CN101979614A - 一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法 - Google Patents

一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，步骤为：(1)配制质量浓度大于30％的粉浆；(2)在粉浆中添加30～50单位每克的淀粉酶，将粉浆低温液化；(3)冷却液化后的粉浆至常温，添加酵母和糖化酶进行生料同步糖化和发酵，初始酵母浓度为0.5亿个每毫升，糖化酶初始添加量为每克原料加80～120单位，糖化酶以初始值为5.5单位/克原料每小时的速度流加；从发酵6～10小时开始每2小时测一次酵母浓度，根据酵母细胞浓度变化调节糖化酶的流加速度，主发酵32～36小时后进入后熟阶段，停止糖化酶的流加，32～36小时后得到成熟醪液；(4)将成熟醪液进行精馏加工得到乙醇。该方法简捷、物耗能耗低，生产成本低。

Description

一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法
技术领域
本发明专利涉及一种生产乙醇的方法，特别是涉及一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法。
背景技术
乙醇作为解决能源危机可再生能源的最重要产品之一，如何进一步对其生产技术进行改进，降低其生产成本，减少环境污染，一直是世界能源行业关注的热点和焦点。世界许多国家开始利用生物质资源进行燃料乙醇的工业化生产。2008年，燃料乙醇的最大生产国巴西生产燃料乙醇达300亿公升；欧盟燃料乙醇的消费则为175万吨；美国产量110亿加仑，美国新能源法案提出，到2012年利用燃料乙醇或生物燃料将达2300万吨。
在当前技术条件下，乙醇生产面临的最主要问题是生产所排放的乙醇糟液对环境的污染和由于耗能多、发酵强度低等原因造成生产成本偏高。开发原创性高新技术，源头上减少过程排放，提高设备利用率，最大限度降低燃料乙醇生产过程的物耗、能耗和废物排放，进而降低燃料乙醇生产的综合成本，是一项极为紧迫的任务。浓醪发酵在诸多高密度乙醇发酵技术中被认为是一项能代表燃料乙醇未来发展方向的技术之一。根据测算，蒸馏时乙醇浓度在7％以下时耗能最大。如果将发酵醪乙醇浓度提高4％约可以减少30％的蒸馏能耗，并且可以减少大量的废水排放。
发酵过程代谢产物的浓度或总活性比较低，提高最终浓度可以极大地减少下游分离精制过程的负担，降低整个过程的生产费用。通过优化发酵过程的环境因子、操作条件以及操作方式，可以得到所期望的最大终端产物浓度、最大生产效率，或者最高原料转化率。但是，通常情况下这三项优化指标是不可能同时取得最大的数值。例如，在乙醇发酵过程中，通常情况下连续操作的生产效率最高，但其最终浓度和原料转化率却明显低于流加操作或间歇操作。提高某一项优化指标，往往需要以牺牲其他优化指标为代价，这需要对发酵过程进行整体性能的评价。
发明内容
本发明克服了现有技术中原料预处理液化、蒸煮和糖化过程耗时耗能的缺点，提供一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，该方法过程简捷、物耗能耗低，可以有效降低生产成本。
本发明是通过下述方案加以实现的：
一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，具体步骤如下：
(1)原料经粉碎后与水调配成质量浓度大于30％的高浓度粉浆(自然pH值)，所述原料可以是普通生产乙醇的淀粉质原料，例如木薯、玉米、大豆等；
(2)在上述粉浆中添加淀粉酶，其添加量为30～50单位(U，活力单位)每克原料，然后将粉浆进行低温液化；
(3)冷却液化后的粉浆至常温(一般为28～32℃)，同时添加酿造酵母(一般酒精生产厂使用的酵母)和糖化酶进行同步生料糖化和发酵(包括主发酵阶段和后熟阶段)，初始酵母浓度为0.5亿个每毫升，糖化酶初始添加量为每克原料加80～120单位，糖化酶以初始值为5.5单位/克原料每小时的速度流加；从发酵6～10小时开始，每2小时测一次酵母浓度，根据酵母细胞浓度变化来调节糖化酶的流加速度，酵母浓度增加，则降低糖化酶流加速度，酵母浓度降低，则增大糖化酶流加速度，保持上述主发酵32～36小时；之后进入后熟阶段，该阶段停止糖化酶的流加，保持32～36小时，得到成熟醪液；
(4)将成熟醪液进行精馏加工，即得到乙醇。
优选地，步骤(2)所述低温液化的温度为70～80℃，时间为30～60分钟。
优选地，步骤(3)所述后熟阶段中将发酵自身产生的CO2收集后通入后熟醪液中气提乙醇，以降低后熟醪液中乙醇浓度降低发酵产物对酵母细胞的生长抑制作用，保证酵母的继续生长，提高原料利用率，乙醇气提量为20-50％，保持醪液中酒精范围对酒精发酵无显著抑制即可。随后将上述收集的乙醇加入精馏塔中进行精馏加工。
优选地，步骤(3)所述根据酵母细胞浓度变化来调节糖化酶的流加速度是以酵母浓度2.2亿个每毫升为基础，酵母浓度每变化0.1亿，糖化酶流加速度相应调整1.0单位每克原料每小时。
糖化酶的初始添加量约为总量的50％，总糖化酶的用量约为160～240单位每克原料，后续糖化酶的流加速度以酵母比生长率为调整指标，针对发酵罐的即时条件进行预调节，平衡醪液中酵母细胞发酵对葡萄糖的需求，将底物浓度控制在适当的水平，降低底物浓度过高时高渗透压对酵母细胞的影响。如在发酵后期酵母中细胞浓度高时，但糖耗基本用于平衡酵母生长代谢，则糖化酶流加速度可适当降低，维持酵母细胞的新陈代谢即可。通过对代谢分析及淀粉水解的精确调控，将淀粉水解产物即发酵底物葡萄糖量控制在合理范围内，确保发酵体系内碳源的供给，以获得高酵母密度和高乙醇产量，同时可避免底物浓度过高引起的底物抑制作用。此外，对提高糖化酶的利用效率也有一定的改善。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
1)低温浓醪发酵调控精度高。糖化酶具有高的催化效率，过程控制精度高，低温浓醪发酵过程采用根据酵母细胞浓度来调节糖化酶流加的方式，通过糖化酶调控淀粉水解率保证发酵体系提供的底物浓度，以获得高酵母密度和高乙醇产量，同时避免底物浓度过高引起的底物抑制作用，从而保证酵母细胞的快速生长。
2)能较好地解决浓醪发酵过程常见的产物抑制问题。本发明中后熟阶段将醪液发酵产生的CO2收集后通入后熟罐进行乙醇在线CO2气提，能有效地降低醪液中乙醇浓度，降低发酵产物对酵母细胞的生长抑制作用，保证酵母的继续生长，提高原料利用率。
3)乙醇生产工艺绿色环保。本发明进行低温短时液化，省去了蒸煮工序，低温生料浓醪同步糖化发酵，大大降低了蒸汽用量和工艺水用量，浓醪发酵成熟醪中乙醇浓度高，后续的精馏工段蒸汽用量也就大为降低，废水排放了大为减少。
附图说明
图1为一种低温生料浓醪发酵制备乙醇的工艺路线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
按工艺路线图1所示，进行低温生料浓醪发酵制乙醇，具体步骤如下：
1.利用木薯干片为原料，木薯干片经粉碎后，与工艺水按重量计算，1份木薯干片加1.7份工艺水进行配料，得到质量浓度为33.3％的粉浆；
2.将上述粉浆加热至80℃，按木薯干片的重量计算，每克木薯干片加50单位的淀粉酶，进行低温液化处理，其中，液化的温度是80℃，时间是45分钟；
3.将上述液化处理后的醪液冷却至常温(28℃)，按木薯干片的重量计算，每克木薯干片加100单位的糖化酶，接入酿造酵母(Saccharomyces cerevisiae，拉氏2号，购自酒精生产厂)进行低温(28℃)同步糖化浓醪发酵，酵母初始接入量为5千万个细胞每毫升，糖化酶流加速度初始值为5.5单位/克木薯干片每小时；
4.上述醪液从发酵8小时开始，每2小时测一次酵母浓度，以酵母浓度2.2亿个每毫升为基础，如果酵母浓度增加，则降低糖化酶流加速度，如果酵母浓度降低，则增大糖化酶流加速度，酵母浓度每变化0.1亿，糖化酶流加速度相应调整1.0单位每克木薯干片每小时，保持主发酵36小时；
5.上述醪液发酵36小时后进入后熟阶段，停止糖化酶的流加；
6.将发酵产生的CO2收集后，经气液分离器，通入后发酵醪液，气提乙醇；
7.后熟阶段进行36小时后，乙醇浓度高于16％，得到成熟醪液作为精馏工序的进料进行精馏加工；
8.气提后的乙醇经气液分离后进入精馏塔进行提浓。
经上述步骤后，既可得到浓度较高的乙醇，生产过程能耗低，废水排放少。
实施例2
按工艺路线图1所示，进行低温生料浓醪发酵制乙醇，具体步骤如下：
1.利用新鲜木薯为原料，木薯经粉碎后，与工艺水按重量计算，1份新鲜木薯加1.7份工艺水进行配料，得到质量浓度为30％的粉浆；
2.将上述粉浆加热至75℃，按木薯干片的重量计算，每克木薯干片加30单位的淀粉酶，进行低温液化处理，其中，液化的温度是75℃，时间60分钟；
3.将上述液化处理后的醪液冷却至常温(30℃)，按木薯干片的重量计算，每克木薯干片加80单位的糖化酶，接入酿造酵母(Saccharomyces cerevisiae，拉氏2号，购自酒精生产厂)进行低温(30℃)同步糖化浓醪发酵，酵母初始接入量为5千万个细胞每毫升，糖化酶流加速度初始值为5.5单位/克木薯干片每小时；
4.上述醪液从发酵8小时开始，每2小时测一次酵母浓度，以酵母浓度2.2亿个每毫升为基础，如果酵母浓度增加，则降低糖化酶流加速度，如果酵母浓度降低，则增大糖化酶流加速度，酵母浓度每变化0.1亿，糖化酶流加速度相应调整1.0单位每克木薯干片每小时，保持主发酵34小时；
5.上述醪液发酵34小时后进入后熟阶段，停止糖化酶的流加；
6.将发酵产生的CO2收集后，经气液分离器，通入后发酵醪液，气提乙醇；
7.后熟阶段进行34小时后，乙醇浓度高于15％，得到成熟醪液作为精馏工序的进料进行精馏加工；
8.气提后的乙醇经气液分离后进入精馏塔进行提浓。
经上述步骤后，既可得到浓度较高的乙醇，生产过程能耗低，废水排放少。
实施例3
按工艺路线图1所示，进行低温生料浓醪发酵制乙醇，具体步骤如下：
1.利用新鲜木薯为原料，木薯经粉碎后，与工艺水按重量计算，1份新鲜木薯加1.7份工艺水进行配料，得到质量浓度为30％的粉浆；
2.将上述粉浆加热至70℃，按木薯干片的重量计算，每克木薯干片加30单位的淀粉酶，进行低温液化处理，其中，液化的温度是70℃，时间30分钟；
3.将上述液化处理后的醪液冷却至常温(32℃)，按木薯干片的重量计算，每克木薯干片加120单位的糖化酶，接入酿造酵母(Saccharomyces cerevisiae，拉氏2号，购自酒精生产厂)进行低温(32℃)同步糖化浓醪发酵，酵母初始接入量为5千万个细胞每毫升，糖化酶流加速度初始值为5.5单位/克木薯干片每小时；
4.上述醪液从发酵6小时开始，每2小时测一次酵母浓度，以酵母浓度2.2亿个每毫升为基础，如果酵母浓度增加，则降低糖化酶流加速度，如果酵母浓度降低，则增大糖化酶流加速度，酵母浓度每变化0.1亿，糖化酶流加速度相应调整1.0单位每克木薯干片每小时，保持主发酵32小时；
5.上述醪液发酵32小时后进入后熟阶段，停止糖化酶的流加；
6.将发酵产生的CO2收集后，经气液分离器，通入后发酵醪液，气提乙醇；
7.后熟阶段进行32小时后，乙醇浓度高于15％，得到成熟醪液作为精馏工序的进料进行精馏加工；
8.气提后的乙醇经气液分离后进入精馏塔进行提浓。
经上述步骤后，既可得到浓度较高的乙醇，生产过程能耗低，废水排放少。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)原料经粉碎后与水调配成质量浓度大于30％的高浓度粉浆；
(2)在上述粉浆中添加淀粉酶，添加量为30～50单位每克原料，然后将粉浆进行低温液化；
(3)冷却液化后的粉浆至常温，同时添加酿造酵母和糖化酶进行生料同步糖化和发酵，初始酵母浓度为0.5亿个每毫升，糖化酶初始添加量为每克原料加80～120单位，糖化酶以初始值为5.5单位/克原料每小时的速度流加；从发酵6～10小时开始，每2小时测一次酵母浓度，根据酵母细胞浓度变化来调节糖化酶的流加速度，酵母浓度增加，则降低糖化酶流加速度，酵母浓度降低，则增大糖化酶流加速度，保持上述主发酵32～36小时；之后进入后熟阶段，该阶段停止糖化酶的流加，保持32～36小时，得到成熟醪液；
(4)将成熟醪液进行精馏加工，即得到乙醇。
2.根据权利要求1所述的低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，其特征在于，步骤(2)所述低温液化的温度为70～80℃，时间为30～60分钟。
3.根据权利要求1所述的低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，其特征在于，步骤(3)所述后熟阶段中将发酵自身产生的CO2收集通入后熟醪液中气提乙醇，并将该收集的乙醇进行精馏加工。
4.根据权利要求1所述的低温生料浓醪发酵生产乙醇的方法，其特征在于，步骤(3)所述根据酵母细胞浓度变化来调节糖化酶的流加速度是以酵母浓度2.2亿个每毫升为基础，酵母浓度每变化0.1亿，糖化酶流加速度相应调整1.0单位每克原料每小时。
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