CN102311977B

CN102311977B - 一种利用木薯渣生产乙醇的方法

Info

Publication number: CN102311977B
Application number: CN201010220767.7A
Authority: CN
Inventors: 张全; 佟明友; 黎元生; 王鑫
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: CN102311977A

Abstract

本发明公开了一种利用木薯渣生产乙醇的方法，将木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素进行预水解，然后调整至32℃～44℃，加入酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B，进行同步水解转化和发酵生产乙醇。本发明方法使用专门的酿酒酵母，具有在高温下发酵生产乙醇的良好性能，使木薯渣中糖类物质前身物的水解转化和发酵在较高温度下同时进行成为可能，进而大大简化了工艺流程，降低了操作能耗，最终降低了乙醇的生产成本，提高了乙醇燃料的竞争力。

Description

一种利用木薯渣生产乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种乙醇的生产方法，特别是利用木薯渣发酵生产乙醇的方法。

背景技术

木薯(Manihot esculenta Crantz)是世界三大薯类之一，广泛栽培于热带和亚热带地区。木薯在我国热带地区是仅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物，其化学成分见表1(张绪跃，李素贞.木薯酒精废水全渣厌氧机理的探讨.甘蔗糖业.2006(3)：36-39)。

表1木薯的化学成分单位：质量％

利用木薯不仅可以生产普通木薯淀粉，还可以加工食品，生产各种变形淀粉和淀粉糖类，也可以通过糖化与发酵生产各生化产品，如乙醇、丁醇、乳酸和柠檬酸等(如CN200810108467.2“一种木薯生淀粉批量发酵酒精的生物方法”，CN200710050079.9“以木薯为原料制取燃料油生物丁醇的方法”等)。在木薯利用过程中，会产生大量的固体排放物，一般称为木薯渣，如CN200710304356.4公开了一种从木薯发酵制备乙醇的废液中回收固体残渣的方法，因此木薯渣的进一步利用是发展木薯经济不可回避的问题。

木薯渣干基中含有丰富的纤维素、半纤维素、淀粉和无机盐等。根据木薯渣的来源不同，各组分含量有所差异。CN200810223312.3报道利用木薯制备燃料乙醇剩余的木薯渣干基中纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪和淀粉的含量分别为25-30wt％、10-12wt％、30-32wt％、4-6wt％、2-4wt％和8-10％。CN200810111159.5中报道的淀粉加工剩余的木薯渣干基中淀粉含量为35-45wt％。陈超纲等报道木薯渣中的纤维素、半纤维素、木质素含量分别为30.9wt％、6.9wt％、9.5wt％(文献：陈超纲，黄海宝.木薯渣栽培平菇.广西农业科学，1993(04))。

现有木薯工业产生的木薯废液废渣多采取焚烧以及发酵制备沼气的方法进行处理，如CN200810035434.x公开了一种木薯酒糟厌氧处理的方法，该方法能够处理高浓度悬浮固体含量的木薯酒糟，采用的是高温厌氧消化技术。焚烧的方法浪费资源，而且会对环境造成二次污染。发酵制备沼气的方法对技术和设备要求比较高，而且固体残渣很难被转化成沼气。CN200710304356.4公开了一种从木薯发酵制备乙醇的废液中回收固体残渣的方法，该方法包括去除废液中的水，得到滤饼，后对滤饼烘干，得固体残渣，滤饼含水量约60wt％，获得的固体残渣主要用于制作饲料。CN200710066412.5公开了一种处理木薯酒糟渣液的方法，该方法包括①将木薯酒糟渣液回收于沉淀池，调节pH到6-9；②加入聚合氯化铝或/和聚合硫酸铁，加入量为0.0015-0.003％；③排除上层水液；④沉淀脱水。该方法获得的固体残渣主要用于饲料或饲料原料。CN200810073913.0公开了一种木薯渣，酒糟渣生产瓦楞纸，纱管纸的方法。CN200810015418.4公开了一种利用木薯渣生产乙醇的方法，该专利利用木薯渣中的淀粉，采用固态发酵的方法进行，具体步骤为将木薯淀粉渣晒干或压榨烘干，拌料，蒸熟，一次性冷却，加糖化酶；二次冷却加入酵母，入池发酵；蒸馏，产生的淡酒暂时进入精馏，冷却得成品酒精。CN200810073402.9也公开了一种利用木薯渣中的淀粉发酵生成乙醇的方法，具体为将木薯渣和木薯或木薯干片分开，分别进行蒸煮和糖化，木薯渣经过糖化后进行渣水分离，固渣直接做饲料或肥料，木薯渣糖化滤液用作生木薯或木薯干片的调浆用液。CN200810223312.3和CN200810223313.8则公开了利用木薯渣中的纤维素水解糖发酵制备乙醇的方法，包括将木薯渣的原料和酶混合，酶解含木薯渣原料中的纤维素，得到水解产物，并发酵该产物产乙醇，该发明采用批次补料糖化，分批次数至少两次，每批加入的含木薯渣的原料的量最多为全部含木薯渣原料重量的60％，采用该工艺，木薯渣的纤维素水解率为85.4-92.5％。

传统酿酒酵母的乙醇发酵温度为28～33℃，一般不超过36℃。这一限制因素增加了乙醇的生产成本。由于淀粉或纤维素的分解步骤需要在较高的温度(40～60℃)进行，所以通常在乙醇发酵过程中淀粉或纤维素的分解与乙醇发酵不能在同一个反应器中同时进行，传统的乙醇发酵工业是采用先在40-60℃的温度条件下糖化，再把温度降到28～33℃接种酵母菌进行乙醇发酵。这势必要延长乙醇发酵时间，浪费一部分热能，增加乙醇生产的成本。

发明内容

本发明提供一种利用木薯渣生产乙醇的方法，可以对充分利用木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素，并且过程简单。

本发明利用木薯渣生产乙醇的方法包括如下内容：将木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素进行预水解，然后调整至32℃～44℃，优选36～44℃，加入酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B，进行同步水解转化糖化和发酵生产乙醇。

本发明方法中，酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B是从米酒酒曲中筛选出来的，已于2008年11月10日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”(简称CGMCC)，其保藏号为CGMCC NO.2735。

本发明方法中，木薯渣是生木薯或木薯干中绝大部分淀粉被利用后剩下的固体残渣。可以是现有任何方法得到的木薯渣，如CN200710066412.5或CN200710304356.4中提供的方法进行回收获得。木薯渣干基中淀粉含量为8wt％-45wt％，纤维素含量为25wt％-35wt％，半纤维素含量为6wt％-15wt％，木质素含量为10wt％-32wt％。

本发明方法中，木薯渣的预水解过程包括淀粉糖化过程、纤维素水解过程、半纤维素水解过程的一种或几种，可以同时进行，也可以分别进行，具体方法是本领域技术人员熟知的方法，优选为同时进行。预水解过程的温度一般为45-55℃，pH一般为4.5-5.5，时间为0.5～32小时。预水解中一般需要加入适宜的糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶中的一种或几种，各种酶的加入量按本领域一般知识确定，如糖化酶加入量50-250U/g干淀粉，纤维素酶加入量5-30IU/g纤维素，半纤维素酶加入量5-30IU/g纤维素。

本发明方法中，上述预水解过程木薯渣的分解转化率达不到100％，在后续的发酵过程中同时进行水解作用。

本发明方法中，发酵过程在32～44℃，优选在38～42℃下进行，发酵时间为30～100小时，优选为40～70小时，酿酒酵母FE-B加入量为0.2-1.5‰(基准为酿酒酵母干基占发酵体系的重量比例)。

本发明方法中，酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B的主要形态特征如下：麦芽汁液体培养基中培养，25℃培养3d后，细胞呈球形、卵形至椭圆形，大小为(3.6～7.2)×(6.0～7.6)微米，有沉淀形成。麦芽汁琼脂斜面上培养，25℃培养一个月，菌落奶酪状，乳白色，表面平滑，反光，边缘整。玉米粉琼脂Dalmau平板培养物假菌丝产生。

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B的理化实验结果见表2(“+”代表可，“-”代表否)。

表2酿酒酵母FE-B的理化实验结果

酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B可以在24～44℃条件下生长，能够在24～44℃条件下发酵糖类生产乙醇，而现有技术中的酿酒酵母的最高耐受温度只有36℃，通常为28～33℃，因此可以看出，酿酒酵母Saccharomyces cerevisiaeFE-B与普通的酿酒酵母明显不同。

经研究，木薯渣中的木质素与纤维素和半纤素处于较松散的结合状态，而非秸秆中的木质素和半纤维素将纤维素紧密包裹的结构，因此在适宜的同步发酵条件和过程中，可以有效转化并进一步发酵。本发明方法使用专门的酿酒酵母，具有在高温下发酵生产乙醇的良好性能，使木薯渣中糖类物质前身物的水解转化和发酵在较高温度下同时进行成为可能，进而大大简化了工艺流程，降低了操作能耗，最终降低了乙醇的生产成本，提高了乙醇燃料的竞争力。

生物材料保藏说明

本发明提供的Saccharomyces cerevisiae FE-B菌株，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)；地址：北京市朝阳区大屯路，中国科学院微生物研究所；保藏编号：CGMCC No.2735；保藏日期：2008年11月10日。

附图说明

图1为实施例1发酵过程主要物质浓度随时间变化关系。

图2为实施例2发酵过程主要物质浓度随时间变化关系。

图3为实施例3发酵过程主要物质浓度随时间变化关系。

具体实施方式

本发明方法中淀粉含量采用一切可能的方法进行测定，包括水解测还原糖(GB/T5009.9-2003)、碘-淀粉比色法(GB/T15683-2008)和旋光法(GB\T20194-2006)等，优选碘-淀粉比色法。

本发明方法中纤维素含量采用一切可能的方法进行测定，包括水解后测还原糖法(GB 5889-1986)、水解糖HPLC 法(http：//www.nrel.gov/biomass/analytical_procedures.html)、氯化法、硝酸法(北京造纸研究所，造纸工业化学分析，轻工业出版社，1979年3月第一版)等，优选水解后测还原糖法。

本发明方法中半纤维素含量采用一切可能的方法进行测定，包括水解后测还原糖(GB 5889-1986)、水解糖HPLC法(http：//www.nrel.gov/biomass/analytical_procedures.html)和糠醛鼻塞法(北京造纸研究所，造纸工业化学分析，轻工业出版社，1979年3月第一版)等，优选水解后测还原糖法。

本发明方法中糖化酶的酶活定义为：40℃，PH4.6条件下，1小时水解可溶性淀粉产生1毫克葡萄糖所需的酶量为1个酶活力单位(U)。

本发明方法中纤维素酶的酶活定义为：50℃，PH5.0条件下，1min内水解waterman No.1滤纸，产生1μmol还原糖所需的酶量为1个酶活力单位(IU)。

本发明方法中半纤维素酶的酶活定义为：50℃，PH5.0条件下，1min内水解木聚糖，产生1μmol还原糖所需的酶量为1个酶活力单位(IU)。

酿酒酵母种子液制备：YPD培养基组成(质量)：葡萄糖，2％；蛋白胨，2％；酵母膏，1％。配制所需的YPD培养基，灭菌，接种Saccharomyces cerevisiaeFE-B酵母，过夜培养后得到酿酒酵母种子液。

下面通过具体实施例进一步说明本发明的方案和效果。

实施例1木薯渣中纤维素发酵乙醇

取50g木薯渣干基于1L的通气搅拌发酵罐中，加入pH 4.8的0.05mol/L的柠檬酸缓冲液140mL，纤维素酶10mL(约10IU/g干基)，于50℃条件搅拌反应24h，然后降温到40℃，接入酿酒酵母种子液50mL，于40℃同步水解转化与发酵，体系中的初始酵母浓度为0.5‰，体系中葡萄糖和乙醇随时间变化见图1，96h时体系中的乙醇浓度为4.11wt％(5.2v/v％)。纤维素水解率按如下公式计算(按85％糖醇转化率计算)：

经计算，纤维素水解率为99.8％。(均以质量百分含量计，下同)

乙醇得率(相对于木薯渣干基)按如下公式计算：

经计算，直接利用木薯渣中的纤维素，乙醇得率为16.44％。

实施例2木薯渣中淀粉和纤维素共同发酵产乙醇

取50g木薯渣干基于1L的通气搅拌发酵罐中，加入pH 4.8的0.05mol/L的柠檬酸缓冲液140mL，纤维素酶10mL(约10IU/g干基)，糖化酶35mg(约200u/g干淀粉)，于50℃条件搅拌反应12h，然后降温到42℃，接入酿酒酵母种子液50mL，于40℃同步水解转化与发酵，体系中的初始酵母浓度为0.5‰，体系中葡萄糖和乙醇随时间变化见图2，96h时体系中的乙醇浓度为5.76wt％(7.30v/v％)。纤维素与淀粉的水解率按如下公式计算(按85％糖醇转化率计算)：

经计算，纤维素水解率为96.9％，乙醇得率为23.04％。

实施例3木薯渣中淀粉、纤维素和半纤维素共同发酵产乙醇

取50g木薯渣干基于1L的通气搅拌发酵罐中，加入pH 4.8的0.05mol/L的柠檬酸缓冲液130mL，纤维素酶10mL(约10IU/g干基)，糖化酶35mg(约200u/g干淀粉)，半纤维素酶10mL(约15IU/g干基)，于50℃条件搅拌反应2h，然后降温到38℃，接入酿酒酵母种子液40mL和假丝酵母种子液25mL，于38℃同步水解转化与发酵，体系中的初始酵母浓度为0.65‰，体系中葡萄糖，木糖和乙醇随时间变化见图3，96h时体系中的乙醇浓度为7.01wt％(8.9v/v％)。纤维素、半纤维素和淀粉的水解率按如下公式计算(按85％糖醇转化率计算)：

经计算，纤维素水解率为97.4％，乙醇得率为28.04％。

Claims

1.一种利用木薯渣生产乙醇的方法，将木薯渣中的淀粉、纤维素和半纤维素进行预水解，然后调整至36℃～44℃，加入酿酒酵母Saccharomyces cerevisiaeFE-B，进行同步水解转化和发酵生产乙醇；酿酒酵母Saccharomyces cerevisiaeFE-B是从米酒酒曲中筛选出来的，已于2008年11月10日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，其保藏号为CGMCC NO.2735。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：木薯渣干基中淀粉含量为8wt％-45wt％，纤维素含量为25wt％-35wt％，半纤维素含量为6wt％-15wt％，木质素含量为10wt％-32wt％。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：木薯渣的预水解过程包括淀粉糖化过程、纤维素水解过程和半纤维素水解过程，同时进行，或者分别进行。

4.按照权利要求1或3所述的方法，其特征在于：预水解过程的温度为45-55℃，pH为4.5-5.5，时间为0.5～32小时。

5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：预水解中加入糖化酶、纤维素酶和半纤维素酶，糖化酶加入量为50-250U/g干淀粉，纤维素酶加入量为5-30IU/g纤维素，半纤维素酶加入量为5-30IU/g纤维素。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：同步水解转化和发酵过程在38～42℃下进行，时间为30～100小时。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：同步水解转化和发酵时间为40～70小时，酿酒酵母FE-B加入量为0.2-1.5‰，基准为酿酒酵母干基占发酵体系的重量比例。