全 文 ：!"!气载乙醇固态发酵分离耦合过程的初步研究
董永胜#，王立言#，王瑞明#，$，贾士儒#! （#%天津科技大学 生化工程研究室，天津&’’$ $$；$%山东轻工业学院 发酵实验室，济南$(’#’’） 摘 要：固态乙醇发酵中高浓度产物乙醇和发酵温度升高对酵母的抑制作用严重地制约了发酵的性能。本研究以 固态基质材料发酵乙醇，利用发酵过程中由酵母产生的!"$作为循环载气，将载气在冷凝器中冷却分离乙醇与气 体，降温后的!"$重新加压返回固态基质反应器中，及时有效的除去产物乙醇，并能使固态基质反应器的温度有一 定程度的降低，解除了两者的抑制，提高了发酵效率，从而为解决大规模固体厌氧发酵温度的控制问题提供了工艺 路线。 关键词：!"$气载分离耦合发酵；固态乙醇发酵；酵母 中图分类号：)*+$’,- 文献标识码：. 文章编号：#-/$0&-/1（$’’(）’#0’’(20’2 "#$%$&’()*+’,-*.&’/$01$23)2,#(’3.&4(++’)3553&4$’/(&.#6$)%$&’(’3.& 3"456789:;<=89#，>.45?@:AB8#，>.45CD@:E@89#，$，FG.H<@:ID# （#%!7J=9=7KL@7J79A，)@B8M@8N8@O=I;@PA7KHQ@=8Q=B8R)=Q<87J79A，)@B8M@8&’’$$ $，!<@8B；$%!7J=9=7KS77RHQ@=8Q=B8RL@7=89@8==I@89，H78+’)(2’：)<=!"$Q@IQDJBP@789B;;PI@TT@89=PT=I%)<=!"$KI7EK=IE=8P@89VB;DP@J@W=RB;Q@IQJ=QBIIA9B;@8;7J@RHHS%)<=QBIIA9B;VB;Q77J=R
B8RP<==PI=BQP7I，P<@;BQP@78QB8R=TI=;;P<=P=ET=IBPDI=7KI=BQP7I%
9$*:.)-+：!"$9B;;PI@TT@89=P为解除乙醇固态发酵过程中产物的抑制作用，
一些学者提出了多种乙醇发酵与分离耦合工艺，如
乙醇发酵与吸附的耦合过程、乙醇发酵与萃取的耦
合过程、真空发酵过程、渗透汽化0细胞循环发酵过
程、中空纤维膜0细胞固定发酵、超滤0细胞循环发
酵、膜蒸馏0乙醇发酵过程等［#!(］。早在$’年前， X%Y>BJ;<等提出了以发酵过程中产生的!"$作为
载气进行循环，将发酵液中的乙醇以蒸汽的方式抽
提出来的操作方法，即乙醇气提发酵过程（5HUS，
9B;;PI@TT@89=P?@D等人进一步对5HUS过程进行了数学模拟［-］。
从基质浓度的角度讲，固态发酵是浓醪发酵的
极限，并且，固态发酵具有有利于环境保护的特点，
因此，固态发酵一直是生物工程领域的人们关心的
热点。当采用固态发酵生产乙醇时，利用发酵过程
中酵母产生的!"$或加入!"$气体作为循环载气将
乙醇带出，在冷凝器中冷却分离乙醇，降温后的!"$重新加压返回固态反应器中，这样，有利于保证固态 反应器的温度恒定，发酵完成后残留发酵培养基可 直接作为饲料。基于这样的思路，在进行!"$作为
循环载气固体乙醇发酵可行性的同时，探讨了温度
对固态乙醇发酵的影响。
! 收稿日期：$’’(:’#:#’ 作者简介：董永胜（#+-2:），男，山东临朐人，博士研究生。 S=[%$’’(
·(2·
生 物 加 工 过 程
!<@8=;=F7DI8BJ7KL@7TI7Q=;;U89@8==I@89
第&卷第#期
$’’(年$月
万方数据
! 材料与方法
!"! 实验材料与方法
!"!"! 菌 种
耐酸耐高温酵母菌#$%，山东轻工业学院发酵 实验室选育。 !"!"% 固态发酵培养基 按照!（玉米粉（淀粉含量$%&））’!（玉米秸
秆粉（粉碎粒度!())））’!（水）*(+’!,’++的质
量比，混合后蒸煮$,)-.，降温后加糖化酶!/+0／1 原料。 !"!"( 实验装置 如图!所示，固态基质反应器的有效容积为 %23（!(,,4(+,))），内部有上下两层交叉安装 的56%气体分布装置，外层为聚胺脂发泡保温塑料 7))。 !"56%钢瓶%，!,"气压表("电磁阀2"温度显示与56%流量控制 器+，$，/"气体流量计7"温度感应器8"气体收集器!!"小型无油
空压泵!%，!(，!2"空气阀!+"冷凝器!$"固态基质反应器!/"56% 分布器，十字型交叉安装!7"酒精收集槽 图! 56%气载乙醇分离耦合装置 9-1"! 56%1:;;<=->>-.1?<@:.ABC?=)?.<:<-A.DAE>B-.1?FE->G )?.< !"!"2 实验过程 乙醇浓度对载气分离效果影响的实验：在密封 及保温良好的固态反应器中加入培养基，再分别加 入不同量的乙醇，混合后在(,H下进行56%气提分 离实验。每@充入+,,356%气体，连续气提%, )-.，测定反应器出口乙醇含量。 气载耦合发酵实验：灭菌后的培养基中加液体 耐酸酵母种子液%3，起始培养温度%7H，主体发 酵温度为(,H左右。 !"!"+ 检测方法 抽提气体56%中乙醇的含量的测定：采用气相 色谱法测定。 培养基中乙醇含量的测定：取培养基!,,1于 +,,)3蒸馏瓶中，补加蒸馏水%,,)3，缓慢蒸馏， 取馏分!,,)3，用比重瓶法测乙醇含量。 分离效率的测定：将含不同浓度乙醇的培养基装 入反应器内，进行气载分离实验，在温度和载气量相 同的情况下，试验运行%,)-.，测定分离出乙醇的量。 " 结果与讨论 %"! 56%流量与乙醇载气蒸馏耦合效率 耦合效率定义为单位时间回收乙醇的量与发酵 罐中产乙醇量之比。利用56%气载乙醇发酵与分离 耦合工艺中，回收乙醇的能力取决于56%气流流量 以及出罐和冷凝后气流载乙醇能力之差等；而产乙 醇的量取决于培养条件，如温度、乙醇浓度等。厌氧 固态发酵中温度控制是一个难题，因而气载分离耦 合发酵中能否利用56%的循环将产生的热量和乙醇 及时带出发酵体系成为实验的焦点。 实验首先探讨了不同温度下56%气流携带乙醇 的能力。如图%所示，当其它因素一定时56%载气 的携带乙醇的能力受温度的显著影响，温度越高携 带乙醇的能力越强，当温度由!,H升至2,H，乙醇 气相中的分压提高+倍。但是由于发酵温度不能随 意提高，故可以通过降低冷凝器温度的方法（冷凝水 温度+H），有效地将56%气流从发酵培养基中携带 出的乙醇由气相变为液相而分离出来，从而有效提 高分离效率。 —!—2,H；—"—(,H；—#—%,H；—$—!,H
图% 不同浓度乙醇水溶液等温气液平衡状态下乙醇的蒸
汽压力
9-1"% I:>A=>=?;;E=?;AC?<@:.AB:.JK:?<@:.AB;ABE<-A.
乙醇浓度对载气分离影响的实验结果如图(所
示。从图中可看出在冷凝器中分离到的乙醇浓度与
%,,+年%月 董永胜等：56%气载乙醇固态发酵分离耦合过程的初步研究 ·++·
万方数据
发酵培养基中乙醇之间的气液两相的平衡有线性关
系（!!"#""$%"&"#$$’$，#(!"#))%），且结果与
乙醇气液平衡的函数图相一致，这说明*+(气流可
以及时有效的将发酵产生的乙醇排出发酵罐。
图$发酵基质中的乙醇浓度与冷凝分离器中乙醇浓度的 关系 ,-.#$ /0121345-6780-96:1504763;67;175245-67<15=117:12>
?17545-678@<85245147A;67A17812
另外，分离效率除与发酵温度、培养基的颗粒
度、水分等因素有关外，还与培养基的透气性有关，
在气体循环过程中应避免气体出现“短路”。
(#( 发酵过程中培养基温度的控制
气载耦合发酵过程中*+(气体的流量和乙醇流
出量之关系图B所示。在’(!BC0之间，由于酵母
生长旺盛，为维持发酵温度一定，需要高流量*+(气
体。C"0后，乙醇流出速度迅速增加，至D"0左右
达到高峰，而后随着*+(气体流量的减少而下降，至
)"0后已呈明显的下降趋势。由于气体流量受罐
内温度控制，故流量的变化同时表示了罐内产热的
变化，即罐内发酵的旺盛程度。
—!—气体流量；—"—酒精流量
图B *+(气体流量与乙醇流出量的关系
,-.#B /0121345-67<15=117*+(E63@?147A1504763F-13A
在初始温度(GH下进行载气固态乙醇发酵，此
温度条件接近工业固态乙醇发酵的温度，发酵过程
中培养基的温度变化如图C所示，气载耦合发酵的
温度没有大幅上升，主体发酵温度为$"H左右。而 没有进行载气耦合的发酵过程罐内温度显著升高， D"0左右时甚至超过$)H，最高达到$)#CH。而 当温度高于$)H以上时，即使是耐高温酵母，也将
严重受到影响。
—#—热水温度；—"—非载体发酵；—!—载体发酵
图C 不同发酵状态发酵温度的变化
,-.#C /01;047.16::12?17545-6751?91245@21-7E42F85451
结合图B气体流量曲线可以看出，载气耦合发
酵可以及时有效的将发酵产热排出，即使在发酵旺
盛的D"0左右时，依然可以稳定罐内温度在$"H 左右，保证发酵过程的顺利进行。 假设气载发酵的整个过程发酵罐内的热积累为$总，通过理论计算可以得出图C中气载耦合发酵
的整个过程的$总为IG"JK，此热量可使系统温度 降低"#GH左右（具体计算参见附录）。考虑到在计 算过程中的一些条件忽略和近似，理论的计算同样 说明了气载耦合发酵的确显著而有效的控制了反应 器内的温度，使发酵过程顺利进行。 (#$ *+(气载乙醇发酵分离耦合工艺与封闭发酵
的比较
表’ *+(气载乙醇分离耦合固态发酵与封闭发酵的比较
（’BB0）
/4<31’ /01;6?942-867<15=117.48852-99-7.1504763:12>
?17545-6747A36;J1A:12?17545-67
测定项目
酒培养基乙醇
含量／（.／’"".）
残余淀粉
含量／L
残糖
／L
水分
／L
耦合分离
乙醇／L
淀粉
利用率／L
气载发酵 ’"#) (#$"#(%"#( D#( G) 封闭发酵 D#% D#B B#)%C#) " D% 乙醇固态发酵培养基中往往淀粉含量较高，一 般大于("L，此时，相应的乙醇产量也较高，这样高 浓度乙醇必然对酵母产生抑制作用。表’为气载耦 合发酵和封闭发酵在发酵’BB0后的结果比较。而 气载耦合发酵不仅可以将培养基中的乙醇及时除 ·C%· 生物加工过程 第$卷第’期
万方数据
去，有效解除乙醇抑制作用，还可以有效的降低温
度，这大大提高了发酵的性能，提高淀粉利用率和乙
醇收率。
! 结 论
研究表明!"#气载分离耦合发酵不但可以及时
有效的除去发酵产物乙醇，还可以有效的降低发酵
液的温度，从而解除两者对发酵的影响。这一结果
为解决大规模固体厌氧发酵温度控制提供一定参考
数据。
附录：$%&’发酵热的理论计算 设发酵罐内热量积累为!总，则有： !总(!)*（!#+!,+!-） （)） 式中： !)———生物合成热：麦汁中的)../可发酵性 糖实际发酵放出的热量为-)01.2［3］，因此，消耗) 4/麦芽糖发酵放出的实际热量为-)01..2，如果发 酵热不进行冷却，则发酵温度可增升).5。根据这 一经验数据作近似计算：!)("6#6)7.86!6$
()0).3.#2。
!#———蒸发热损失：蒸发损失热包括固态基质
中随流出!"#而蒸发的水分和乙醇的汽化热总和。
根据实验结果计算得每个发酵周期循环乙醇气化量
为)##9:，水分气化量为-)19:。!#(-)16%)
6!)+)##6%#6!#().30#3.2。
!,———发酵容器向周围散发的热损失：为了获
得此值又进行了对照试验，即在反应器装入,85的
温水，其他条件同气载耦合发酵，定时测温，;.<时
水温已降至,)5（如图8所示）。根据实验可计算
得反应器散发热=,为-.)0812。
!-———!"#气体带走的热量：在本实验中充入
的!"#总量为#.9,，进气温度为#.5，离开反应
器的温度为,.5。此状态下!"#气体的比热%!"#
为)7))02／（/·5）［0］。!-为-.;;,,2。
将以上数值代入式（)）可得!总约为*0.42，
这个温度可以使整个发酵罐内系统温度降低.705
左右。考虑到在计算过程中的一些条件忽略和近
似，理论的计算同样说明了气载耦合发酵的确显著
而有效的控制了反应器内的温度，使发酵过程顺利
进行。
符号说明
# 固态发酵淀粉含量，本实验中为#)73>，相
当于麦芽糖含量#)73>6)7.8(##70>
! 固态发酵料的比重，本实验中为.7;,/／
?9,
" 发酵液体积，本实验中#-:
$ 固态基质中的淀粉利用率，计08>被利用，
固态发酵基质的比热为.7;8
%)，%# 分别为,85水和乙醇的汽化比热
!)，!) 分别,85水和乙醇的比重
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#..8年#月 董永胜等：!"#气载乙醇固态发酵分离耦合过程的初步研究 ·83·
万方数据