專利名稱：以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以鮮甘薯為原料帶渣發(fā)酵生 產(chǎn)高濃度乙醇的方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的到來，利用可再生資源發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，作為生物能源來代替或部 分代替石油被提上了日程。燃料乙醇作為清潔能源，在日益重視環(huán)保的今天，更是倍受關(guān) 注。而目前，由于生產(chǎn)水平不高，燃料乙醇在市場上推廣還需要國家財(cái)政和政策補(bǔ)貼，但是 靠國家補(bǔ)貼終究不是長久之計(jì)，必須切實(shí)地降低燃料乙醇生產(chǎn)成本，以提高其市場競爭力。原料成本占乙醇生產(chǎn)成本的一半以上，我國是一個(gè)人口大國，燃料乙醇生產(chǎn)原料 的選擇應(yīng)以“不與人爭糧、不與糧爭地”為原則。根據(jù)我國國情，發(fā)展木薯、甘薯、芭蕉芋、甜 高粱等非糧作物生產(chǎn)燃料乙醇是最有前途的方向。甘薯是一種富含淀粉的塊根作物，而且 我國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)國，甘薯價(jià)格低廉，以其為原料生產(chǎn)燃料乙醇可以降低生產(chǎn) 成本。由于甘薯含有較多的果膠和纖維，原料液化后粘度仍然很大(可達(dá)10萬mPa -S)， 為減少攪拌過程的能耗，采用了糖化后固液分離、清液接種發(fā)酵工藝，其固體中所含糖份不 能得到充分利用，而且操作繁瑣，反而增加了乙醇生產(chǎn)成本。由于我國是主要的甘薯生產(chǎn)國，世界其它國家甘薯產(chǎn)量總和僅占世界總產(chǎn)量的 14%，因此，國外對甘薯乙醇生產(chǎn)研究很少，國內(nèi)已有的乙醇生產(chǎn)技術(shù)水平較低。酒精廠以 鮮甘薯為原料，發(fā)酵得到的乙醇濃度僅有5% 7%，發(fā)酵時(shí)間高達(dá)50h以上，平均乙醇生產(chǎn) 速度僅有1. Og Π—1左右，生產(chǎn)技術(shù)能耗高，廢水多，COD負(fù)荷大。需要開發(fā)高濃度乙醇發(fā) 酵(Very High Gravity，簡稱VHG)技術(shù)來降低拌料水耗、提高單位設(shè)備的生產(chǎn)率和利用率， 增加單位體積醪液中的乙醇，以降低蒸煮、發(fā)酵、蒸餾和DDGS濃縮干燥過程的能耗，從而降 低乙醇生產(chǎn)成本。甘薯原料季節(jié)性強(qiáng)，收獲時(shí)間比較集中，含水量大，保藏很困難。腐爛后黏度大、輸 送困難，還會(huì)產(chǎn)生許多抑制發(fā)酵的成分，淀粉損耗更是驚人。因此需要一種更優(yōu)的發(fā)酵工 藝，在追求高濃度乙醇的同時(shí)，縮短發(fā)酵時(shí)間，以便在收獲季節(jié)快速利用鮮甘薯發(fā)酵生產(chǎn)乙 醇，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有高濃度乙醇發(fā)酵工藝的不足，發(fā)明一種以甘薯帶渣全原 料為底物快速發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的新方法，以降低乙醇生產(chǎn)成本。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的鮮甘薯洗凈打漿，加水拌料使初始糖濃度為270 310g 1^1，75 801低溫蒸煮101^11，按照12( 冊kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化10 20min,至碘反應(yīng)為紅棕色。用NaOH或HCl將發(fā)酵醪PH調(diào)至5. 5 6. 0，再按每IOOmL發(fā)酵 培養(yǎng)基(甘薯漿原料)中加入0. 5 1. OmL復(fù)合預(yù)處理酶溶液，以降低發(fā)酵醪粘度，并為糖化酶作用提供有利環(huán)境。按IOOmL發(fā)酵培養(yǎng)基加入8 12mL種子液接種，同時(shí)按160AGU kg"1淀粉加入糖化酶，同步糖化發(fā)酵以降低高濃度底物抑制。經(jīng)28 35°C、振蕩或攪拌轉(zhuǎn) 速為100 500r/min發(fā)酵28 40h，發(fā)酵液中乙醇的體積比濃度達(dá)16% 18. 5%。本發(fā)明中復(fù)合預(yù)處理酶為含有復(fù)合果膠酶、纖維素酶和木聚糖酶的溶液。其配制 方法為5 15g復(fù)合果膠酶、5 15g纖維素酶、5 15g木聚糖酶加水配制成IOOmL的溶 液。本發(fā)明的工藝步驟為1.發(fā)酵原料的制備(發(fā)酵培養(yǎng)基的制備)鮮甘薯洗凈打漿，加水拌料使初始糖濃 度為270g kg—1 310g kg—1，低溫蒸煮，按照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，液化15 30min,至碘反應(yīng)為紅棕色，再按每IOOmL發(fā)酵培養(yǎng)基(甘薯漿原料)中加入0. 5 1. OmL 復(fù)合預(yù)處理酶溶液。2.種子液的制備從保存釀酒酵母菌種的麥芽汁斜面培養(yǎng)基或YEPD斜面培養(yǎng)基 上挑取一鏟酵母菌接種到Y(jié)PD液體培養(yǎng)基中，25 35°C，100 300r/min搖床通風(fēng)培養(yǎng) 14 18h。3.發(fā)酵按IOOmL發(fā)酵培養(yǎng)基加入8 12mL種子液，同時(shí)按160AGU kg—1淀粉加 入糖化酶，在溫度為28 35°C，轉(zhuǎn)速為100 500r/min振蕩或攪拌下發(fā)酵，優(yōu)選發(fā)酵溫度 為30 33°C，優(yōu)選轉(zhuǎn)速為100 300r/min，經(jīng)28 40h發(fā)酵結(jié)束。發(fā)酵結(jié)束后，測量發(fā)酵液中最終乙醇濃度為16% 18.5% (20°C，體積比濃度)， 發(fā)酵效率大于90%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)與傳統(tǒng)的清液發(fā)酵不同，本發(fā)明采用甘薯全原料帶渣發(fā)酵，不需要固液分離的 步驟，減化了發(fā)酵工序。(2)本發(fā)明由于是高濃度乙醇發(fā)酵，底物濃度較高，所以可以減少拌料水耗。(3)本發(fā)明采用能耗較低的低溫蒸煮工藝，同時(shí)，由于增加了單位體積醪液中的乙 醇，發(fā)酵、蒸餾和DDGS濃縮干燥過程的能耗又得以進(jìn)一步降低。(5)本發(fā)明所涉及的復(fù)合預(yù)處理酶，成本低，添加方便。添加少量即可降低發(fā)酵醪 粘度，減少攪拌過程能耗。并通過水解包裹淀粉的甘薯組織，使糖化酶與淀粉分子充分接 觸，為糖化酶的作用提供有利環(huán)境。(6)采用同步糖化發(fā)酵方式，使發(fā)酵醪中的糖逐漸釋放，降低高濃度糖產(chǎn)生的滲透 壓，降低底物抑制。該發(fā)明工藝簡單，可操作性強(qiáng)，發(fā)酵速度快，最終乙醇濃度高，發(fā)酵效率高，殘?zhí)?低。能有效地降低乙醇生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
具體實(shí)施例方式材料選擇甘薯產(chǎn)于四川省南充市，選擇淀粉含量高、無腐爛、無病蟲害的新鮮甘薯。α -淀粉酶Liquozyme Supra,購自諾維信公司。標(biāo)準(zhǔn)酶活力為90KNU · g—1，KNU 為諾維信液化酶的專有單位，IKNU是指在37°C，pH 5. 6時(shí)，每小時(shí)水解5. 26克淀粉的酶量。糖化酶=Suhong GAII，購自諾維信公司。標(biāo)準(zhǔn)酶活500AGU ml—1。A⑶為諾維信液化酶的專有單位，IAGU是指在25°C、pH 4. 3、反應(yīng)時(shí)間30分鐘條件下，每分鐘水解1微克分
子麥芽糖所需的酶量。復(fù)合果膠酶為成都科龍化工試劑廠產(chǎn)品。纖維素酶長柄木霉代謝生產(chǎn)的固體粉末。酶活定義為Ig酶粉于50°C、pH4.8條 件下，Imin水解底物(濾紙、CMC、脫脂棉或水楊素)產(chǎn)生1 μ g葡萄糖的酶量為1個(gè)酶活力單位。木聚糖酶(EC. 3. 2. 1.8)由棒曲霉(Aspergi Lus Clavatus)的變異菌株經(jīng)深層 發(fā)酵培養(yǎng)，低溫干燥而成的產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)酶活為10000-30000單位/克，酶活定義為在50°C， pH4. 8，保溫30分鐘條件下，一分鐘水解木聚糖溶液生成1 μ mol木糖所需酶量，規(guī)定為 1個(gè)活力單位，以μπιο /min表示。酵母菌種Saccharomyces cerevisiae SY-1 保藏號為 CCTCC M 206111。對照例(不加復(fù)合預(yù)處理酶):將新鮮甘薯打漿，按照一定比例加水，使總糖濃度為270g kg—1，80°C蒸煮lOmin，按 照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化lOmin，裝IOOg發(fā)酵醪于250ml三角瓶中， 添加leOAGUkg—1淀粉的糖化酶，接種酵母種子液10mL，30°C、振蕩200r/min，發(fā)酵時(shí)間36h， 乙醇濃度90. 34g kg—1，發(fā)酵效率65. 15%，乙醇生產(chǎn)速度2. 51g · kg—1 · h-1。本發(fā)明實(shí)施例(添加復(fù)合預(yù)處理酶):實(shí)施例1 將新鮮甘薯打漿，按照一定比例加水，使總糖濃度為270g kg^SCrC蒸 煮lOmin，按照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化15min，裝IOOmL發(fā)酵醪于250ml 三角瓶中，添加復(fù)合預(yù)處理酶溶液0. 5mL，接種酵母種子液10mL，同時(shí)添加leOAGUkg—1淀粉 的糖化酶，30°C、振蕩200r/min，發(fā)酵時(shí)間36h，乙醇濃度128. 72g kg—1，發(fā)酵效率90. 03%, 乙醇生產(chǎn)速度3. 58g · kg"1 .h—1。實(shí)施例2 培養(yǎng)基同實(shí)施例1，添加復(fù)合預(yù)處理酶溶液lmL，發(fā)酵時(shí)間28h，乙醇濃度 132. 91g kg—1，發(fā)酵效率 91. 44%，乙醇生產(chǎn)速度 4. 74g · kg—1 · h-1。實(shí)施例3 將新鮮甘薯打漿，按照一定比例加水，使總糖濃度為300g kg^SCrC蒸 煮lOmin，按照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化15min，裝IOOmL發(fā)酵醪于250ml 三角瓶中，添加復(fù)合預(yù)處理酶溶液lmL，接種酵母種子液10mL，同時(shí)添加leOAGUkg—1淀粉的 糖化酶，31°C、振蕩240r/min，發(fā)酵時(shí)間39h，乙醇濃度146. 33g kg—1，發(fā)酵效率90. 42%，乙 醇生產(chǎn)速度達(dá)3. 75g · kg—1 · h-1。實(shí)施例4 將新鮮甘薯打漿，經(jīng)液化酶液化，按照一定比例加水，使總糖濃度為 270g kg—1，裝6L發(fā)酵醪于10L發(fā)酵罐中，添加復(fù)合預(yù)處理酶溶液60mL，接種酵母660mL，同時(shí) 添加leOAGUkg—1淀粉的糖化酶，32°C、攪拌lOOr/min，發(fā)酵時(shí)間28h，乙醇濃度137. Ilg kg—1， 發(fā)酵效率90. 53%，乙醇生產(chǎn)速度4. 70g · kg—1 · h—1。
權(quán)利要求
以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的方法，包括發(fā)酵原料制備、種子液制備和發(fā)酵三個(gè)步驟，其特征是在發(fā)酵原料制備工藝中，添加復(fù)合預(yù)處理酶溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的方法，其特征是所述 復(fù)合預(yù)處理酶溶液為含有復(fù)合果膠酶、纖維素酶和木聚糖酶的溶液。
3.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的方法，其特征是 所述復(fù)合預(yù)處理酶溶液的配制方法為將5 15g復(fù)合果膠酶、5 15g纖維素酶、5 15g 木聚糖酶加水配制成100mL的溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的方法，其特征是發(fā)酵 原料制備的工藝是鮮甘薯打漿后加水，使初始糖濃度為270 310g kg"1, 75 85°C低溫 蒸煮lOmin，按照120KNU kg—1淀粉添加a -淀粉酶，80°C液化15 30min，至碘反應(yīng)為紅棕 色，再按每lOOmL發(fā)酵培養(yǎng)基中加入0. 5 1. OmL復(fù)合預(yù)處理酶溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征是種子液的制 備工藝為從保存釀酒酵母菌種的麥芽汁斜面培養(yǎng)基或YEPD斜面培養(yǎng)基上挑取一鏟酵母 菌接種到Y(jié)PD液體培養(yǎng)基中，25 35°C，100 300r/min搖床通風(fēng)培養(yǎng)14 18h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以甘薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征是發(fā)酵工藝為 按100mL發(fā)酵培養(yǎng)基加入8 12mL種子液，同時(shí)按160AGU kg-1淀粉加入糖化酶，在溫度 為28 35°C，轉(zhuǎn)速為100 500r/min振蕩或攪拌下發(fā)酵，優(yōu)選發(fā)酵溫度為30 33°C，優(yōu) 選轉(zhuǎn)速為100 300r/min，經(jīng)28 40h發(fā)酵結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以鮮甘薯為原料帶渣發(fā)酵生產(chǎn)高濃度乙醇的方法。本發(fā)明方法包括發(fā)酵原料制備、種子液制備和發(fā)酵三個(gè)步驟，在發(fā)酵原料制備工藝中，添加含復(fù)合果膠酶、纖維素酶、木聚糖酶的復(fù)合預(yù)處理酶溶液，經(jīng)發(fā)酵后獲得高濃度乙醇。本發(fā)明具有工藝簡單，可操作性強(qiáng)，發(fā)酵速度快，最終乙醇濃度高，發(fā)酵效率高，殘?zhí)堑?，有效地降低乙醇生產(chǎn)成本。
文檔編號C12P7/06GK101892269SQ200910059369
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者方揚(yáng), 趙海, 靳艷玲 申請人:中國科學(xué)院成都生物研究所