CN103509828B

CN103509828B - 一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的方法

Info

Publication number: CN103509828B
Application number: CN201310436231.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋建新; 唐勇; 雷福厚; 刘祖广; 朱莉伟
Original assignee: Beijing Forestry University; Guangxi University for Nationalities
Current assignee: Beijing Forestry University; Guangxi University for Nationalities
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103509828A

Abstract

本发明涉及一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的方法，以木薯渣为原料，经液化、纤维素酶和淀粉糖化酶共同糖化发酵制备乙醇。本发明的乙醇制备方法可以实现零化学品投入进行生产，资源化利用木薯渣中的多种组分，实现高底物浓度发酵，缩短发酵时间。同时，木薯渣经过乙醇转化后的发酵残渣中纤维素相对含量降低，蛋白质含量提高，更适宜于制备颗粒饲料（DDGS）。

Description

一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的新方法，属生物质化学化工领域。

背景技术

当今世界人类社会正面临着能源枯竭的危机，世界各国纷纷投入大量资金进行可再生能源的开发。作为可再生能源的一种，燃料乙醇是目前应用最广泛的可再生机动燃料，不同地域采用不同原料进行燃料乙醇的生产，比如美国使用玉米，巴西则使用甘蔗。中国是一个人口大国，使用玉米、小麦等粮食作为原料生产燃料乙醇会引发粮食安全等问题，因此政府鼓励使用非粮食原料进行燃料乙醇的生产。

木质纤维原料是目前替代粮食原料的潜在原料，使用木质纤维原料生产燃料乙醇也是目前研究开发的热点。在木质纤维原料生产燃料的过程中，需要对原料进行一定的预处理，即对不利于酶水解的组分，比如半纤维素、木质素等进行一定分离，再利用纤维素酶进行酶水解，水解下来的单糖经过微生物发酵生产乙醇。木质纤维原料生产乙醇的过程主要包括原料成本、预处理成本、纤维素酶成本及产品分离纯化成本。由于成本较高，目前还不具备商业生产的可行性。而采用一些农业废弃物及工业废弃物等木质纤维作为原料，能降低木质纤维生产乙醇过程中原料成本和预处理成本。

木薯渣是木薯淀粉工业的残渣，中国广西等省份每年具有可观的废弃量，仅少量用于饲料。从木薯渣的成分来看，其淀粉和蛋白含量低于玉米，纤维素含量高于玉米。木薯渣是一种潜在的燃料乙醇生产原料，使用木薯渣生产燃料乙醇不会与人争地，符合国家政策导向。近年来已有采用糠醛渣及木薯渣等工业废弃物生产乙醇的专利，比如CN201110053096.4和CN2008102233123。然而使用这些工业废弃物生产乙醇，发酵液中最大乙醇浓度仅接近5%，分离提纯这一浓度的乙醇要求较高的能量输入，产品分离和纯化的高成本也是限制工业废弃物发酵乙醇工业化的一个重要原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案。

一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的方法，以木薯渣为原料，经液化、纤维素酶和淀粉糖化酶共同糖化发酵制备乙醇。

上述方法具体步骤如下：

1）木薯渣经淀粉液化酶液化后，得到木薯渣淀粉液；

2）木薯渣淀粉液经淀粉糖化酶和木质纤维酶共同糖化得到糖化液；

3）糖化液经乙醇酵母发酵制备乙醇；

4）发酵液经蒸馏分离乙醇，剩余残渣制成饲料。

在上述步骤1）中，将木薯渣加入到40-60℃水中，保温20-50min，再加入淀粉液化酶，搅拌条件下，85-90℃液化1.5-3h，得到木薯渣淀粉液；

其中，木薯渣与水的重量体积百分比为15-25w/v%；淀粉液化酶加入量为6-10U/每克木薯渣；

在步骤2）中，将木薯渣淀粉液用10%稀硫酸调节pH值4.2-5.0，加入淀粉糖化酶、纤维素酶、无患子皂素，44-50℃糖化2-12h，得到糖化液；

其中，淀粉糖化酶加入量为50-70U/每克木薯渣；纤维素酶加入量为1.0-4.0FPU/每克木薯渣；无患子皂素与木薯渣淀粉液的重量体积百分比为0.005-0.125w/v%；

在步骤3）中，将木薯渣糖化液用10%氢氧化钠调节pH值至5.0-6.0后，将糖化液装至发酵罐体积的1/3-2/3处，加入无患子皂素，接种酒精酵母，发酵温度34-38℃，发酵时间24-72h；

其中，无患子皂素与木薯渣糖化液的重量体积百分比为0.005-0.125w/v%；酒精酵母为耐高温型高浓度酒精酵母，接种浓度为5.5-7.5g/L。

本发明提供的由木薯渣制备乙醇方法，具备以下有益技术效果：

1）选用广西区域特色的工业废料木薯渣生产燃料乙醇，工业木薯废渣资源量大、价格低廉，木薯渣含有丰富的淀粉和纤维素，只含有少量酸不溶物，不会大量吸附纤维素酶，纤维素的转化只需要少量纤维素酶，是制备纤维乙醇的优选原料之一。并且木薯渣中含有3.72%的蛋白，这部分蛋白在淀粉糖化过程被释放出来，在后续发酵过程中不需要添加其它营养物质。

2）淀粉糖化酶和纤维素酶的加入能有效水解淀粉多糖和纤维素，二者协同糖化有利于提高淀粉糖化酶和纤维素酶的水解效率；糖化酶的加入能降低木薯渣中酸不溶物对纤维素酶的吸附；纤维素的水解降低体系黏度，有利于传质从而提高糖化酶糖化效果；

发酵过程中，底物浓度的增加一定程度上会影响发酵进程，从而降低产率，本发明在糖化、发酵体系中加入无患子皂素，可促进酶与底物、酵母与糖的作用，减少酶使用量和提高发酵效率和相对产率，将乙醇得率由现有技术的81.9%提高到99.2%，提高了21%。同时较高的乙醇酵母接种浓度（≥5.5g/L）也有利于提高发酵残渣的蛋白含量。

3）发酵液经过蒸馏分离乙醇后，残渣富含蛋白、酵母和一定量纤维素可以作为良好的饲料出售，从而提高过程经济。

本发明的乙醇制备方法可以实现零化学品投入进行生产，资源化利用木薯渣中的多种组分，实现高底物浓度发酵，缩短发酵时间。同时，木薯渣经过乙醇转化后的发酵残渣中纤维素相对含量降低，蛋白质含量提高，更适宜于制备颗粒饲料（DDGS）。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

1）将木薯渣1kg加入到50℃水中，保温30min，再加入淀粉液化酶，搅拌条件下，90℃液化2h，得到木薯渣淀粉液；其中，木薯渣与水的重量体积百分比为15w/v%；淀粉液化酶加入量为8U/每克木薯渣；

2）将上述木薯渣淀粉液用10%稀硫酸调节pH值4.5，加入淀粉糖化酶、纤维素酶、无患子皂素，48℃糖化12h，得到糖化液；其中，淀粉糖化酶加入量为60U/每克木薯渣；纤维素酶加入量为3.0FPU/每克木薯渣；无患子皂素与木薯渣淀粉液的重量体积百分比为0.08w/v%；

3）将上述木薯渣糖化液用10%氢氧化钠调节pH值至6.0后，将糖化液装至发酵罐体积的2/3处，加入无患子皂素，接种酒精酵母，发酵温度36℃，发酵时间72h；其中，无患子皂素与木薯渣糖化液的重量体积百分比为0.08w/v%；酒精酵母为耐高温型酒精酵母，接种浓度为6.5g/L；

4）发酵液经蒸馏分离乙醇，剩余残渣制成DDGS饲料。

对比例1 单一糖化制备乙醇

按照实施例1的方法发酵制备乙醇。其中，在步骤2）糖化过程中，只加入淀粉糖化酶，不添加纤维素酶和无患子皂素。

效果对比试验1

对实施例1、对比例1的发酵产物中乙醇浓度进行检测，结果见表1。其中，在本领域中，乙醇理论产量为1kg木薯渣淀粉在理想条件下完全转化能够得到567.9g乙醇，以此为基准，乙醇得率=（实际产量/理论产量）×100%。

表1 实施例1及对比例1发酵过程中产物测定

	实施例1	对比例1
			液化后葡萄糖含量	65.92g/L	65.92g/L
糖化后葡萄糖含量	73.5g/L	68.2g/L
			发酵24h时乙醇浓度	38.36g/L	32.44g/L
发酵72h时乙醇浓度	39.57g/L	32.69g/L
			发酵72h时乙醇得率	99.2%	81.9%

由表1可知，淀粉糖化酶与纤维素酶的协同糖化有效提高糖化水解能力，如实施例1糖化前葡萄糖含量在65.91g/L，糖化后葡萄糖含量达到73.5g/L，72h后乙醇得率达到99.2%；而对比例1糖化后葡萄糖含量仅为68.2g/L，72h乙醇得率为81.9%。由此可见，协同糖化能够有效提高水解效率，更有利于发酵进程，获得更高的乙醇产率。

实施例2

按照实施例1的方法发酵制备乙醇。其中，以木薯渣1kg为原料，木薯渣与水的重量体积百分比为23w/v%；淀粉液化酶加入量为10U/每克木薯渣；淀粉糖化酶加入量为70U/每克木薯渣；纤维素酶加入量为4.0FPU/每克木薯渣；无患子皂素与木薯渣淀粉液的重量体积百分比为0.12w/v%；无患子皂素与木薯渣糖化液的重量体积百分比为0.12w/v%；酒精酵母为耐高温型酒精酵母，接种浓度为7.5g/L。

对比例2 单一糖化且加入发酵培养基制备乙醇

按照实施例2的方法发酵制备乙醇。其中，在步骤2）糖化过程中，只加入淀粉糖化酶，不添加纤维素酶和无患子皂素；在步骤3）发酵过程中，只添加酒精酵母和发酵培养基，不添加无患子皂素；发酵培养基配方为：（NH₄)₂HPO₄，0.5g/L，MgSO₄·7H₂O，0.5g/L，酵母膏（北京奥博星生物有限公司），1g/L。

效果对比试验2

对实施例2、对比例2的发酵产物中乙醇浓度进行检测，结果见表2。

表2 实施例2及对比例2发酵过程中产物测定

	实施例2	对比例2
			液化后葡萄糖含量	109.8g/L	109.8g/L
糖化后葡萄糖含量	181.1g/L	134.9g/L
			发酵24h时乙醇浓度	82.8g/L	59.8g/L
发酵72h时乙醇浓度	84.5g/L	60.4g/L
			发酵72h时乙醇得率	86.1%	61.5%

由表2可知，在协同糖化基础上，在发酵过程中添加极少量的无患子皂素和酒精酵母共同发酵来替代现有发酵中化学品营养源，不仅进一步提高乙醇得率，还实现了零化学品的投入，如实施例2发酵72小时乙醇得率为86.1%，而对比例2同期乙醇得率仅为61.5%。并且由于本发明发酵残渣中纤维素相对含量低，蛋白质含量高，更适宜于制备颗粒饲料。

实施例3

按照实施例1的方法发酵制备乙醇。其中，以木薯渣1kg为原料，木薯渣与水的重量体积百分比为20w/v%；淀粉液化酶加入量为6U/每克木薯渣；淀粉糖化酶加入量为50U/每克木薯渣；纤维素酶加入量为1.0FPU/每克木薯渣；无患子皂素与木薯渣淀粉液的重量体积百分比为0.01w/v%；无患子皂素与木薯渣糖化液的重量体积百分比为0.01w/v%；酒精酵母为耐高温型酒精酵母，接种浓度为5.5g/L。

对比例3

按照实施例3的方法发酵制备乙醇。其中，在步骤2）糖化过程中，只加入淀粉糖化酶，不添加纤维素酶和无患子皂素。

对实施例3与对比例3发酵过程中产物测定，其结果与效果对比试验1、2基本一致。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种以木薯渣为原料协同糖化发酵制备乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将木薯渣加入到40-60℃水中，保温20-50min，再加入淀粉液化酶，搅拌条件下，85-90℃液化1.5-3h，得到木薯渣淀粉液；

2)将木薯渣淀粉液用10％稀硫酸调节pH值4.2-5.0，加入淀粉糖化酶、纤维素酶、无患子皂素，44-50℃糖化2-12h，得到糖化液；

3)将木薯渣糖化液用10％氢氧化钠调节pH值至5.0-6.0后，将糖化液装至发酵罐体积的1/3-2/3处，加入无患子皂素，接种酒精酵母，发酵温度34-38℃，发酵时间24-72h；

4)发酵液经蒸馏分离乙醇，剩余残渣制成饲料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述木薯渣与水的重量体积百分比为15-25w/v％；淀粉液化酶加入量为6-10U/每克木薯渣。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述淀粉糖化酶加入量为50-70U/每克木薯渣；纤维素酶加入量为1.0-4.0FPU/每克木薯渣；无患子皂素与木薯渣淀粉液的重量体积百分比为0.005-0.125w/v％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述无患子皂素与木薯渣糖化液的重量体积百分比为0.005-0.125w/v％；酒精酵母为耐高温型高浓度酒精酵母，接种浓度为5.5-7.5g/L。