CN101497899A - 一种利用甜高粱制备乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用甜高粱制备乙醇的方法包括将甜高粱秸秆进行撕解，将得到的秸秆撕解物加入到压榨机中进行压榨，并发酵得到的甜高粱糖汁，其中，该方法还包括在将得到的秸秆撕解物进行压榨之前，在秸秆撕解物中加入水；秸秆撕解物的加料角度不小于5度，所述加料角度指秸秆撕解物所在的平面与水平面之间的夹角。本发明的方法在秸秆撕解物中加入水，可以使渗透在秸秆的纤维中和/或纤维之间的糖分溶解在水中，在压榨时就能够将溶解在水中的糖分挤出，有效提高原料的利用率。此外，在本发明的方法中，秸秆撕解物的加料角度为10－35度，在进入到压榨机中之前，秸秆撕解物的位置比进料口的位置高，能够防止秸秆撕解物在进料时打滑，从而提高进料速度。

Description

一种利用甜高粱制备乙醇的方法
技术领域
本发明是关于乙醇的制备方法，更具体地是关于利用甜高粱制备乙醇的方法。
背景技术
甜高粱也叫芦栗、甜杆或糖高粱，是一种具有较高生物产量和糖产量的作物品种。甜高粱的主要成分是糖类，以葡萄糖和蔗糖为主，含有少量的蛋白质和脂肪，是发酵工业的良好碳源，作为碳源可广泛应用于抗生素、有机酸、味精、酒精、酵母及核苷酸的发酵生产中，亦可作为添加剂直接用于食品工业中。由于甜高粱的茎杆中含糖量较高，而且较容易转化为酒精，因此从能源安全和经济发展方面来说，由甜高粱制取燃料乙醇具有较为广阔的前景。
现有技术的采用甜高粱制备乙醇的方法主要有两种：一种是液态发酵，即，将甜高粱秸秆榨汁后，对汁液进行发酵；另一种是固态发酵，即，将甜高粱秸秆直接粉碎后进行发酵。CN 1616666A公开了一种利用甜高粱秸秆制造乙醇液体发酵技术，所采用的技术方案是：将甜高粱秸秆粉碎(也称为“撕解”)后榨汁，均匀加入发酵酵母，发酵30-40小时，再进行蒸馏。
采用如上所述的方式进行液体发酵时，甜高粱秸秆的出汁率较低，压榨完之后还有相当一部分的糖分残留在秸秆撕解物中，因此原料的利用率比较低。
此外，一般采用平流式进料法(即物料与进料口差不多在同一个水平面上，进料角度为0)将甜高粱秸秆撕解物加入到压榨机中，进料速度比较慢。
发明内容
本发明的目的是克服现有的采用甜高粱制备乙醇的方法的原料利用率比较低并且在压榨时进料速度比较慢的缺点，提供一种能够有效提高原料利用率和进料速度的利用甜高粱制备乙醇的方法。
本发明的发明人发现，现有技术的采用甜高粱制备燃料乙醇的方法中，将甜高粱秸秆撕解后直接进行压榨，甜高粱秸杆中所含的糖分渗透在秸秆的纤维中和/或纤维之间，从而在压榨的过程中难以将糖分压榨出，当甜高粱秸秆的含水量较低时(例如60重量％以下)，这个问题更加突出。本发明的发明人还发现，如果在压榨之前在秸秆撕解物中加入一定量的水，使渗透在秸秆的纤维中和/或纤维之间的糖分溶解在水中，那么在压榨时就能够将溶解在水中的糖分挤出，显著降低了糖分的残留量，有效提高原料的利用率。此外，由于甜高粱秸杆撕解物中的纤维主要是短纤维，秸秆撕解物容易造成粉尘，在秸秆撕解物中加入一定量的水可以减少粉尘，净化工作环境。一般使用三辊压榨机，在用平流式进料法进料时，秸秆撕解物进入到顶辊和前辊之间，由于短纤维之间的连系很少，进入到顶辊和前辊之间的短纤维无法对后续的短纤维起到牵引作用，因此，秸秆撕解物在进料时容易打滑，从而影响进料速度。
本发明提供了一种利用甜高粱制备乙醇的方法，该方法包括将甜高粱秸秆进行撕解，将得到的秸秆撕解物加入到压榨机中进行压榨，并发酵得到的甜高粱糖汁，其中，该方法还包括在将得到的秸秆撕解物进行压榨之前，在秸秆撕解物中加入水；秸秆撕解物的加料角度α为10-35度，所述加料角度α指秸秆撕解物所在的平面与水平面之间的夹角。
本发明的方法在秸秆撕解物中加入水，可以使渗透在秸秆的纤维中和/或纤维之间的糖分溶解在水中，在压榨时就能够将溶解在水中的糖分挤出，有效提高原料的利用率。例如，在其它条件都相同的情况下，实施例1的乙醇产率为6.74％，而对比例1的乙醇产率仅为5.55％。此外，在本发明的方法中，秸秆撕解物的加料角度为10-35度，在进入到压榨机中之前，秸秆撕解物的位置比进料口(即顶辊和前辊之间的间隙)的位置高，能够防止秸秆撕解物在进料时打滑，从而提高进料速度。
附图说明
图1为压榨机的侧视图。
具体实施方式
本发明提供的利用甜高粱制备乙醇的方法包括将甜高粱秸秆进行撕解，将得到的秸秆撕解物加入到压榨机中进行压榨，并发酵得到的甜高粱糖汁，其中，该方法还包括在将得到的秸秆撕解物进行压榨之前，在秸秆撕解物中加入水；秸秆撕解物的加料角度不小于5度。
对水的加入量和温度没有特别的限定，优选情况下，水的加入量为所述秸秆撕解物的5-35重量％、更优选为10-30重量％；水的温度为5-60℃、更优选为4-55℃。采用该优选实施方式，可以更有效地使渗透在秸秆的纤维中和/或纤维之间的糖分溶解在水中，从而进一步提高原料利用率。
对于连续性生产，一般使用传送带将撕解物从撕解机输送到压榨机中，可以在传送带上传送时，将水加到撕解物中。
将甜高粱秸秆进行破碎可以采用本领域常规的各种方法进行。例如，所述将甜高粱秸秆进行破碎的方法可以采用本领域的各种常规的破碎甜高粱秸秆的方法，如利用各种破碎设备，例如撕解机，将甜高粱秸秆进行破碎，将甜高粱秸秆中的长纤维破碎成短纤维，以利于压榨步骤中糖汁被充分榨出。
对秸秆撕解物进行压榨的方法可以采用本领域的各种常规的压榨方法，如，利用压榨设备压榨秸秆撕解物得到甜高粱糖汁。所述压榨的条件、方法和设备为本领域技术人员所公知。例如，可以使用三辊压榨机。图1为三辊压榨机的侧视图，如图1所示，三辊压榨机一般包括3个辊和机架，3个辊相互平行地安装在机架上并构成三角形，视其所处位置分别称为顶辊1、前辊2和后辊3。顶辊与前、后辊间有间隙，秸秆撕解物一般加入到顶辊1与前辊2的间隙中。3个辊的轴端带有传动齿，由电动机、汽轮机或蒸汽机经减速装置驱动顶辊1，从而使3个辊以相同的速度转动。可以使用一座压榨机进行压榨，也可以使用多座压榨机进行多次压榨，图1中表示了三座压榨机。
根据本发明的方法，秸秆撕解物的加料角度为10-35度，优选为10-30度，更优选为10-25度。所述加料角度是指秸秆撕解物所在的平面与水平面之间的夹角，如图1中表示为α。当使用传送带将撕解物从撕解机输送到压榨机中，秸秆撕解物所在的平面即为传送带所在的平面。在进入到压榨机中之前，秸秆撕解物的位置比进料口(即顶辊和前辊之间的间隙)的位置高。
所述发酵得到的甜高粱糖汁的方法亦可以采用本领域技术人员公知的各种方法进行，例如，所述方法包括将酵母与甜高粱糖汁混合，并在最适条件下进行发酵，所述发酵用酵母的种类以及酵母的接种量没有特别限定。
甜高粱含有大量蔗糖、葡萄糖和果糖，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，由于酿酒酵母有分解蔗糖的蔗糖酶以及果糖、葡萄糖之间相互转化的异构酶，因此，采用酿酒酵母可以直接对甜高粱的糖汁进行酒精发酵，本发明优选所述发酵所使用的酵母为酿酒酵母。
以每克甜高粱糖汁计，发酵所使用的酵母的接种量为103-108菌落形成单位，更优选为104-106菌落形成单位。
所述酵母可以采用常规的方法接种，例如向糖汁中加入5-12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。
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(比如古巴1号酵母、古巴2号酵母、4608酵母)。
所述酵母的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。
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32-35℃。pH值为3.0-5.0，优选为3.5-4.5。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25-70小时，更优选25-65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。
本发明的方法适用于各种甜高粱秸秆，并特别适用于含水量比较低的甜高粱秸秆，例如，含水量为5-60重量％甜高粱秸秆(以秸秆的总重为基准)。新鲜的甜高粱秸秆的含水量一般为70-80重量％，储存一段时间后含水量会有所降低。
下面结合实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例1-6以及对比例1中所用的原料为同一批刚刚收割的新鲜甜高粱。将新鲜的甜高粱秸秆，并将收割后的甜高粱秸秆扎成捆，每捆甜高粱的重量约20千克，长度约4米。然后将扎成捆的甜高粱平躺、叠置堆放在地面上，堆放高度为10米。在温度为10℃、相对湿度为70％的条件下储存30天后，用来制备乙醇。根据如下方法测定储存后的甜高粱的含水量为55重量％：
称取秸秆的初始重量W1，然后在70-100℃下烘干至恒重W2，含水量(重量％)＝(W1-W2)/W1×100％。
实施例1-6以及对比例1中所使用如下相同的撕解机和压榨机。
撕解机：两台串联的撕解机(南宁克林机械有限公司)，第一台撕解机的回旋直径(转辊外侧设置的成180度相对的两片撕解刀的刀尖之间的距离)为1.2米，功率为138千瓦；第二台撕解机的回旋直径为1.1米，功率为110千瓦。
压榨机：五台串联的压榨机(中信重型机械公司)，压榨机的转辊线速度为18米/秒，转辊直径450毫米，长800毫米，转辊间距为20毫米，每台压榨机的功率为60千瓦。
实施例1
本实施例用于说明本发明的利用甜高粱制备乙醇的方法。
将上述经过储存的含水量为55重量％的约100千克甜高粱秸秆送入撕解机中进行撕解，得到秸秆撕解物。通过将水喷在秸秆撕解物上而在秸秆撕解物中加入5千克水(60℃)。然后将加水后的秸秆撕解物送入压榨机中进行榨汁，五台压榨机的进料角度均为15度，5分钟后完成榨汁。将榨出的汁液过滤后，得到糖汁。
以每克糖汁的重量计，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32℃下于发酵罐中搅拌培养40小时，得到发酵产物。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6.74千克。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/甜高粱秸秆重量
对比例1
本对比例用于说明现有技术的利用甜高粱制备乙醇的方法。
按照实施例1的方法采用甜高粱制备乙醇，不同的是，没有在撕解得到的秸秆撕解物加水，而是直接送入压榨机中榨汁，五台压榨机的进料角度均为0度，20分钟后完成榨汁，得到乙醇5.55千克，并按照实施例1中的公式计算乙醇的产率，结果如表1所示。
实施例2
本实施例用于说明本发明的利用甜高粱制备乙醇的方法。
将上述经过储存的含水量为55重量％的约100千克甜高粱秸秆送入撕解机中进行撕解，得到秸秆撕解物。通过将水喷在秸秆撕解物上而在秸秆撕解物中加入12千克水(50℃)。然后将加水后的秸秆撕解物送入压榨机中进行榨汁，五台压榨机的进料角度均为20度，3分钟后完成榨汁。将榨出的汁液过滤后，得到糖汁。
按照与实施例1相同的方法进行发酵、蒸馏，得到6.80千克乙醇。并按照实施例1中的公式计算乙醇的产率，结果如表1所示。
实施例3
本实施例用于说明本发明的利用甜高粱制备乙醇的方法。
将上述经过储存的含水量为55重量％的约100千克甜高粱秸秆送入撕解机中进行撕解，得到秸秆撕解物。通过将水喷在秸秆撕解物上而在秸秆撕解物中加入18千克水(70℃)。然后将加水后的秸秆撕解物送入压榨机中进行榨汁，五台压榨机的进料角度均为25度，3分钟后完成榨汁。将榨出的汁液过滤后，得到糖汁。
按照与实施例1相同的方法进行发酵、蒸馏，得到6.85千克乙醇。并按照实施例1中的公式计算乙醇的产率，结果如表1所示。
实施例4-6
实施例4-6用于说明本发明的利用甜高粱制备乙醇的方法。
按照与实施例1的方法采用甜高粱制备乙醇，不同的是，在撕解得到的秸秆撕解物加的水的量分别为25千克、30千克和35千克，分别得到乙醇6.92千克、6.87千克和6.90千克，并按照实施例1中的公式计算乙醇的产率，结果如表1所示。
表1
 
实施例编号 加水量(重量％) 乙醇产率(％)
实施例1 5 6.74
对比例1 0 5.55
实施例2 12 6.80
实施例3 18 6.85
实施例4 25 6.92
实施例5 30 6.87
实施例6 35 6.90
从表1所示的结果可以看出，对比例1没有在秸秆撕解物中加水，乙醇产率仅为5.55％，实施例1-3在秸秆撕解物中加入水，乙醇产率均大于6.7％，乙醇产率大幅提高，说明采用本发明提供的方法可以显著提高甜高粱的原料利用率。
此外，从榨汁过程可以看出，在其它条件相同的情况下，对比例1的加料角度为0，20分钟才完成榨汁，而实施例1-3的加料角度分别为15、20和25度，分别用5、3和3分钟完成榨汁，说明采用本发明提供的进料方式能够显著地提高进料速度。

Claims (8)

1、一种利用甜高粱制备乙醇的方法，该方法包括将甜高粱秸秆进行撕解，将得到的秸秆撕解物加入到压榨机中进行压榨，并发酵得到的甜高粱糖汁，其特征在于，该方法还包括在将得到的秸秆撕解物进行压榨之前，在秸秆撕解物中加入水；秸秆撕解物的加料角度(α)为10-35度，所述加料角度(α)指秸秆撕解物所在的平面与水平面之间的夹角。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，水的加入量为所述秸秆撕解物的5-35重量％。
3、根据权利要求2所述的方法，其中，水的加入量为所述秸秆撕解物的10-30重量％。
4、根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，水的温度为5-60℃。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，甜高粱秸秆的含水量为5-60重量％。
6、根据权利要求1所述的方法，其中，秸秆撕解物的加料角度(α)为10-30度。
7、根据权利要求6所述的方法，其中，秸秆撕解物的加料角度(α)为10-25度。
8、根据权利要求1所述的方法，其中，发酵得到的甜高粱糖汁的方法包括将酵母与甜高粱糖汁混合，以每克甜高粱糖汁计，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25-70小时。
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