CN101914578A - 以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法 - Google Patents

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武玉学
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Abstract

本发明公开一种以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，步骤如下：将柑橘皮渣烘干、粉碎、过筛得到柑橘皮渣粉；将柑橘皮渣粉放入发酵罐中，加水，调pH至4.0～6.5，添加水解酶，在温度45～65℃，搅拌水解12～24h；然后升温至90～98℃，保持15～25分钟灭酶；然后离心取上清液加入一定物质配制成发酵培养基，升温至121～125℃，保持15～25分钟灭菌，然后将种子液接入到上述灭菌的发酵培养基中进行发酵，发酵结束后离心取上清液进行蒸馏、精馏，得到乙醇产品。本发明采用柑橘皮渣生产乙醇的方法，提高了乙醇的产量和产率，适于工业化生产，同时更加充分的利用了柑橘皮渣，减少废弃物的排放，有利于保护环境。

Description

以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体是指一种以柑橘皮渣为原料，通过酶水解柑橘皮渣中的纤维素、半纤维素，然后通过酵母菌发酵柑橘皮渣水解物生产乙醇的方法，即一种以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法。
技术背景
柑橘植物是指芸香科柑橘亚科柑橘族柑橘亚族真正柑橘组的六属植物。真正柑橘组六属植物果实为典型的柑果。目前，我国种植的柑橘果树主要有金柑、枳和柑橘三属植物。我国是柑橘生产的大国，在19个省(自治区、直辖市)有柑橘种植分布，其中以福建、浙江、湖南、湖北、江西、四川、重庆、广东、广西种植较多，柑橘产量居世界第三位。近年来，由于柑橘产量连年增加，销售压力进一步增大，出现了果农“卖橘难”的现象；而将柑橘进行深加工(如榨汁、加工成罐头等)是解决“卖橘难”问题的有效途径。在柑橘的深加工过程中，会产生大量的加工副产物-柑橘皮渣(包括柑橘皮、种子、橘络和残余果肉等)，柑橘皮渣重量约占柑橘果重的20％-40％；在柑橘皮渣中纤维素和半纤维素约占50％-60％。目前，大部分柑橘皮渣未被利用而直接丢弃，既浪费了资源又污染了环境；加强对废弃柑橘皮渣的利用，对于提高柑橘加工企业的经济效益和减少污染、保护环境都具有重要意义。
而另一方面，石油等不可再生资源是当前最主要的能源物质，大量消耗必将导致快速枯竭，寻找可再生的替代能源，已成为维持社会可持续发展的紧迫任务。生物燃料乙醇作为一种可再生的新型能源燃料，它的开发受到了普遍重视。生物燃料乙醇的生产方法根据原料区分有：糖类、谷物淀粉类和纤维素类。以谷物淀粉类和糖类为原料，每生产1吨乙醇，大约需要消耗粮食3吨左右。由于粮食的价格和来源受到限制，导致燃料乙醇的成本居高不下，严重限制了燃料乙醇工业的发展。如能利用大量低成本的纤维素类原料(如：废弃柑橘皮渣)生产燃料乙醇，则可扩大燃料乙醇的产量并降低生产成本，对于减少环境污染，节约石油资源具有重要意义，并将产生显著的经济与社会效益。
纤维素是由葡萄糖分子通过β-1，4糖苷键连接而成的链状高分子聚合物，其水解产物是葡萄糖。半纤维素是由多种多糖分子组成的支链聚合物，主要成份是木聚糖，其水解产物是木糖。本发明是通过酶水解柑橘皮渣的纤维素和半纤维素，利用酵母菌发酵水解物生产乙醇。
目前，国内已有人采用压榨柑橘皮渣得到榨出液，接种酵母菌发酵生产乙醇。如饶志明等发表的文章，“1.饶志明.微生物发酵法从柑橘皮渣制取乙醇的研究，果树科学，2000，17(1)：31-34.”、“2.饶志明，李文琦，蔡志防等.从柑橘皮中同时制取乙醇和橙皮甙的新方法，漳州师范学院学报(自然科学版)，2000，13(4)：56-60.”。这两篇文章报道的方法都是通过压榨柑橘皮渣得到榨出液，榨出液中含有葡萄糖、果糖、蔗糖等可发酵性糖，接种酵母菌发酵生产乙醇。其美中不足是，柑橘皮渣中大量的纤维素、半纤维素并未得到利用，仅仅利用柑橘皮中的少量可发酵性糖，如1500g柑橘皮，经压榨、发酵后得到的乙醇产量仅为20mL，乙醇的产率很低，不具备工业化生产的价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能将柑橘皮渣中纤维素、半纤维素水解为葡萄糖、木糖等，然后利用上述的葡萄糖、木糖等水解产物并采用酵母菌发酵生产乙醇的方法，该方法提高了乙醇的产量和产率，适于工业化生产，同时更加充分的利用了柑橘皮渣，减少废弃物的排放，有利于环境保护。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，其制备步骤如下：
(1)将柑橘皮渣烘干至水分含量＜5％，然后粉碎，再将粉碎后的柑橘皮渣过100目筛得到柑橘皮渣粉；
(2)将柑橘皮渣粉放入发酵罐中，加入水，水∶柑橘皮渣粉的质量比为10～30∶1，搅拌均匀，调pH至4.0～6.5；以柑橘皮渣粉的质量计，添加1.0％～10.0％的水解用酶，然后将发酵罐内温度升温至45～65℃，搅拌水解12～24h；
(3)搅拌水解结束后，升温至90～98℃，保持15～25分钟灭酶；
(4)将上述步骤(3)灭酶后的水解液取出离心，离心转速3500～4000r/min，离心15～20分钟，然后取上清液；
(5)将上述上清液加入发酵罐中，然后再加入以下物质配制成发酵培养基，并使得以下物质在发酵培养基中的含量为：酵母提取物1.5～3.5g/L、蛋白胨2～4g/L、KH2PO4 3～5g/L、(NH4)2SO4 1.5～3g/L、MgSO4 0.2～1.2g/L、CaCl2 0.1～0.5g/L；加入后升温至121～125℃，保持15～25分钟灭菌；
(6)将保藏的酵母菌种，接种到种子培养基中，在25～35℃，搅拌速率100～200r/min，培养12～48h，得到酵母菌的种子液；将上述得到酵母菌的种子液按5％～20％(体积比)的比例接入步骤(5)灭菌后的发酵培养基中，然后调pH至4.0～6.0，在培养温度25～35℃、搅拌速率0～200r/min的条件下发酵12～48h；
(7)发酵结束后，将发酵液取出离心，离心转速3500～4000r/min，离心15～20分钟，取上清液；将上清液进行蒸馏、精馏，得到乙醇产品。
在本发明上述步骤(2)的酶解过程中，首先，根据添加的纤维素酶或木聚糖酶的最适温度和最适pH(温度45～65℃，pH 4.0～6.5)，通过温度探头、pH探头和相关的控制仪器，用控制加热装置的开关和适当滴加酸或碱的方法，自动控制温度和pH保持在纤维素酶或木聚糖酶的最适值；类似地，在步骤(6)的发酵过程中，通过同样的方法自动控制温度和pH保持在酵母菌的最适值。
本发明步骤(6)所述的酵母菌为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、克鲁维酵母(Kluyveromyces sp.)、嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、季也蒙毕赤酵母(Pichiaguilliermondii)、酒香酵母(Brettanomyces anomalus)和产阮假丝酵母(Candida Utilis)中的一种或者一种以上。
本发明上述的水解用酶为纤维素酶或木聚糖酶或者上述两种酶的混合。
本发明步骤(1)将柑橘皮渣烘干至水分含量＜5％，采用在60～80℃下烘干16～32h来实现。
本发明以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.由于本发明使用纤维素酶或木聚糖酶水解柑橘皮渣的纤维素或半纤维素，得到的水解产物中含有大量的葡萄糖或木糖，可被酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)或嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)等酵母菌发酵利用，生产乙醇，从而克服了现有的技术仅仅是压榨柑橘皮渣得到的榨出液中含有少量的可发酵性糖，导致最终的乙醇产率很低的不足。
2.由于本发明在整个酶水解过程和酵母菌发酵过程中，根据添加的纤维素酶或木聚糖酶的最适温度和最适pH，通过温度探头、pH探头和相关的控制仪器，用控制加热装置的开关和适当滴加酸或碱的方法，自动控制温度、pH保持在最适值，最大限度发挥了酶的活性，提高了纤维素、半纤维素的水解效率；使得水解液中含有大量的葡萄糖或木糖，为酵母菌进行乙醇发酵提供了充足的底物。采用同样的方法，可使酵母菌保持在最适发酵温度和最适pH的条件下进行乙醇发酵，有利于提高乙醇的产率，乙醇的产率最佳可达14.6g/L。
3.本发明工艺简便，生产周期短，乙醇产率高，为柑橘皮渣的深加工生产高附加值产品提供了一条新的途径。
具体实施方式
下面给出3个优选实施例，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
实施例1：
将柑橘皮渣在60℃下烘干32h，粉碎机粉碎，过100目筛得柑橘皮渣粉；称取柑橘皮渣粉150g，加入2.85kg水，搅拌均匀，调节pH至4.0，然后加入7.5g纤维素酶，在温度55℃，搅拌水解时间14h，水解结束后，升温至95℃，保持25分钟灭酶；将上述反应完毕的水解液离心，在4000r/min离心分离15分钟，取上清液；经DNS法测定，水解液中葡萄糖浓度为14.38g/L。将上述上清液加入发酵罐中，并加入酵母提取物2.5g/L、蛋白胨3.0g/L、KH2PO4 5g/L、(NH4)2SO4 2g/L、MgSO4 0.4g/L、CaCl2 0.25g/L配制成发酵培养基(加入的酵母提取物、蛋白胨、KH2PO4、(NH4)2SO4、MgSO4、CaCl2等物质的上述含量是指它们在发酵培养基中的最终含量，实施例2-3亦同)，然后升温至121℃，保持20分钟灭菌；将保藏的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)接种到种子培养基(YPD)，种子培养基的组成如下：葡萄糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母提取物10g/L；然后在25～35℃，搅拌速率100～200r/min，培养12～48h，得到酿酒酵母的种子液；然后将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的种子液按5％的比例接入到上述灭菌后的发酵培养基中，然后调pH至5.0，在培养温度32℃，搅拌速率150r/min的条件下发酵24h；发酵完成后，经气相色谱法测定发酵液中的乙醇浓度为：8.16g/L。发酵结束后，将发酵液取出离心，在离心转速4000r/min下离心15min，取上清液；将上清液进行蒸馏、精馏(蒸馏、精馏为常规技术)，得到乙醇产品。
实施例2：
将柑橘皮渣在70℃下烘干24h，粉碎机粉碎，过100目筛得柑橘皮渣粉；称取柑橘皮渣粉200g，加入2.8kg水，搅拌均匀，调节pH至5.0，然后加入10g木聚糖酶，温度50℃，酶解时间20h，水解结束后，升温至97℃，保持20分钟灭酶；将上述反应完毕的水解液离心，4000r/min，20分钟，取上清液；经DNS法测定，水解液中木糖浓度为15.39g/L。将上述上清液装入发酵罐中，并加入酵母提取物2.0g/L、蛋白胨3.0g/L、KH2PO4 4.0g/L、(NH4)SO42.5g/L、MgSO40.8g/L、CaCl20.4g/L，升温至121℃，保持22分钟灭菌；将保藏的嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)接种到种子培养基，种子培养基组成为：木糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母提取物10g/L；然后在25～35℃，搅拌速率100～200r/min，培养12～48h，得到嗜鞣管囊酵母的种子液；
将嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)的种子液按8％的比例接入发酵培养基，然后调pH至5.5，培养温度28℃，搅拌速率100r/min条件下发酵16h；经气相色谱法测定发酵液中的乙醇浓度为：10.1g/L。发酵结束后，将发酵液取出离心，4000r/min，离心18min，取上清液；将上清液进行蒸馏、精馏，得到乙醇产品。
实施例3：
将柑橘皮渣在80℃下烘干20h，粉碎机粉碎，过100目筛得柑橘皮渣粉；称取柑橘皮渣粉300g，加入7.2kg水，搅拌均匀，调节pH至4.5，然后加入12g纤维素酶和15g木聚糖酶，温度50℃，酶解时间24h，水解结束后，升温至98℃，保持23分钟灭酶；将上述反应完毕的水解液离心，4000r/min，18分钟，取上清液；经DNS法测定，水解液中还原糖(包括葡萄糖和木糖)浓度为25.2g/L。将上述上清液装入发酵罐中，并加入酵母提取物2.5g/L、蛋白胨3.0g/L、KH2PO4 4.5g/L、(NH4)SO42.5g/L、MgSO41.0g/L、CaCl2 0.3g/L，升温至121℃，保持25分钟灭菌；将保藏的酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)接种到种子培养基(YPD)，培养基组成：葡萄糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母提取物10g/L；然后在25～35℃，搅拌速率100～200r/min，培养12～48h，得到酿酒酵母的种子液；将保藏的嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)接种到种子培养基，培养基组成为：木糖20g/L，蛋白胨20g/L，酵母提取物10g/L；然后在25～35℃，搅拌速率100～200r/min，培养12～48h，得到嗜鞣管囊酵母的种子液；
将上述的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和嗜鞣管囊酵母(Pachysolentannophilus)的种子液按10％的比例接入发酵培养基(两种酵母种子液的体积比为1∶1)，然后调pH至5.0，培养温度30℃，搅拌速率100r/min，发酵时间48h；经气相色谱法测定发酵液中的乙醇浓度为：14.6g/L。发酵结束后，将发酵液取出离心，4000r/min，离心20min，取上清液；将上清液进行蒸馏、精馏，得到乙醇产品。

Claims (5)

1.一种以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，其特征在于，制备步骤如下：
(1)将柑橘皮渣烘干至水分含量＜5％，然后粉碎，再将粉碎后的柑橘皮渣过100目筛得到柑橘皮渣粉；
(2)将柑橘皮渣粉放入发酵罐中，加入水，水∶柑橘皮渣粉的质量比为10～30∶1，搅拌均匀，调pH至4.0～6.5；以柑橘皮渣粉的质量计，添加1.0％～10.0％的水解用酶，然后将发酵罐内温度升温至45～65℃，搅拌水解12～24h；
(3)搅拌水解结束后，升温至90～98℃，保持15～25分钟灭酶；
(4)将上述步骤(3)灭酶后的水解液取出离心，离心转速3500～4000r/min，离心15～20分钟，然后取上清液；
(5)将上述上清液加入发酵罐中，然后再加入以下物质配制成发酵培养基，并使得以下物质在发酵培养基中的含量为：酵母提取物1.5～3.5g/L、蛋白胨2～4g/L、KH2PO4 3～5g/L、(NH4)2SO4 1.5～3g/L、MgSO4 0.2～1.2g/L、CaCl2 0.1～0.5g/L；加入后升温至121～125℃，保持15～25分钟灭菌；
(6)将保藏的酵母菌种，接种到种子培养基中，在25～35℃，搅拌速率100～200r/min，培养12～48h，得到酵母菌的种子液；将上述得到酵母菌的种子液按5％～20％的比例接入步骤(5)灭菌后的发酵培养基中，然后调pH至4.0～6.0，在培养温度25～35℃、搅拌速率0～200r/min的条件下发酵12～48h；
(7)发酵结束后，将发酵液取出离心，离心转速3500～4000r/min，离心15～20分钟，取上清液；将上清液进行蒸馏、精馏，得到乙醇产品。
2.根据权利要求1所述的以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，其特征在于：所述柑橘是指芸香科柑橘亚科柑橘族柑橘亚族真正柑橘组的六属植物的果实。
3.根据权利要求1所述的以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，其特征在于：在步骤(2)的水解过程中，首先，根据添加的纤维素酶或木聚糖酶的最适温度和最适pH，通过温度探头、pH探头和相关的控制仪器，用控制加热装置的开关和适当滴加酸或碱的方法，自动控制温度和pH保持在纤维素酶或木聚糖酶的最适值；同样，在步骤(6)的发酵过程中，通过同样的方法自动控制温度和pH保持在酵母菌的最适值。
4.根据权利要求1或3所述的以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，其特征在于：所述酵母菌为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、克鲁维酵母(Kluyveromyces sp.)、嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、季也蒙毕赤酵母(Pichia guilliermondii)、酒香酵母(Brettanomyces anomalus)和产阮假丝酵母(Candida Utilis)中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的以柑橘皮渣为原料生产乙醇的方法，其特征在于：所述的水解用酶为纤维素酶或木聚糖酶或者上述两种酶的混合。
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