25%（w/v）得以保证的条件下，发酵终点酒精浓度达到12.0%（v/v），超过吉林燃料酒精装置引进奥地利VOGELBUSCH公司技术11.5%（v/v）的指标。 （3）连续发酵的平均发酵时间达到25～30h，与吉林燃料酒精装置引进奥地利VOGELBUSCH公司技术的50～60h相比，缩短1倍，发酵罐的设备生产强度指标相应提高1倍。 （4）降低废糟液中污染物总量，达到源头减废，COD指标从现有酒精发酵工艺的（40000～60000）×10-6降低到（20000～30000）×10-6，污染物总量减少50%。 （5）在万吨级规模工业性试验装置运行的基础上，预测燃料酒精生产成本降低5%。 2004年9月，课题组在安徽丰原生化公司建立了万吨级规模的自絮凝颗粒酵母酒精连续发酵扩大中试装置，2004年12月实现稳定运行，各项经济技术指标均达到设计要求，并超过国内外现有酒精发酵技术的水平。2005年1月23日通过教育部组织的成果鉴定。 二、技术特点 与国内外酒精发酵技术相比，该技术的主要创新点和先进性体现在： （1）选育了1株具有自絮凝特征的酵母菌株，酵母细胞以自絮凝颗粒的形态在发酵罐中实现固定化，发酵罐中酵母细胞密度提高3～5倍，平均发酵时间由60～70h缩短至30h，发酵罐总容积规模和建设投资相应降低。 （2）在原料前处理综合利用的基础上，实现清液发酵，不仅提高了原料的综合利用程度，而且可以方便地回收副产酵母，进行深加工，酒精生产的综合经济效益显著提高。 （3）自絮凝酵母具有良好的沉降性能，酵母回收采用自沉降，与国外清液发酵采用离心机分离回收酵母的工艺技术路线相比，可以节省设备投资、运行能耗和维护费用。 （4）国内现有酒精生产工艺技术（带渣发酵），普遍采用DDGS技术处理废糟液，不仅设备投资大，运行能耗高，废糟液离心分离后上清液COD高达50000～60000mg/L以上，无法以较大比例在生产系统中循环使用。自絮凝颗粒酵母酒精发酵新工艺技术，废糟液COD总量平均为27500mg/L，降低了50%以上，废糟液能够以较大比例循环使用，有助于实现清洁生产。 三、推广应用情况及前景 目前，这一单元放大技术已经在丰原生化新建20万t/a燃料酒精装置中采用，于2005年12月开始试运行，悬浮床生物反应器的容积规模已经放大到1000m3。 （1）采用清液发酵技术，在液化后过滤分离原料残渣时，导致约5%的淀粉损耗，但增加同样数量的蛋白饲料，蛋白饲料价格高于玉米本身价格，对综合生产成本不产生不利影响。 （2）酒精生产的辅助材料消耗不发生任何改变。 （3）回收酒精产量3%的酵母，市场价格为3700元/t，扣除加工成本700元/t，可冲减酒精生产成本90元/t。 （4）不采用DDGS技术处理废糟液，70%的废糟液直接循环使用，而现有酒精生产技术，废糟液直接循环使用比例为30%，吨酒精生产减少废糟液蒸发量40%，约4t，节省能耗（折蒸汽）约4.5t，冲减酒精生产成本315元/t。 （5）酒精发酵时间缩短1倍，发酵罐总容积规模相应减小1倍，不采用DDGS技术处理废糟液，不采用高速离心机分离酵母，固定资产投资约节省8000万元。 采用该技术，可以使酒精生产成本冲减约480元/t。目前，利用该技术建设的玉米原料酒精生产企业酒精生产的全成本约为4500元/t，该项目采用新工艺新技术，可以使吨酒精生产成本降低10%以上。