CN102703520B - 一种蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蔗渣原料水解液与糖蜜混合发酵生产乙醇的方法。其步骤包括：（1）将蔗渣原料粉碎，脱除木质素；（2）将蔗渣原料通过分批加料方式进行酶解处理；（3）在蔗渣水解液中按5～10%（V/V）的比例接种酵母种子液，初始发酵后再加入糖蜜进行混合发酵。本发明对蔗渣原料进行分批补料酶解以提高水解液中的糖浓度，随后以酶解液和少量糖蜜进行混合发酵，可以综合解决单独利用蔗渣酶解液发酵时乙醇浓度过低，单独利用糖蜜发酵需要经过繁琐的工艺过程以及后续污染较大的缺陷；同时糖蜜中丰富的氮、磷及维生素等营养成分，也能为酵母发酵提供基本的营养源，可以实现蔗渣和糖蜜原料的综合利用，有利于提高甘蔗糖企的综合经济效益，具有较好的推广应用价值。

Description

一种蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法
技术领域
本发明涉及到木质纤维素原料为底物发酵生产燃料乙醇技术领域，特别是一种蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法。
技术背景
蔗渣是甘蔗经破碎压榨提取蔗汁后的甘蔗茎的纤维性残渣，是甘蔗制糖工业的主要副产品，约占榨量的24%～27%，其含有大量的纤维素、半纤维素和木质素等。仅我国广西省每年的蔗渣产量就多达560多万吨，除部分用作造纸原料外，大部分被直接用作燃料烧掉或废弃掉，造成了资源的严重浪费。糖蜜是甘蔗或甜菜压榨出的糖汁液经加热、中和、过滤、浓缩和结晶等工序制糖后所剩下的浓稠含糖液体，其组分主要为蔗糖29～34%，还原糖20%，胶体9～11%，和灰分10～20%等。我国糖蜜年产量估计在250万吨左右，大多用作酵母、味精、有机酸等发酵制品的底物或基料，也可用作某些食品的原料和动物饲料。
燃料乙醇作为一种优良的生物质液体燃料，是目前世界范围内研发的热点，以量大价廉的木质纤维素原料为底物发酵生产燃料乙醇是未来的发展趋势。但目前尚有诸多的关键技术瓶颈尚待攻克，致使纤维乙醇的生产成本还比较高，无法与淀粉质原料乙醇相媲美。目前一致的观点认为，只有当发酵醪液中的乙醇浓度≥4%，采用蒸馏浓缩工艺生产乙醇才经济上合算。而蔗渣等木质纤维素原料由于其浸润性较差，在水解糖化过程中底物浓度不能太高，否则会造成搅拌上的困难。但底物浓度过低，发酵醪液中的乙醇浓度就很难超过4%，进而也会引起乙醇蒸馏浓缩成本的大幅上升。而目前的糖蜜发酵生产乙醇工艺，通常需要经过稀释、酸化、灭菌、澄清和添加营养盐等一系列繁杂的程序处理，且其发酵后的废醪液一直是产糖区最主要的高浓度污染源。所以，如何有效开发利用蔗渣和糖蜜资源化利用技术，一直是甘蔗糖业界面临的难题，也是制约我国甘蔗糖业发展的关键技术瓶颈。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种将蔗渣水解液与糖蜜混合发酵生产乙醇的方法。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
（1）蔗渣原料预处理：将蔗渣原料粉碎、脱除木质素，破坏蔗渣原料的晶态结构，提高后续酶解的可及性；
（2）分批酶解预处理后的蔗渣原料：按照5～10%（W/V）的初始固液比向pH值为4.5～5.3的缓冲液中添加经上述步骤（1）预处理的蔗渣原料，控制反应体系温度为48～53℃，按照10～30FPU/g预处理后的蔗渣原料的量加入纤维素酶，初始酶解后再分批补加蔗渣原料继续酶解，得到蔗渣水解液；
（3）蔗渣水解液和糖蜜混合发酵：将上述蔗渣水解液转入发酵装置中，添加基础营养液，然后按5～10%（V/V）的接种量接种酵母种子液，控制发酵温度为28～32℃，发酵12~24h后再添加糖蜜进行混合发酵。发酵完成后采用现有的技术手段处理发酵液得到乙醇。
所述步骤（1）中蔗渣原料的预处理可采用现有常用的预处理技术手段，优选步骤为：将烘干至恒重的蔗渣原料粉碎至40~60目，取粉碎后的蔗渣50g，按照NaOH质量体积比终浓度为1.8%～2%的量添加NaOH溶液，80～110℃下处理1～2h，然后反复用水洗涤至中性。
所述的步骤（2）中的预处理后的蔗渣原料优选为湿料或为预处理后烘干保存一定时间的蔗渣原料。
所述的pH值为4.5～5.3的缓冲液优选为醋酸-醋酸钠缓冲液。
所述的初始酶解后再分批补加蔗渣原料继续酶解，可以采用现有技术的常用手段，优选步骤可以为酶解12h后按照6%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，再继续酶解至24h后按照4%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至120h。
所述的蔗渣水解液，包括未经除渣处理的蔗渣水解液或除去未酶解的蔗渣残渣的蔗渣水解液。
所述的酵母优选为酿酒酵母。
所述的基础营养液各成分配比为：按添加量（g/L）计算：(NH4)2SO4 2g，酵母粉2g，KH2PO4 5g，MgSO4·7H2O 0.4g，CaCl2 0.2g。
所述步骤（3）中添加的糖蜜，优选为按照蔗渣水解液体积或蔗渣水解液经离心得到的上清液体积5%~15%的比例添加。所用糖蜜锤度为76°Bx，总糖含量为52%。如糖蜜总糖含量变化，折算为相当即可。
本发明的有益效果如下：
采用将蔗渣水解液与糖蜜混合发酵的方法生产乙醇，有助于解决单独采用蔗渣水解液发酵乙醇浓度较低，单独糖蜜发酵程序繁杂、污染大等缺陷。除发酵种子液制备需要严格的无菌条件外，所有酶解、发酵过程均无需灭菌处理，大大降低了由灭菌处理带来的能耗成本。所用的糖蜜不需要经过稀释、酸化处理，可以直接加入到酶解液中，能够显著减少工艺操作的步骤，降低生产成本。此外，发酵过程只需要额外添加少量基础营养物质，糖蜜中丰富的营养成份可以为发酵提供必要的营养源，有利于实现蔗渣和糖蜜的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，具有较好的推广应用价值。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。其它木质纤维素原料，比如秸秆、稻草、柳枝稷等的水解液和糖蜜的混合发酵，也可以采用本发明的方法实现发酵醪液中乙醇浓度的提升。
本发明的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为ATCC 24702，购自美国标准生物品收藏中心（ATCC）。
本发明的酵母种子液是利用种子培养基（YPD）制备的，该种子培养基的配制方法为：酵母提取粉10g/L、葡萄糖20g/L、蛋白胨20g/L，115℃灭菌30min。该种子培养基的配制为现有技术。种子液配置从斜面或平板培养基上挑取单菌落接种液体种子培养基，30℃，120r/min条件下，培养至OD600为1.0后备用。
本发明的糖蜜选自广西凭祥市丰浩酒精有限公司，其锤度为76°Bx，总糖含量52%（W/V）。
实施例1：
种子培养基（YPD）的制备方法：酵母提取粉10g/L、葡萄糖20g/L、蛋白胨20g/L，115℃灭菌30min备用。
基础营养液成分组成（g/L）：(NH4)2SO4 2g，酵母粉2g，KH2PO4 5g，MgSO4·7H2O 0.4g，CaCl2 0.2g。
本实施例的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
（1）将烘干至恒重的甘蔗渣原料粉碎至40目，取粉碎后的蔗渣50g，按照质量体积比终浓度为2%的量添加NaOH溶液，80℃下处理2h，然后反复用水洗涤至中性，70℃下烘干至恒重后备用。
（2）按照10%（W/V）的初始固液比向pH值为5.0的醋酸-醋酸钠缓冲液中添加经上述步骤（1）预处理的蔗渣原料，按照30FPU/g预处理后的蔗渣原料的量添加纤维素酶，控制反应温度为50℃，酶解12h后按照6%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至24h后按照4%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至120h。其中FPU为纤维素酶的滤纸酶活力单位，按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的相关标准测定。
（3）将酶解后的蔗渣水解液经过离心处理后，取上清液分别于3个发酵装置中，添加基础营养液，同时按照10%（V/V）的接种量添加酿酒酵母种子液，控制发酵温度为30℃，发酵12h，然后分别按上述上清液体积的5%、10%和15%的比例添加糖蜜于3个发酵装置中进行混合发酵，发酵36h后检测发酵液中乙醇的浓度分别为56.9、76.8和87.8g/L。
由此可见，通过本实施例生产的乙醇浓度均在50g/L以上。
实施例2：
种子培养基（YPD）的制备方法：酵母提取粉10g/L、葡萄糖20g/L、蛋白胨20g/L，115℃灭菌30min备用。
基础营养液成分组成（g/L）：(NH4)2SO4 2g，酵母粉2g，KH2PO4 5g，MgSO4·7H2O 0.4g，CaCl2 0.2g。
本实施例的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
（1）将烘干至恒重的甘蔗渣原料粉碎至60目，取粉碎后的蔗渣50g，按照终浓度为2%的量添加NaOH溶液，80℃下处理2h，然后反复用水洗涤至中性后备用。
（2）按照10%（W/V）的初始固液比向pH值为4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中添加经上述步骤（1）预处理的蔗渣原料，按照30FPU/g预处理后的蔗渣原料的量添加纤维素酶，控制反应温度为50℃，酶解12h后按照6%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至24h后按照4%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至120h。其中FPU为纤维素酶的滤纸酶活力单位，按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的相关标准测定。
（3）将酶解后的蔗渣水解液分别添加到3个发酵装置中，添加基础营养液，同时按照10%（V/V）的接种量添加酿酒酵母种子液，控制发酵温度为30℃，发酵12h，然后分别按照水解液体积的5%、10%和15%的比例添加糖蜜进行混合发酵，发酵48小时后检测发酵液中乙醇的浓度分别为57.1、75.5和91.2g/L。
由此可见，通过本实施例生产的乙醇浓度均在50g/L以上。
实施例3：
种子培养基（YPD）的制备方法：酵母提取粉10g/L、葡萄糖20g/L、蛋白胨20g/L，115℃灭菌30min备用。
基础营养液成分组成（g/L）：(NH4)2SO4 2g，酵母粉2g，KH2PO4 5g，MgSO4·7H2O 0.4g，CaCl2 0.2g。
本实施例的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
（1）将烘干至恒重的甘蔗渣原料粉碎至40目，取粉碎后的蔗渣50g，按照终浓度为1.8%的量添加NaOH溶液，110℃下处理1h，然后反复用水洗涤至中性，70℃下烘干至恒重后备用。
（2）按照5%（W/V）的初始固液比向pH值为5.3的醋酸-醋酸钠缓冲液中添加经上述步骤（1）预处理的蔗渣原料，按照10FPU/g预处理后的蔗渣原料的量添加纤维素酶，控制反应温度为48℃，酶解12h后按照8%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至24h后按照7%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至120h。其中FPU为纤维素酶的滤纸酶活力单位，按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的相关标准测定。
（3）将酶解后的蔗渣水解液经过离心处理后，取上清液分别于3个发酵装置中，添加基础营养液，同时按照5%（V/V）的接种量添加酿酒酵母种子液，控制发酵温度为28℃，发酵12h，然后分别按上述上清液体积的5%、10%和15%的比例添加糖蜜于3个发酵装置中进行混合发酵，发酵60h后检测发酵液中乙醇的浓度分别为56.6、73.3和91g/L。
由此可见，通过本实施例生产的乙醇浓度均在50g/L以上。
实施例4：
种子培养基（YPD）的制备方法：酵母提取粉10g/L、葡萄糖20g/L、蛋白胨20g/L，115℃灭菌30min备用。
基础营养液成分组成（g/L）：(NH4)2SO4 2g，酵母粉2g，KH2PO4 5g，MgSO4·7H2O 0.4g，CaCl2 0.2g。
本实施例的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
（1）将烘干至恒重的甘蔗渣原料粉碎至60目，取粉碎后的蔗渣50g，按照终浓度为1.8%的量添加NaOH溶液，110℃下处理1h，然后反复用水洗涤至中性后备用。
（2）按照10%（W/V）的初始固液比向pH值为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲液中添加经上述步骤（1）预处理的蔗渣原料，按照30FPU/g预处理后的蔗渣原料的量添加纤维素酶，控制反应温度为53℃，酶解12h后按照6%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至24h后按照4%（W/V）的固液比添加预处理后的蔗渣原料，继续酶解至120h。其中FPU为纤维素酶的滤纸酶活力单位，按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的相关标准测定。
（3）将酶解后的蔗渣水解液分别添加到3个发酵装置中，同时按照10%（V/V）的接种量添加酿酒酵母种子液，控制发酵温度为32℃，发酵24h，然后分别按照水解液体积的5%、10%和15%的比例添加糖蜜进行混合发酵，发酵24小时后检测发酵液中乙醇的浓度分别为57.7、72.6和76.1g/L
由此可见，通过本实施例生产的乙醇浓度均在50g/L以上。
综上所述，本发明有助于解决单独采用蔗渣水解液发酵乙醇浓度较低，单独糖蜜发酵程序繁杂、污染大等缺陷。除发酵种子液制备需要严格的无菌条件外，所有酶解、发酵过程均无需灭菌处理，大大降低了由灭菌处理带来的能耗成本。所用的糖蜜不需要经过稀释、酸化处理，可以直接加入到酶解液中，能够显著减少工艺操作的步骤，降低生产成本。此外，发酵过程只需要额外添加少量营养物质，糖蜜中丰富的营养成份可以为发酵提供必要的营养源，有利于实现蔗渣和糖蜜的综合利用。

Claims (4)

1.一种蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，其特征在于包括如下步骤： 
（1）蔗渣原料预处理：将蔗渣原料粉碎、脱除木质素，破坏蔗渣原料的晶态结构，提高后续酶解的可及性，具体步骤为：将烘干至恒重的蔗渣原料粉碎至40～60目，按照NaOH质量体积比终浓度为1.8%～2%的量添加NaOH溶液，80～110℃下处理1～2h，然后反复用水洗涤至中性； 
（2）分批酶解预处理后的蔗渣原料：按照初始固液比5～10%向pH值为4.5～5.3的缓冲液中添加经上述步骤（1）预处理的蔗渣原料，控制反应体系温度为48～53℃，按照10～30FPU/g预处理后的蔗渣原料的量加入纤维素酶，初始酶解后再分批补加蔗渣原料继续酶解，得到蔗渣水解液； 
（3）蔗渣水解液和糖蜜混合发酵：将上述蔗渣水解液转入发酵装置中，添加基础营养液，然后按体积比5～10%的接种量接种酵母种子液，控制发酵温度为28～32℃，发酵12～24h后再按照蔗渣水解液体积或蔗渣水解液经离心得到的上清液体积5%～15%的比例添加糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。 
2.如权利要求1所述的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的缓冲液优选为pH值为4.5～5.3的醋酸-醋酸钠缓冲液。 
3.如权利要求1所述的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述步骤（3）的酵母优选为酿酒酵母。 
4.如权利要求1所述的蔗渣水解液和糖蜜混合发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的基础营养液各成分配比为：按添加量g/L计算：(NH4)2SO42g/L，酵母粉2g/L，KH2PO45g/L，MgSO4·7H2O0.4g/L，CaCl20.2g/L。 
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