CN102719486B - 一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法 - Google Patents

一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法，该方法的步骤包括粉碎烟叶并进行浸泡，菌种活，接菌，发酵和蒸馏。本发明的方法以烟叶为原料，发酵制备乙醇，其工艺简单、流程清晰、设备要求低的特点，并且本发明方法的原料可以是烟草生产废弃物，因而具有环保、合理利用资源、降低生产成本等特点。

Description

一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法
【技术领域】
本发明属于生物技术领域。更具体地，本发明涉及一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法。
【背景技术】
我国烟草植物的种植面积和产量均居世界首。烟草种植与产品加工在国民经济发展中发挥着重要的作用。每年烤烟产量中约有30-35%属于无法进行卷烟加工的低等或等外级烟叶未能得到合理利用，粗略估计仅仅云南省烟草废弃物的数量约在60万吨以上。
近几年，国内对这些烟草废弃物的综合利用方法偏重于对烟叶中烟碱、茄尼醇、氨基酸、有机酸等的分析提取研究。但是，烟叶中含量最丰富的化合物是糖类，特别是云南烟叶。据测定，云南烟叶水溶性总糖平均占29.85%，最大值达到41.96%，还原糖占26.50%(以葡萄糖计，还原糖占16-22%)，最大值可达到38.99%。对烟叶中糖类物质的利用研究相对较少。
在全球性的能源危机日益加剧的背景下，许多国家开始致力于开发各种可再生能源。生物质乙醇以其清洁性以及生物质能源在地球上存在的广泛性而引起了人们的特别关注。大部分的生物质乙醇发酵的原料是以甘蔗、甜菜和陈化粮为主，然而我国的国情是人口众多、人均耕地少，用大量粮食生产乙醇必然会产生与人“争食”、“争土地”的状况，容易造成粮食紧张等诸多问题，不符合我国国情。目前对生物质乙醇的研究主要集中在非粮乙醇，又称纤维素乙醇的生产上，其原料主要是农产品废弃物、林产废弃物。
中国专利200910250006.3提出了一种利用秸秆发酵生产乙醇的方法，该方法利用纤维素酶、木聚糖酶和木糖异构酶，将木质纤维素酶解成葡萄糖和木酮糖，酵母利用葡萄糖和木酮糖作为碳源，发酵生产乙醇。本发明方法采用同步进行木质纤维素的糖化、异构化和发酵来生产乙醇，具有减少酶解产物对纤维素酶和木聚糖酶的负反馈抑制、提高酶解速度、缩短发酵周期、降低生产成本等优点。
中国专利200810222819.7提出了一种采用薯类原料制备乙醇的方法，该方法包括将薯类原料粉碎，将粉碎后的产物与酶混合、酶解，得到酶解产物；发酵该酶解产物，从发酵产物中分离乙醇，并将薯类原料发酵制备乙醇的废液进行固液分离，得到固体产物和液体产物，将得到的液体产物进行废水处理，其特征在于，在对废液进行固液分离之前在废液中加入水溶性海藻酸酯和/或水溶性海藻酸盐。通过本发明提供的方法显著地缩短了固液分离的时间，在无需增加新设备的情况下显著地提高了单位时间内废液的处理量，从而解决了导致木薯发酵制备乙醇的装置的运行负荷较低的瓶颈，提高了木薯发酵制备乙醇的装置的生产能力。
中国专利200810070873.4提出了一种利用烟草废弃物生产酒精的方法。在该方法中，先将抑制酒精发酵的油溶性成分去除后进行制糖，再去除抑制酒精发酵的水溶性成分后进入发酵、蒸馏工序，在最后的蒸馏步骤中，将成熟醪蒸出乙醇和水蒸汽的混合气体，连续进入规整填料塔中进行连续常压蒸馏成96%酒精。
本申请人创造性地研发了以烟叶为原料生产乙醇的方法。考虑到烟草下脚料是卷烟生产中产生的大宗副产品，它含有各种有机成分和次生代谢产物。如果这类废弃物没有得到合理的利用，会给环境造成一定的负担。而利用废弃烟叶发酵制取乙醇可以一举两得，不仅能够带来环境效益，还能够达到废弃物资源合理利用的目的。
本发明申请主要借鉴半固态酿酒工艺，即先固后液的结合法，以烟草废弃物或等级外烟叶为原料，通过无氧发酵制备乙醇，为综合利用废弃物制备乙醇提供一种新的工艺方法。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明涉及一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法，该方法的步骤如下：
(1)粉碎：烟叶进行粉碎，得到烟草粉末；
(2)浸泡：按照一定的料液比，向步骤(1)得到的烟草粉末中加入水，在常温下浸泡一定时间，从而得到烟草粉末与水的混合物；
(3)菌种活化：将菌种加入到一定温度和浓度的蔗糖溶液中活化一定时间，得到活化菌种；
(4)接菌：将步骤(3)得到的活化菌种按照一定比例添加到步骤(2)形成的烟草粉末与水的混合物中；
(5)发酵：对步骤(4)得到的接菌后的物料在无氧条件下进行控温发酵，发酵一定时间后结束；
(6)蒸馏：对步骤(5)发酵后的物料进行蒸馏，经3次蒸馏得到一定浓度的乙醇。
根据本发明的一种优选实施方式，步骤(1)中烟叶粉碎至20-40目。
根据本发明的另一种优选实施方式，步骤(2)中烟草粉末与水的质量比为1:4-1:5，烟草粉末在水中浸泡时间为1-2h。
根据本发明的另一种优选实施方式，步骤(3)中使用的菌种为耐高温活性白酒干酵母或葡萄酒酵母，其活化温度为30-40℃，活化时间为1-2h。蔗糖溶液的浓度为2-4%。
根据本发明的另一种优选实施方式，步骤(4)中活化菌种的使用量以重量计，为步骤(2)得到的烟草与水的混合物重量的0.1-0.3%。
根据本发明的另一种优选实施方式，步骤(5)中的接菌物料发酵的温度是25-28℃，发酵时间为48-72h。
根据本发明的另一种优选实施方式，步骤(6)中蒸馏的温度是80-100℃，蒸馏的压力是常压条件。
本发明还涉及根据本发明方法制备得到的乙醇，其浓度为40-60%。
下面将更详细地描述本发明。
本发明涉及一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法，该方法的步骤如下：
(1)粉碎。烟叶进行粉碎，得到烟草粉末。
在本发明中，烟叶可以是任何烟叶，包括目前烟草工业留下的残次料烟梗和烟末。
本发明所述的粉碎是指利用本技术领域的技术人员通常使用的粉碎机，例如由北京燕山正地机械设备有限公司生产销售的小型高速粉碎机6202型粉碎机，将所述原料粉碎至20-40目，从而得到烟草粉末，作为后续步骤的原料。将烟叶进行粉碎的目的是为了增加与水、菌种的接触面积，便于搅拌。
(2)浸泡：以质量比1:4-1:5，向步骤(1)得到的烟草粉末中加入水，在常温下浸泡时间1-2小时，从而得到烟草粉末与水的混合物。
在本发明中，烟草粉末与添加水的比例要适当。经过本申请人多次试验探索，这个质量比以1:4-1:5为佳。如果烟草与水的比例低于这个范围，会产生物料发酵不完全的后果；如果烟草与水的比例高于这个范围，会产生发酵状态不理想，产酒精量少，且蒸馏时大量增加能耗等后果。
此外，烟草与水在常温下浸泡即可，浸泡时间可以是2h，如果浸泡时间过长，会浪费时间，实际效果不大；如果浸泡时间少于这个范围，则会烟末不能更好的吸收水分，会存有大量干粉，致使不能发酵。
(3)菌种活化：将菌种加入到一定温度和浓度的蔗糖溶液中活化一定时间，得到活化菌种。
在本发明中，使用的菌种为耐高温活性白酒干酵母或葡萄酒酵母，可以使用目前市场上销售的商业产品。例如，耐高温活性白酒干酵母可以是由安琪酵母公司生产销售的耐高温活性干酵母产品，葡萄酒酵母可以是由安琪酵母公司生产销售的葡萄酒酿酒酵母产品，或使用安琪酵母公司生产销售的耐高温酿酒高活性干酵母产品。
取一定数量的干酵母，加入到温度30-40℃的2-4%蔗糖溶液中搅拌1-2h，得到活化菌种。
(4)接菌：将步骤(3)得到的活化菌种按照一定比例添加到步骤(2)形成的烟草粉末与水的混合物中。
本发明人根据所用干酵母说明书的推荐范围，以不同的接种量进行发酵试验，最终确定活化菌种与烟草与水的混合物的重量比0.1-0.3%是合适的。
(5)发酵：对步骤(4)得到的接菌后的物料在无氧条件下进行控温发酵，发酵一定时间后结束。
由于使用的酵母具有耐高温的特性，本发明人制定了几组温度控制的试验方案，经过试验结果对比，最终确定发酵温度是25-28℃。当发酵温度低于25℃时，发酵周期会大大延长，而发酵温度高于28℃时，会造成酵母生长过快，影响到后期乙醇的形成。因此发酵温度25-28℃是合适的。
(6)蒸馏：对步骤(5)发酵后的物料进行蒸馏，经3次蒸馏得到一定浓度的乙醇。
其中，蒸馏的温度是80-100℃，蒸馏的压力是常压条件。
采用的蒸馏设备是本技术领域中常用的设备，例如由郑州长城科工贸有限公司生产的电热套及玻璃仪器。
采用比色法对蒸馏回收产物进行检测，发现得到浓度40-60%乙醇溶液。
此外，本发明方法中蒸馏后剩余的烟叶残渣还可用于卷烟薄片制备，以更大效用地利用烟草原料。
[有益效果]
本发明具有下述有益效果：
本发明的以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法具有工艺简单、流程清晰、设备要求低的特点，并且本发明方法的原料可以是烟草生产废弃物，因而具有环保、合理利用资源、降低生产成本等特点。
【具体实施方式】
实施例1：
原料为取自贵州烟厂的烟草下脚料，其中总糖的含量为28.2%，还原糖的含量为22.6%。所述的烟草下脚料用粉碎机粉碎，过20目。根据烟草粉末与水的质量比1:5的比例，将1kg烟草粉末浸在5kg水中，浸泡2小时，得到6kg烟草粉末与水的混合物。
在本实施例中使用的菌种是安琪酵母公司生产销售的耐高温活性干酵母。将12g酵母加入到500g浓度为2%的蔗糖溶液中，在30℃温度下活化2小时。然后将全部的活化后的酵母菌液加入到烟草粉末与水的混合物中（即活化酵母菌的质量为烟草与水的混合物重量的0.2%），充分搅拌混合均匀。将该接菌物料在25℃温度下发酵60小时，然后结束发酵过程。最后将发酵好的产品在100℃温度和常压条件下进行蒸馏三次。蒸馏回收后得到的产品利用比色法进行检测，发现其乙醇含量为51.2%。
实施例2
本实施例使用的原料同实施例1中使用的原料，区别在于所述烟草下脚料粉碎后过40目。根据烟草粉末与水的质量比1:4的比例，将1kg烟草粉末浸在4kg水中，浸泡2小时，得到5kg烟草粉末与水的混合物。
在本实施例中使用的菌种是安琪酵母公司生产销售的葡萄酒酿酒酵母V-007。将15g酵母加入到500g浓度为4%的蔗糖溶液中，在40℃温度下活化1小时。然后将活化后的菌种全部加入到5kg烟草粉末与水的混合物中（即活化酵母菌的质量为烟草与水的混合物重量的0.3%），充分混合均匀。将该接菌物料在27℃温度下发酵60小时，然后结束发酵过程。最后将发酵好的产品在100℃温度和常压条件下进行蒸馏。蒸馏回收后得到的产品利用比色法进行检测，发现其乙醇含量为51.7％。
实施例3
本实施例使用的原料同实施例1中使用的原料，区别在于所述烟草下脚料粉碎后过40目。根据烟草粉末与水的质量比1:4的比例，将1kg烟草粉末浸在4kg水中，浸泡2小时，得到5kg烟草粉末与水的混合物。
在本实施例中使用的菌种是安琪酵母公司生产销售的耐高温酿酒高活性干酵母。将5g酵母加入到500g浓度为4%的蔗糖溶液中，在37℃温度下活化1小时。然后将活化后的菌种全部加入到5kg烟草粉末与水的混合物中（即活化酵母菌的质量为烟草与水的混合物重量的0.1%），充分混合均匀。将该接菌物料在28℃温度下发酵72小时，然后结束发酵过程。最后将发酵好的产品在100℃温度和常压条件下进行蒸馏。蒸馏回收后得到的产品利用比色法进行检测，发现其乙醇含量为53%。

Claims (2)

1.一种以烟叶为原料发酵制备乙醇的方法，其特征在于该方法的步骤如下：
(1)粉碎：烟叶粉碎得到烟草粉末；
(2)浸泡：按照烟草粉末与水的质量比1:4-1:5，向步骤(1)得到的烟草粉末中加入水，在常温下浸泡1-2h，从而得到烟草粉末与水的混合物；
(3)菌种活化：将菌种加入到30-40℃和浓度2-4%的蔗糖溶液中活化1-2h，得到活化菌种；所述菌种是耐高温活性白酒干酵母或耐高温活性葡萄酒酵母；
(4)接菌：将步骤(3)得到的活化菌种按照步骤(2)的烟草与水的混合物重量的0.1-0.3%添加到步骤(2)形成的烟草粉末与水的混合物中；
(5)发酵：对步骤(4)得到的接菌后的物料在25-28℃下发酵，发酵48-72h；
(6)蒸馏：对步骤(5)发酵后的物料在80-100℃进行常压蒸馏，经3次蒸馏得到浓度40-60%的乙醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中烟叶粉碎至20-40目。
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