CN102080105B - 一种淀粉质与糖蜜混合发酵产高浓度乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种淀粉质和糖蜜混合原料发酵产高浓度乙醇的方法，淀粉质原料加水搅拌定容，经低温液化和同步糖化发酵，并通过分批或者连续流加的补料方式加入糖蜜原料混合发酵，淀粉质原料与糖蜜的混合比为1∶2～8∶1(W/V)，发酵温度为30～37℃，发酵时间为40～48h，乙醇得率为12.43～16.67％(V/V)。本发明改变了传统单一原料发酵的方式，不仅提高了发酵醪液的总糖浓度，而且降低了淀粉质原料醪液的粘度，改善流动性，从而提高了发酵醪液的乙醇浓度，提高原料利用率，降低了乙醇蒸馏能耗和生产成本，又减少污水排放量，从而降低污水的处理负荷，使乙醇生产过程更经济和环保。
Description
技术领域
本发明涉及生物发酵工程技术领域，特别涉及一种淀粉质与糖蜜混合原料发酵高浓度乙醇的方法。
背景技术
现有技术中用于乙醇和燃料乙醇生产中的原料，基本上都是以单一原料为主，如淀粉质原料和糖蜜都是发酵产乙醇的常用原料。以淀粉质原料进行浓醪发酵时，存在固形物浓度大，流动性差的缺点，容易发生沉淀，不利于大罐连续发酵，也又不利于蒸馏时醪塔塔釜的再沸器间接加热，其废糟由于含有COD浓度太高也不好处理。糖蜜中含有512％由果胶质、焦糖和黑色素等组成的胶体物质，乙醇发酵时容易产生大量泡沫，因而降低发酵罐的利用率，胶体物质也会吸附在酵母的表面，使酵母新陈代谢作用发生困难，特别是焦糖与黑色素对酵母的乙醇发酵作用抑制较大。此外，糖蜜中还含有大量灰分和一些如Cu2+、Pb2+等重金属离子，都不利于糖蜜高浓度发酵。
使用淀粉质原料或糖蜜单一原料发酵产乙醇或燃料乙醇，醪液乙醇终浓度通常为10～12％(V/V)，存在技术水平低，发酵效率低，能耗大，环境负荷大及经济性有待进一步提高等问题。在高浓度乙醇发酵技术研究上，国内外有关的科研机构已开展了相应的工作，其发酵菌株乙醇发酵浓度最高可达15％-16％(V/V)(Rasmus D等.Appl Microbiol Biotechnol，2005，68：622～629.；黄宇彤等，食品工业科技，2002，23(8)：66～69.)，但其发酵时间较长，发酵效率较低(低于90％)，而且生产原料大多为玉米和精制淀粉，成本较高，且不符合国家提倡的燃料乙醇的“非粮原料”的政策。国内有关混合原料发酵研究较少，易弋等人对木薯粉与糖蜜混合发酵生产柠檬酸进行了研究(易弋等.木薯粉与糖蜜混合发酵柠檬酸的研究.食品科学，2007，28(10)：395～397.)；陈勇等对木薯粉甘蔗汁混合原料先糖化后发酵(SHF)工艺进行发酵(中国发明专利申请，公开号CN 101070549A)；而以淀粉质与糖蜜原料采用同步糖化(SSF)混合发酵生产高浓度燃料乙醇的研究还未见报道。在燃料乙醇生产过程中，发酵后蒸馏过程能耗占总能耗的60％，相当于所产燃料乙醇的热值的一半，作为能源使用的燃料乙醇最基本的目的是追求尽可能多的能量净产出，寻求大规模低成本的乙醇发酵技术，高浓度发酵技术是发展发酵工业的有效途径之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种采用淀粉质和糖蜜混合原料生产高浓度乙醇的方法。
本发明的技术方案如下：
一种淀粉质和糖蜜混合原料发酵产高浓度乙醇的方法，其特征在于包括以下步骤：
淀粉质原料加水搅拌定容，使淀粉质原料的终浓度为20％～40％(W/W)，加入0.25％(W/W)的尿素和0.04％(W/W)的硫酸镁，并加入耐高温α-淀粉酶，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种酿酒酵母发酵，同时加入糖化酶，初始pH值调整为4.5，并通过补料分批或者连续流加的方式加入锤度为60°Be、pH值为3.8～4.0的糖蜜原料混合发酵，使淀粉质原料与糖蜜的混合比为1∶2～8∶1(W/V)，发酵温度控制在30℃～37℃，发酵时间为40-48h。
淀粉质原料既可以是粮食作物如：玉米、小麦、大米、大麦，也可以是非粮食作物如：木薯、甘薯、马铃薯、薯蓣、山芋，这些原料来源广泛，价格较低，可以降低乙醇生产成本。
糖蜜可以是甘蔗糖蜜，也可以是甜菜糖蜜，糖蜜为榨糖工业副产物，价格低廉，用于乙醇发酵，既可以降低乙醇生产成本，又可以减少对环境的污染。
本发明突出的实质性特点和显著的进步是：
(1)采用常见的淀粉质与糖蜜原料进行混合发酵，改变了传统的单一原料发酵的方式，既可提高发酵醪液的总糖浓度，又能降低淀粉质原料醪液的固形物浓度，改善流动性，同时也可以减弱糖蜜中有害成分对酵母菌的毒害作用，不仅能提高发酵醪液的乙醇浓度，而且可提高原料利用率，降低乙醇生产成本。
(2)由于本发明发酵醪液的乙醇浓度较高，从而节约了蒸馏蒸汽用量，又减少单位吨乙醇的污水排放量，减少废水的处理负荷，使乙醇生产过程更经济和环保。
(3)本发明工艺简单，可操作性强，在不改变原有发酵设备情况下，即可以进行混合原料生产。
具体实施方式
实施例1：以申请人自行筛选的耐高温酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)Y09tj为菌种进行发酵试验。
该菌已于2009年11月24日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所，保藏日期为2009年11月24日，保藏编号为CGMCC NO.3476。
菌种保藏培养基(YPED)：葡萄糖20g，蛋白胨20g，酵母粉10g，琼脂20g，蒸馏水定容至1000ml；
种子培养基(YPD)：葡萄糖20g，蛋白胨20g，酵母粉10g，蒸馏水定容至1000ml；
所用酶类：耐高温淀粉酶：Liquozyme Supra，购自诺维信公司，标准酶活力为90KNU/g。糖化酶：Dextrozyme DX，购自诺维信公司，标准酶活500AGU/ml。
KNU为诺维信液化酶的专有单位，每1KNU指在37℃，pH 5.6时，每小时水解5.26克淀粉的酶量。
AGU为诺维信糖化酶的专有单位，每1AGU指在25℃、pH 4.3、反应时间30分钟条件下，每分钟水解1微克分子麦芽糖所需的酶量。
淀粉原料处理：取20～40g的淀粉质原料，放入250mL三角瓶中，加自来水至100g，使淀粉质原料的终浓度为20％～40％(W/W)，加入0.15KNU/g淀粉质原料的耐高温α-淀粉酶，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，接种发酵，发酵温度为37℃，同时加入量为0.27AGU/g淀粉质原料的糖化酶，再添加0.25％(W/W)的尿素，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)。
糖蜜原料处理：由于糖蜜原料比较粘稠，不易操作，在糖蜜中加入自来水使糖蜜的锤度调为60°Be，再用稀硫酸调pH值为3.8～4.0，也可在调整锤度为60°Be后添加抗生素以抑制杂菌生长。
种子液准备：用接种环从固体斜面接种于YPD液体培养基中，32℃摇床培养12h左右，使种子液的细胞浓度为1.0～1.2亿个酵母菌细胞/mL种子液，即得种子液，用于发酵。
(1)以木薯粉为淀粉质原料，糖蜜原料在不同阶段一次性加入。
取20g木薯粉(广西产，淀粉含量质量比68.15％，以下同)，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，糖蜜原料在接种后一次性加入预处理过的40mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为40h，乙醇浓度为12.43％(V/V)。
取20g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，发酵12h后，一次性加入预处理过的40mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为40h，乙醇浓度12.76％(V/V)。
取30g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，糖蜜原料在接种后一次性加入30mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为14.78％(V/V)。
取30g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，发酵12h后，一次性加入预处理过的40mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度14.84％(V/V)。
取40g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，糖蜜原料在接种后一次性加入预处理过的5mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为60h，乙醇浓度为16.61％(V/V)。
取40g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，发酵12h后，一次性加入预处理过的4mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为60h，乙醇浓度16.59％(V/V)。
(2)以木薯粉为淀粉质原料，糖蜜原料在发酵过程中两次等量加入
取30g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，分别在0h及12h分别添加预处理过的20mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.34％(V/V)。
取30g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，在发酵12h及24h后，分别添加预处理过的20mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度15.57％(V/V)。
取木薯粉20g，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，在发酵12h及24h后，分别添加预处理过的20mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为40h，乙醇浓度12.87％(V/V)。
取木薯粉40g，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，在发酵12h及24h后，分别添加预处理过的10mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为52h，乙醇浓度16.67％(V/V)。
(3)以木薯粉为淀粉质原料，糖蜜原料在发酵过程中分三次加入
取30g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，分别在0h、12及24h分别添加预处理过的16.7mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.42％(V/V)。
(4)木薯粉与甘蔗糖蜜原料20L发酵罐发酵
取3000g木薯粉，放入20L发酵罐中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至10Kg，利用夹层蒸汽升温至85℃液化1h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，转速为100r/min，在12h及24h分别添加预处理过的2000mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.44％(V/V)。
取3000g木薯粉，放入20L发酵罐中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水定容至10Kg，利用夹层蒸汽升温至85℃液化1h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，转速为100r/min，采用流加方式加入预处理过的60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，流加从12h开始，流加速度为5.56mL/min，流加至24h结束，共流加4000mL，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.67％(V/V)。
(5)玉米粉与甘蔗糖蜜混合发酵
取30g玉米粉(广西产，淀粉浓度为70.24％，以下同)，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g玉米粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按10％的接种量接种发酵，接种发酵，同时加入量为0.27AGU/g玉米粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，分别在0h及12h分别添加预处理过的20mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.78％(V/V)。
实施例2：以安琪耐高温活性干酵母(Saccharomyces cerevisiae)为菌种发酵。
酵母菌种：安琪耐高温活性干酵母，安琪酵母股份有限公司售。
种子液准备：将干酵母用35～40℃2％葡萄糖溶液复水15-20min，然后温度降至34℃以下活化1.5h，即可做种子液使用。
(1)以木薯粉为淀粉质原料，糖蜜原料在发酵过程中分两次加入
取30g木薯粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按0.14亿个细胞/mL发酵液接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为32℃，分别在0h及12h分别添加预处理过的20mL60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.19％(V/V)。
(2)取30g玉米粉，放入250mL三角瓶中，尿素添加量为0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g玉米粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至100g，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，按0.14亿个细胞/mL发酵液接种发酵，同时加入0.27AGU/g玉米粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为32℃，分别在0h及12h分别添加预处理过的20mL 60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.34％(V/V)。
(3)20L发酵罐发酵试验
取3000g木薯粉，放入20L发酵罐中，添加0.25％(W/W)，硫酸镁添加量为0.04％(W/W)，加入量为0.15KNU/g木薯粉的耐高温α-淀粉酶，加自来水至10Kg，利用夹层蒸汽升温至85℃液化1h，按0.14亿个细胞/mL发酵液接种发酵，同时加入0.27AGU/g木薯粉的糖化酶，初始pH值调整为4.5，发酵温度为37℃，转速为100r/min，在12h及24h分别添加预处理过的2L 60°Be、pH值3.8～4.0的甘蔗糖蜜，发酵时间为48h，乙醇浓度为15.27％(V/V)。
Claims (1)
1.一种淀粉质和糖蜜混合原料发酵产高浓度乙醇的方法，其特征在于步骤为：淀粉质原料加水搅拌定容，使淀粉质原料的终浓度为20～40％(W/W)，加入0.25％(W/W)的尿素和0.04％(W/W)的硫酸镁，并加入耐高温α-淀粉酶，使用量为向每克淀粉质原料中加入0.15KNU的耐高温α-淀粉酶，在震荡水浴锅85℃液化0.5h，降温至37℃后，按0.10～0.14亿个细胞/mL发酵液接种酿酒酵母发酵，同时加入糖化酶，使用量为向每克原料中加入0.27AGU的糖化酶，初始pH值调整为4.5，并通过分批或者连续流加的补料方式加入锤度为60°Be、pH值为3.8～4.0的糖蜜原料混合发酵，使得淀粉质原料与糖蜜原料的质量体积比为1∶2～8∶1，发酵温度为30～37℃，发酵时间为40～48h。
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| 段钢 等.糖蜜酒精生产中酶制剂的应用.《酿酒》.2009,第36卷(第4期),50-53. |
| 糖蜜酒精生产中酶制剂的应用;段钢 等;《酿酒》;20090731;第36卷(第4期);50-53 * |
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