CN100489108C - 采用薯类原料制备乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

薯类原料制备乙醇的方法，该方法包括将去皮后的薯类原料粉碎，将粉碎后的产物与酶混合、酶解，得到酶解产物；发酵该酶解产物，其中，所述粉碎的方法包括先将去皮后的薯类原料进行一次粉碎，得到一次粉碎产物，将部分一次粉碎产物进行二次粉碎，得到二次粉碎产物，将剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料混合然后进行一次粉碎。本发明的方法不但消耗的水量少，消耗的能量较少，设备的利用率高，粉碎效率高，同时采用本发明的二次粉碎的方法能够很好的控制粉碎后的得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的粒径，使最终得到的薯类原料颗粒的粒径小且均匀。

Description

采用薯类原料制备乙醇的方法

技术领域

本发明是关于乙醇的制备方法，更具体地是关于采用薯类原料制备乙醇的方法。

背景技术

薯类，例如红薯、马铃薯、木薯等，富含淀粉，因此广泛用于发酵制糖、制淀粉等领域。

木薯是热带和亚热带多年生、温带一年生薯属灌木，原产于南美洲，适宜在平均温度为25-29℃、年均降水量1000-1500毫米的低纬度地区生长。大约在1820年前，木薯传到中国南方，主要在广东、广西和海南种植，现在逐渐扩大到云南、福建、贵州等省。木薯分为两类：苦味木薯(有毒木薯)和甜味木薯(无毒木薯)。新鲜的木薯块根的主要化学成分是水，其次是碳水化合物，还有一些含量较少的蛋白质、脂肪和果胶。鲜木薯淀粉含量达到25-30重量％，干木薯淀粉含量为70重量％左右。

由于木薯的块根较大，在采用木薯原料酶解、发酵制备乙醇之前通常需要对木薯原料进行粉碎，以破坏木薯的组织结构，从而使微小的淀粉颗粒能够从木薯块根中解体、分离出来。为了提高糖分的抽提率，需要使木薯组织的解体更充分、更细小，使淀粉颗粒的分离更彻底。现有技术的采用木薯制备乙醇的方法中，所述木薯的粉碎方法通常包括将木薯与水混合后进行粉碎得到粉碎产物。采用现有的粉碎方法消耗水的量较大，为了保证得到的粉碎产物中对木薯颗粒的粒度要求，采用现有的粉碎方法消耗的能量较大，设备的利用率低。

发明内容

本发明的目的是克服现有的采用薯类原料制备乙醇的方法中粉碎薯类原料的方法消耗水的量较大，消耗的能量较大，设备的利用率低的缺陷，提供一种粉碎薯类原料的消耗水的量较小，消耗的能量较小，设备的利用率高的采用薯类原料制备乙醇的方法。

本发明的发明人发现，现有技术的采用薯类原料制备燃料乙醇的方法中对于粉碎薯类原料的方法，无论薯类原料是鲜木薯还是干木薯，均需在粉碎前将木薯原料与水混合(木薯原料的鲜重与水的重量比通常为1∶1)后进行粉碎，粉碎过程中消耗的量水较大，因而，粉碎产物的量也相应较多，粉碎产物的储存问题也较难解决。此外，现有技术的粉碎的方法通常为二次粉碎，即，在将薯类原料与水混合后先进行一次粉碎，将得到的一次粉碎产物再次进行二次粉碎，而得到最终的粉碎产物。在采用现有的二次粉碎方法粉碎得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的粒径大小不均匀，且颗粒粒度较大；若为了保证得到的粉碎产物中木薯颗粒的粒度能够达到一定要求，则采用现有的粉碎方法的粉碎时间会延长，因而消耗的能量较大，设备的利用率低。

本发明提供了一种采用薯类原料制备乙醇的方法，该方法包括将去皮后的薯类原料粉碎，将粉碎后的产物与酶混合、酶解，得到酶解产物；发酵该酶解产物，其中，所述粉碎的方法包括先将去皮后的薯类原料进行一次粉碎，得到一次粉碎产物，将部分一次粉碎产物进行二次粉碎，得到二次粉碎产物，将剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料混合然后进行一次粉碎。

本发明提供的采用薯类原料制备乙醇的方法中，将去皮后的薯类原料粉碎的方法为二次粉碎的方法，与现有技术不同的是，在粉碎薯类原料之前不需要将薯类原料与水混合，或者仅仅加入少量的水，而后将一次粉碎后的部分一次粉碎产物返回与经过去皮的未经过粉碎的薯类原料重新混合，然后再次进行一次粉碎，该返回的部分一次粉碎产物为薯类原料颗粒的淀粉浆液，该部分粉碎产物即能够起到稀释的作用，又能够与经过去皮的未经过粉碎的薯类原料一起被再次粉碎。本发明的方法不但消耗水的量少，消耗的能量较少，设备的利用率高，粉碎效率高，同时采用本发明的二次粉碎的方法能够很好的控制粉碎后的得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的粒径，使最终得到的薯类原料颗粒的粒径小且均匀，同时还解决了粉碎产物的储存问题。此外，本发明的发明人意外的发现，采用本发明的薯类原料制备乙醇的方法得到的淀粉乙醇产率得到显著提高，推测原因可能是由于本发明的粉碎方法能够很好的控制粉碎后得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的粒径，使最终得到的薯类原料颗粒的粒径小且均匀，从而能够使粉碎产物中的淀粉被充分释放出来，使最终得到的粉碎产物中的薯类原料颗粒中的微小淀粉颗粒能被充分利用，即能充分与酶接触、酶解，大大提高了淀粉的利用率，从而大大提高了淀粉乙醇产率。例如，在其它条件都相同的情况下，采用实施例2的方法得到的淀粉乙醇产率达52.5％，残糖率为1.5％，而采用对比例1的方法得到的淀粉乙醇产率仅为51.0％，残糖率为2.0％，乙醇产率的提高幅度高达2.9％，残糖率降低了25％。

附图说明

图1为本发明的去皮方法所使用的薯类去皮设备的正视图；

图2为本发明的去皮方法所使用的薯类去皮设备的纵剖示意图；

图3为表示链轮与滚筒的连接关系的横剖示意图。

具体实施方式

按照本发明，采用薯类原料制备乙醇的方法包括将去皮后的薯类原料粉碎，将得到的粉碎产物与酶混合、酶解，得到酶解产物；发酵该酶解产物，其中，所述粉碎的方法包括先将去皮后的薯类原料进行一次粉碎，得到一次粉碎产物，将部分一次粉碎产物进行二次粉碎，得到二次粉碎产物，将剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料混合然后进行一次粉碎。

按照本发明，所述剩余部分的一次粉碎产物为全部一次粉碎产物重量的5-20重量％；剩余部分的一次粉碎产物占剩余部分的一次粉碎产物与去皮后未粉碎的薯类原料的总重量的5-20重量％。优选情况下，所述剩余部分的一次粉碎产物为全部一次粉碎产物重量的5-10重量％；剩余部分的一次粉碎产物占剩余部分的一次粉碎产物与去皮后未粉碎的薯类原料的总重量的5-10重量％。按照本发明的方法粉碎得到的最终粉碎产物中薯类原料颗粒的粒度小且颗粒粒度分布更均匀，该薯类原料的颗粒直径可以达到1.8至小于2.5毫米，甚至更小，如优选为1.6至小于1.8毫米。

根据本发明提供的方法，在将去皮后的薯类原料进行一次粉碎前，无需将薯类原料与水混合，或者仅仅加入少量的水，例如，所述水的用量可以为薯类原料干重的0.5-2倍，优选为1-1.5倍。优选情况下，在粉碎薯类原料之前无需特别将薯类原料与水混合，而是在将一次粉碎后的部分一次粉碎产物返回与经过去皮的未经过粉碎的薯类原料重新混合，然后进行一次粉碎，该返回的部分一次粉碎产物为薯类原料颗粒的淀粉浆液，该返回部分的一次粉碎产物既能够起到稀释的作用，因此在初始粉碎时可以不将薯类原料与水混合，此外，该返回部分的一次粉碎产物又能够与鲜木薯原料一起被再次粉碎，不但消耗水的量少，消耗的能量较少，设备的利用率高，粉碎效果高，且本发明的二次粉碎的方法能够很好的控制粉碎后的得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的粒径，使最终得到的薯类原料颗粒的粒径小且均匀。按照本发明，为了使最终得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的直径在1.8至小于2.5毫米，优选为1.6至小于1.8毫米，在将薯类原料进行一次粉碎后，得到的一次粉碎产物中薯类原料的颗粒直径一般在2.5-10毫米，优选为2.5-5毫米。

根据本发明的一个具体实施方式，当所述进料方式为连续进料时，可以将剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料混合并进行一次粉碎后的一次粉碎产物中的部分取出，继续与去皮后的未经过粉碎的薯类原料混合并进行一次粉碎，并按照这样的方法循环、连续的进行粉碎。

根据本发明的另一个具体实施方式，当所述进料方式为间歇进料时，可以将剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未将给粉碎的薯类原料混合并进行一次粉碎后得到的一次粉碎产物直接进行二次粉碎得到二次粉碎产物，也可以将该一次粉碎产物与初次粉碎后的得到的一次粉碎产物混合后一起进行二次粉碎。

可以使用常规的各种粉碎设备，例如SFSP系列锤片式粉碎机。

所述薯类原料可以为各种薯类原料，如红薯、马铃薯、木薯等，本发明的具体实施方案中采用的薯类原料为木薯。所述薯类原料可以为鲜木薯或干木薯，如果采用干木薯，通常需要在一次粉碎前将干木薯与水混合，并可以按照本发明前述方法中所述加水量来确定水的用量；也可以为鲜木薯与干木薯的混合物。所述干木薯与鲜木薯的重量没有特别限定，通常情况下，所述干木薯与鲜木薯的重量比为1:1.5-2.5，优选为1:1.5-2。

成熟的木薯一般粗4-8厘米，长20-30厘米，薯形粗短，呈短圆柱状，木薯由内及外的机构为薯肉，内表皮和外表皮，外表皮为深褐色，间有白色环状条纹，内皮和肉质白色。木薯原料的外表皮内还含有一层薄皮，即内表皮，该内表皮中含有氰化物以及一种能引起食物中毒的氰贰——亚麻苦甙。亚麻苦甙被水解后产生氢氰酸。氢氰酸和氰化物都有剧毒，而且中毒非常迅速。它们可以通过多种途径进入人体，如皮肤吸收、伤口侵入、呼吸道吸入、误食等，进入人体后，能使中枢神经系统瘫痪，使呼吸酶及血液中血红蛋白中毒，引起呼吸困难，全身细胞会因缺氧窒息而使机体死亡。因此，通常在将木薯原料进行粉碎之前，需要先除去鲜木薯原料的内表皮。

除去鲜木薯原料内表皮的方法有很多，现有技术中通常采用人工去皮的方法除去鲜木薯原料的外表皮及内表皮，同时去除原料表面的泥沙。若不除去该层内表面或者除去的不彻底会导致木薯原料中氰化物的残留较大，在酶解和发酵过程中，氰化物含量较多会使酶失活，使酵母中毒，以致酵母死亡；而造成发酵残糖量升高，成熟醪酒度下降，即乙醇产率降低，且生产效率低，工人劳动强度大。

因此，按照本发明，该方法还优选包括使用一种薯类去皮设备将鲜木薯原料去皮。如图1和图2所示，该去皮设备包括机座1、滚筒2、螺旋式进给器3和驱动装置(图中未示出)，滚筒2可转动地、倾斜地安装在机座1上，滚筒2具有进料口4和出料口5，所述螺旋进给器3位于滚筒2中并与滚筒的内壁固定连接，所述驱动装置用于驱动滚筒2和螺旋进给器3一起转动。将薯类原料(即，鲜木薯原料)去皮的方法包括薯类原料通过所述进料口4放入到所述滚筒2中，利用所述驱动装置驱动滚筒2和螺旋进给器3一起转动。驱动滚筒2和螺旋进给器3的转动速度可以为2-50转/分钟，优选为5-25转/分钟。在螺旋进给器3的推动作用下，薯类原料不断向前移动；同时薯类原料随着滚筒2和螺旋进给器3转动，在转动过程中，薯类原料之间发生摩擦，薯类原料与滚筒壁和螺旋进给器之间也发生摩擦，从而将薯类的表皮去除掉，去皮后的薯类从出料口5排出。

所述滚筒2可以由各种耐磨损材料制成，例如，钢、橡胶或硬质塑料。所述滚筒2中还可以设置有喷淋装置，喷淋装置可以固定安装在滚筒的内壁上，并且位于靠近滚筒的进料口的位置。所述喷淋装置可以为常规的各种喷淋装置。按照本发明，该方法还可以包括在去皮过程中将水通过喷淋装置喷淋到薯类原料上将薯类原料上的污物(如泥土、杂质等)去除掉。所述喷水量没有特别限定，只要保证能够将薯类原料上的污物除去即可。

优选情况下，如图1所示，所述滚筒2从进口端到出口端包括第一段滚筒2a和第二段滚筒2b，第一段滚筒2a和第二段滚筒2b连通，第二段滚筒2b中设置有喷淋装置。喷淋装置可以固定安装在第二段滚筒2b的内壁上，并且位于靠近第二段滚筒的进料口的位置。

按照本发明的方法，为了达到更好的去皮效果，所述滚筒2的内壁上还具有摩擦结构。所述摩擦结构可以为各种表面粗糙的结构，优选为一条或多条带肋钢筋，更优选为多条带肋钢筋。带肋钢筋具有横肋，可以使用常规的各种规格的热轧带肋钢筋和冷轧带肋钢筋，如符合GB1499-1998规定的带肋钢筋。带肋钢筋的公称直径可以为6-25毫米，优选为8-20毫米；横肋间距可以为3-16毫米，优选为4-12毫米。带肋钢筋的牌号包括但不限于HRB335、HRB400和HRB500。所述带肋钢筋与滚筒2的内壁固定连接，在滚筒转动过程中，带肋钢筋可以对薯类原料起到摩擦作用。为了便于在滚筒2的内壁上固定连接带肋钢筋，带肋钢筋优选与滚筒2的中心轴线平行。

所述滚筒2可以水平地或倾斜地安装在机座1上。当所述滚筒水平地安装时，薯类原料在螺旋进给器3的推动作用下向前移动，最终从滚筒的出料口排出。当所述滚筒倾斜地安装时，进料口的位置比出料口高，薯类原料还可以借助自身的重力作用向下移动(即向前移动)。滚筒2的倾斜角度可以为0-15度，优选为5-10度；滚筒2的长度可以为2-10米，优选为3.5-7米。当滚筒包括所述第一段滚筒和第二段滚筒时，此处的长度是指第一段滚筒和第二段滚筒的长度之和。所述倾斜角度是指滚筒的中心轴与水平线的夹角。对滚筒的内直径没有特别的限定，可以根据需要进行去皮处理的薯类原料的量来选择合适的滚筒内直径，一般情况下，滚筒内直径可以为1-2米。

所述螺旋进给器3可以为机械领域常规的各种螺旋进给器。所述螺旋进给器3可以通过常规的各种固定连接方式连接在滚筒2的内壁上，例如，如图2所示，螺旋进给器3通过紧固件8固定连接在滚筒2的内壁上。为了达到更好的去皮效果，所述螺旋进给器3的螺距优选为0.3-0.8米，螺纹高度优选为0.1-0.4米。螺旋进给器可以由各种耐磨损材料制成，例如，钢、橡胶、尼龙。

本发明对所述驱动装置没有特别限定，只要能驱动滚筒2和螺旋进给器3一起转动即可。例如，所述驱动装置可以包括驱动源、传动链和链轮6。如图3所示，链轮6固定在滚筒2上。当滚筒2包括第一段滚筒2a和第二段滚筒2b时，优选将链轮6安装在第一段滚筒2a和第二段滚筒2b之间。由于滚筒2可转动地安装在机座1上，因此传动链将驱动源的动力传递给链轮时，链轮能够带动滚筒转动。可转动的安装方式可以为常规的各种方法，例如，可以使用支撑辊或支撑架将滚筒架设在机座上，使滚筒可以绕中心轴转动。驱动源可以为各种能够产生动力的装置，如电动机。

为了便于进料，该去皮设备还可以包括风车进给器7。如图1或2所示，风车进给器7安装于滚筒的进料口4。风车进给器7可以为机械领域常规的各种风车进给器。

采用本发明所述的薯类去皮设备是利用在滚筒中的薯类原料之间以及薯类原料与筒壁之间的摩擦力的作用而将薯类原料去皮。按照本发明优选的去皮方法对木薯原料进行去皮，氰化物的去除率能够达到75％以上，原料损失率能够保持在5重量％以下，因而有利于进一步提高乙醇的产率。

由于薯类原料中可能会含有泥土、沙石杂质以及铁杂质，会对去皮设备造成损害，因此，按照本发明的方法，还可以包括去皮之前对薯类原料进行预处理的常规操作，所述预处理的步骤一般包括除去杂质和清洗的步骤。如，在鲜木薯采收后，除去木薯上的泥土、根、须及木质部分以及砂石等杂质。并对木薯进行清洗，所述清洗的方法和设备为本领域技术人员所公知，在这里不再赘述。

所述酶解步骤可以通过本领域常用的方法完成，比如向粉碎产物中添加产酶微生物和/或酶，在产酶微生物的生长温度和/或酶有活力的温度下保温完成。所述产酶微生物为能够分泌淀粉酶的产酶微生物。所述酶包括淀粉酶。

由于微生物生长会产生副产物，因此优选直接加入酶。所述酶的用量越多越好，出于成本考虑，优选以每克粉碎后的产物的干重计，所述淀粉酶的用量为4-50酶活力单位，更优选以每克粉碎后的产物的干重计，所述淀粉酶的用量为10-30酶活力单位。

本发明所述酶的酶活力单位的定义为：在pH值为6.0、温度为70℃的条件下，1分钟将1毫克淀粉转化为葡萄糖所需的酶量为一个酶活力单位。

所述酶解的温度可以为淀粉酶的任何最适作用温度，一般为50-90℃，更优选60-70℃。所述酶解的时间理论上越长越好，考虑到设备利用率，优选所述酶解的时间为20-240分钟，更优选为30-120分钟。所述酶解的pH值可以为淀粉酶的任何最适作用pH，一般为3-7，更优选pH值为5-6。由于酶解过程中pH值的波动不大，因此所述酶解的pH值可以按照本领域常用的方法在加入酶之前进行调节，例如先将粉碎产物与水或培养基(加酶一般与水混合，加入产酶微生物一般与该微生物的培养基)混合，此外，为了保证蒸馏得到的乙醇的浓度，一般使所得混合物的固含量为20-40重量％，根据所得混合物的pH值，用硫酸溶液或氢氧化钠将待酶解的混合物pH调节至3-7，更优选调节至pH值为5-6。

淀粉酶是能够分解淀粉糖苷键的一类酶的总称，所述淀粉酶一般包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶。本发明所述酶包括淀粉酶。

α-淀粉酶又称淀粉1，4-糊精酶，它能够任意地、不规则地切开淀粉链内部的α-1，4-糖苷键，将淀粉水解为麦芽糖、含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有支链的寡糖。生产此酶的微生物主要有枯草杆菌、黑曲霉、米曲霉和根霉。

β-淀粉酶又称淀粉1，4-麦芽糖苷酶，能够从淀粉分子非还原性末端切开1，4-糖苷键，生成麦芽糖。此酶作用于淀粉的产物是麦芽糖与极限糊精。此酶主要由曲霉、根霉和内孢霉产生。

糖化酶又称淀粉α-1，4-葡萄糖苷酶，此酶作用于淀粉分子的非还原性末端，以葡萄糖为单位，依次作用于淀粉分子中的α-1，4-糖苷键，生成葡萄糖。此酶作用于支链淀粉后的产物有葡萄糖和带有α-1，6-糖苷键的寡糖；作用于直链淀粉后的产物几乎全部是葡萄糖。此酶产生菌主要是黑曲霉(左美曲霉、泡盛曲霉)、根霉(雪白根酶、德氏根霉)、拟内孢霉、红曲霉。

异淀粉酶又称淀粉α-1，6-葡萄糖苷酶、分枝酶，此酶作用于枝链淀粉分子分枝点处的α-1，6-糖苷键，将枝链淀粉的整个侧链切下变成直链淀粉。此酶产生菌主要是嫌气杆菌、芽孢杆菌及某些假单孢杆菌等细菌。

优选所述酶解使用的酶还包括磷酸酯酶。因为磷酸酯酶能够使磷酸与醇式羟基结合成酯的磷酸糊精水解成葡萄糖，并释放出磷酸，具有极明显的液化力，所以酶解使用的酶包括磷酸酯酶，可以更充分地水解淀粉，以增加乙醇产率。

能够发酵单糖如葡萄糖和/或果糖、寡糖如蔗糖和/或半乳糖的微生物都可以用于本发明的发酵过程，由于酿酒酵母是酿酒工业上普遍应用的耐酒精、副产物少、乙醇产率高的发酵己糖的微生物，因此优选所述发酵所使用的酵母为酿酒酵母。

以每克酶解产物计，所述发酵所使用的酵母的接种量为10³-10⁸菌落形成单位，更优选10⁴-10⁶菌落形成单位。

所述菌落形成单位的定义为将稀释后的一定量的菌液通过浇注或涂布的方法，让其内的微生物单细胞一一分散在培养基平板上，待培养后，每一活细胞就形成一个菌落。即每毫升菌液中含有的单细胞的数目。

本发明发酵所使用的酵母可以为商购酵母固体制剂(比如干酵母粉)或酵母菌种，比如拉斯2号(Rasse II)酵母，又名德国二号酵母、拉斯12号(Rasse XII)酵母，又名德国12号酵母、K字酵母、南阳五号酵母(1300)和南阳混合酵母(1308)。所述酵母的菌落形成单位可以通过本领域公知的方法测定，比如亚甲基蓝染色活菌计数法。亚甲基蓝染色活菌计数法的具体方法如下：

将1克干酵母粉溶于10毫升无菌水中，或将1毫升菌种活化液用无菌水稀释至10毫升，加入0.5毫升0.1重量％亚甲基蓝，在35℃下保温30分钟。在10倍光学显微镜下，用血球计数板计数保温后的溶液中活菌的数目(死菌染色，活菌不染色)，可得1克干酵母或1毫升菌种活化液中活菌的数目，即菌落形成单位数。

所述酵母可以采用常规的方法接种，例如向酶解产物中加入5-15体积％的种子液。所述种子液可以为干酵母的水溶液或培养基溶液，也可以为干酵母或商购菌种的活化种子液。

所述发酵的温度可以为任何适于酵母生长的温度，优选为30-36℃，更优选为30-33℃。pH值为4-6，优选为4-4.5。所述发酵的时间可以为从接种开始至酵母生长的衰亡期出现(即发酵时间为迟滞期、对数期加上稳定期)的时间，优选发酵的时间为50-75小时，更优选60-70小时。发酵产物乙醇可以用常规的方法，根据不同工业产品的要求(比如燃料酒精要求乙醇的纯度达99％以上)分离并精制，比如蒸馏、浓缩、除水。

下面结合实施例对本发明进行更详细的说明。

实施例1

本实施例用于说明本发明的采用木薯原料制备乙醇的方法。

(1)木薯原料的去皮及粉碎

如下制备如图1、2和3所示的去皮设备。

滚筒2从上到下包括第一段滚筒2a和第二段滚筒2b，第一段滚筒2a和第二段滚筒2b连通，第一段滚筒2a和第二段滚筒2b的长度分别为1.8米和1.6米；所述滚筒2由钢制成，内直径为1.6米；第一段滚筒2a的内壁上固定40条长度均为1.5米的热轧带肋钢筋(牌号为HRB335，公称直径为12毫米)，各条热轧带肋钢筋与滚筒的中心轴线平行，各条热轧带肋钢筋沿滚筒内壁的圆周等间距地分布，相邻两条热轧带肋钢筋之间的圆周距离为0.125米；第二段滚筒2b的内壁上固定50条长度均为1.2米的热轧带肋钢筋(牌号为HRB500，公称直径为16毫米)，各条热轧带肋钢筋与滚筒的中心轴线平行，各条热轧带肋钢筋沿滚筒内壁的圆周等间距地分布，相邻两条热轧带肋钢筋之间的圆周距离为0.1米；滚筒2倾斜地安装在机座1上，倾斜角度为5度。螺旋进给器3由橡胶制成，螺距为0.5米，螺纹高度为0.2米；螺旋进给器3通过紧固件8固定连接在滚筒2的内壁上。驱动装置包括电动机、传动链和链轮6；链轮6固定在滚筒2上，传动链将电动机的动力传递给链轮，电动机的功率为5.5千瓦。

启动电动机，使滚筒2和螺旋进给器3绕滚筒的中心轴转动(转速为7转/分钟)；将收获的100千克表面干净的新鲜木薯(粗4-8厘米，长20-30厘米，含水量65重量％)连续通过进料口4加入到滚筒2中，木薯在滚筒中平均停留1.5分钟后从出料口5排出，收集得到95千克去皮后的木薯原料。

将该95千克木薯原料清洗后切成1厘米左右后的圆片，然后使用SFSP系列锤片式粉碎机对去皮后的木薯片进行粉碎，所述粉碎的方法包括先将60千克经过去皮的木薯进行一次粉碎20分钟，得到颗粒直径为4-5毫米的一次粉碎产物60千克，然后将10重量％的该一次粉碎产物60千克与剩余的35千克经过去皮的未经过粉碎的鲜木薯原料混合再次进行一次粉碎15分钟，得到颗粒直径为3-4毫米的一次粉碎产物，并将上述全部一次粉碎产物进行二次粉碎5分钟，得到95千克粉碎产物(该粉碎产物中木薯原料的颗粒直径为2毫米左右)。

取10克上述粉碎产物过滤并在45℃下烘干至恒重3.4克，称量300.0毫克该干燥后的粉碎产物，放置于重80克的100毫升干燥三角烧瓶内。向所述三角烧瓶内加入3.00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌1分钟。然后将三角烧瓶在30℃的水浴中放置60分钟，每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水解结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％，然后用布氏漏斗过滤，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5.5，静置5小时，收集上层清液。用0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得滤液用Biorad AminexHPX-87P高效液相色谱(HPLC)分析。HPLC条件：进样量20微升；流动相为0.2微米滤膜过滤并且超声振荡脱气的HPLC超纯水；流速为0.6毫升/分钟；柱温80-85℃；检测器温度80-85℃；检测器为折光率检测器；运行时间为35分钟。以0.1-4.0毫克/毫升浓度范围的D-(+)葡萄糖作为标准样品。HPLC分析得到粉碎产物酸水解液中葡萄糖浓度为3.70毫克/毫升，计算可得1克所述粉碎产物酸水解能得到重量为0.311克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将粉碎产物中的淀粉全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是粉碎产物中的淀粉重量的1.11倍，即1克所述粉碎产物中的淀粉含量为0.280克，则95千克粉碎产物中共含淀粉26.6千克。

(2)酶解

将步骤(1)取样测试后剩余的粉碎产物与21千克水混合，调节pH值至5，加热至70℃后，以每克粉碎产物的干重计，加入20酶活力单位的α-淀粉酶(诺维信公司购得)，并在70℃下保温酶解60分钟后得到酶解产物。

(3)发酵

使酶解产物的温度降至33℃，以每克酶解产物的重量计，接种10⁵菌落形成单位的酒精酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在33℃下于发酵罐中搅拌培养65小时，在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇14.05千克。按照下式计算乙醇产率，计算结果见表1。

乙醇产率＝100％×乙醇重量/木薯原料中所含淀粉的重量

取100克蒸馏乙醇后的发酵醪用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共342克。并按照下式计算残糖率，计算结果见表1。

残糖率＝100％×发酵醪中残糖量/木薯原料中所含淀粉的重量

实施例2

本实施例用于说明本发明的采用木薯原料制备乙醇的方法。

按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，在步骤(1)中采用人工去皮的方法用刀将木薯原料的内表皮刮去，收集得到95千克去皮后的木薯原料。按照实施例1的方法对木薯原料进行粉碎，得到95千克粉碎产物(该粉碎产物中木薯原料的颗粒直径为2毫米左右)。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出该95千克粉碎产物中共含淀粉26.5千克。按照实施例1的条件对取样测试后剩余的粉碎产物进行酶解，对酶解产物进行发酵，得到乙醇13.91千克。

取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共395克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率，计算结果见表1。

对比例1

本对比例说明采用木薯制备乙醇的参比方法。

按照实施例2的方法制备乙醇，不同的是，将95千克去皮后的木薯原料与95千克水混合(木薯原料鲜重与水的重量比为1∶1)后进行一次粉碎35分钟，然后将一次粉碎产物直接进行二次粉碎5分钟，共得到190千克粉碎产物(该粉碎产物中木薯原料的颗粒直径为4-6毫米)。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出该190千克粉碎产物中共含淀粉26.5千克。

采用与实施例1相同的条件对取样测试后剩余的粉碎产物进行酶解，对酶解产物进行发酵，得到乙醇13.51千克。

取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共530克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率，计算结果见表1。

实施例3

本实施例用于说明本发明的采用木薯原料制备乙醇的方法。

按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，所述粉碎的方法包括使用SFSP系列锤片式粉碎机先将30千克去皮后的鲜木薯原料进行一次粉碎12分钟，得到颗粒直径为5-6毫米的一次粉碎产物30千克，然后将5重量％的该一次粉碎产物1.5千克与剩余的25千克经过去皮的未经过粉碎的鲜木薯原料混合并再次进行一次粉碎10分钟，得到颗粒直径为3-4毫米的一次粉碎产物55千克，将5重量％的该一次粉碎产物2.75千克再与剩余的40千克经过去皮的未经过粉碎的木薯进行一次粉碎15分钟，共得到一次粉碎产物95千克，并将上述一次粉碎产物进行二次粉碎3分钟，得到95千克粉碎产物(该粉碎产物中木薯原料的颗粒直径为1.8-2毫米)。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出该95千克木薯浆液中共含淀粉26.8千克。

采用与实施例1相同的条件对取样测试后剩余的粉碎产物进行酶解，对酶解产物进行发酵，得到乙醇14.28千克。

取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共292克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率，计算结果见表1。

实施例4

本实施例用于说明本发明的采用木薯原料制备乙醇的方法。

按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，将64千克鲜木薯按照实施例1的方法进行去皮得到61千克木薯原料，并切片，然后将61千克去皮后的鲜木薯原料与40千克干木薯片(含水量为13重量％)与65千克水混合后得到的166千克混合物进行粉碎，粉碎的方法包括使用SFSP系列锤片式粉碎机先将40千克经过去皮的木薯原料混合物进行一次粉碎20分钟，得到木薯颗粒直径为5-6毫米的一次粉碎产物40千克，然后将8重量％的该粉碎产物3.2千克与剩余的木薯原料混合物中的30千克混合并重新进行一次粉碎10分钟，得到木薯颗粒直径为4-5毫米的一次粉碎产物共70千克，将该一次粉碎产物的10重量％的该粉碎产物7千克再与剩余的木薯原料混合物中的40千克混合物进行一次粉碎10分钟，得到颗粒直径为3-4毫米的一次粉碎产物共110千克，将该一次粉碎产物的6重量％的该粉碎产物6.6千克再与剩余的木薯原料混合物中的56千克混合物进行一次粉碎10分钟，得到颗粒直径为2-3毫米的一次粉碎产物166千克，并将上述全部一次粉碎产物进行二次粉碎5分钟，得到166千克粉碎产物(该粉碎产物中木薯原料的颗粒直径为1.6-1.8毫米)。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测得并计算出166千克粉碎产物中共含淀粉43.65千克。

采用与实施例1相同的条件对取样测试后的粉碎产物进行酶解，不同的是，酶解时加水量为30千克，对酶解产物进行发酵，得到乙醇23.48千克。

取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共566克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率，计算结果见表1。

表1

 

实施例或对比例	实施例1	实施例2	对比例1	实施例3	实施例4
						乙醇产率(％)	52.8	52.5	51.0	53.3	53.8
残糖率(％)	1.3	1.5	2.0	1.1	1.3

本发明的方法不但消耗水的量少，能够在短时间内完成粉碎，消耗的能量较少，设备的利用率高，粉碎效果高，同时采用本发明的二次粉碎的方法能够很好的控制粉碎后的得到的粉碎产物中薯类原料颗粒的粒径，使最终得到的薯类原料颗粒的粒径小且均匀。

从上表1中的数据可以看出，采用本发明提供的薯类原料制备乙醇的方法得到的乙醇的淀粉乙醇的产率明显高于由参比方法得到的乙醇的淀粉乙醇的产率，且与现有技术比较，本发明的制备乙醇的方法的残糖率大大降低。

Claims (13)

1、一种采用薯类原料制备乙醇的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将去皮后的薯类原料进行一次粉碎，得到一次粉碎产物；

(2)将步骤(1)得到的一次粉碎产物的一部分进行二次粉碎，得到二次粉碎产物，将剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料混合然后进行一次粉碎，得到一次粉碎产物；

(3)将步骤(2)得到的一次粉碎产物全部进行二次粉碎，得到二次粉碎产物，或者利用步骤(2)得到的一次粉碎产物代替步骤(1)得到的一次粉碎产物重复步骤(2)的操作；

(4)将步骤(2)的二次粉碎产物和步骤(3)的二次粉碎产物与酶混合、酶解，得到酶解产物；和

(5)发酵步骤(4)的酶解产物，

其中，在步骤(2)中，剩余部分的一次粉碎产物为全部一次粉碎产物重量的5-20重量％；剩余部分的一次粉碎产物占剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料的总重量的5-20重量％；

所述薯类原料为干木薯，该方法还包括在步骤(1)中将去皮后的薯类原料进行一次粉碎前加入水，水的用量为薯类原料干重的0.5-2倍；或者所述薯类原料为鲜木薯、或者重量比为1:1.5-2.5的干木薯与鲜木薯的混合物。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，剩余部分的一次粉碎产物为全部一次粉碎产物重量的5-10重量％；剩余部分的一次粉碎产物占剩余部分的一次粉碎产物与去皮后的未粉碎的薯类原料的总重量的5-10重量％。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，一次粉碎产物中，薯类原料的颗粒直径为2.5-10毫米，二次粉碎产物中，薯类原料的颗粒直径为1.6毫米至小于2.5毫米。

4、根据权利要求1所述的方法，其中，所述薯类原料为鲜木薯，鲜木薯通过使用一种薯类去皮设备进行去皮，该薯类去皮设备包括机座(1)、滚筒(2)、螺旋进给器(3)和驱动装置，滚筒(2)可转动地安装在机座(1)上，滚筒(2)具有进料口(4)和出料口(5)，所述螺旋进给器(3)位于滚筒(2)中并与滚筒的内壁固定连接，所述驱动装置用于驱动滚筒(2)和螺旋进给器(3)一起转动；鲜木薯去皮的方法包括鲜木薯通过所述进料口(4)放入到所述滚筒(2)中，利用所述驱动装置驱动滚筒(2)和螺旋进给器(3)一起转动。

5、根据权利要求4所述的方法，其中，所述滚筒(2)的内壁上具有摩擦结构。

6、根据权利要求5所述的方法，其中，所述摩擦结构为一条或多条带肋钢筋。

7、根据权利要求6所述的方法，其中，所述带肋钢筋与滚筒(2)的中心轴线平行。

8、根据权利要求4所述的方法，其中，所述滚筒(2)的倾斜角度为0-15度，长度为2-10米；滚筒(2)和螺旋进给器(3)的转动速度为2-50转/分钟；所述倾斜角度指滚筒(2)的中心轴与水平线的夹角。

9、根据权利要求4所述的方法，其中，所述螺旋进给器(3)的螺距为0.3-0.8米，螺纹高度为0.1-0.4米。

10、根据权利要求4所述的方法，其中，所述驱动装置包括驱动源、传动链和链轮(6)，链轮(6)固定在滚筒(2)上，传动链将驱动源的动力传递给链轮。

11、根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶为淀粉酶，以每克二次粉碎产物的干重计，所述淀粉酶的用量为4-50酶活力单位；所述酶解的温度为50-90℃，所述酶解的时间为20-240分钟，所述酶解的pH值为3-7；所述酶的酶活力单位的定义为：在pH值为6.0、温度为70℃的条件下，1分钟将1毫克淀粉转化为葡萄糖所需的酶量为一个酶活力单位。

12、根据权利要求11所述的方法，其中，所述淀粉酶为α-淀粉酶、糖化酶、转移葡萄糖苷酶和磷酸酯酶中的一种或几种。

13、根据权利要求1所述的方法，其中，以每克酶解产物计，所述发酵所使用的酵母的接种量为10³-10⁸菌落形成单位，所述发酵的温度为30-36℃，发酵的时间为50-75小时；所述菌落形成单位的定义为将稀释后的一定量的菌液通过浇注或涂布的方法，让其内的微生物单细胞一一分散在培养基平板上，待培养后，每一活细胞就形成一个菌落，菌落形成单位的值为每毫升菌液中含有的单细胞的数目。

Images