CN104099376A - 一种应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法，其中，该方法包括以下步骤：将淀粉质原料粉碎成粉；将粉碎后的淀粉质原料粉用水和清液配制成干物质质量浓度为30-33%的粉浆；对上述粉浆进行预处理，所述预处理的方法为向上述粉浆中加入酸性蛋白酶、淀粉酶、复合抑菌剂，并调至pH为4.0-4.5，搅拌所述粉浆，制成预处理醪液，其中，所述复合抑菌剂含有青霉素和莫能菌素；向上述预处理醪液中加入糖化酶、酵母、营养盐，进行发酵。采用本发明的方法得到的成熟醪酒份浓度高、淀粉出酒率较高，且复合抑菌剂的应用可以降低生料发酵过程中乳酸和乙酸的浓度，很好地减少了杂菌污染，并有利于进一步提高成熟醪酒份浓度和淀粉出酒率。

Description

一种应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法。

背景技术

近年来，随着世界性的能源危机日益严重，人们在设法寻找新的能源代替石油，而乙醇是最佳选择之一。乙醇是以淀粉质为原料发酵制得的可再生能源，已经在能源领域脱颖而出，并越来越显示出广阔和深远的发展前景。与此同时，随着乙醇市场的供求矛盾以及市场竞争的日益激烈，人们也认识到减少乙醇工业生产能耗及环境污染的问题，是乙醇生产企业生存和发展的重点工作。传统的乙醇生产工艺的能耗很高，尤其是其高压蒸煮工段的能耗、气耗占整个生产工序能量投入的35%左右，由此而产生的生产冷却用水量猛增也使乙醇的生产成本增加，且工序复杂，生产线操作人员劳动强度大。因此，如果以低温预处理的生料发酵方式，发酵淀粉质原料生产燃料乙醇（生料发酵）可行的话，具有很高的推广和应用价值。

虽然生料发酵具有一系列的优势，但是生料发酵由于采用低温的预处理方式，未经过高温蒸煮，其发酵周期长，导致这种发酵方式易产生杂菌，发酵过程中，因杂菌繁殖而使醪液酸度升高，造成的危害有两方面：一是直接消耗可发酵性糖，使出酒率下降。据文献介绍（卜春文.酒精发酵过程中糖损失评估.酿酒科技（J）.1996年（3）），每增加一个酸度就相当于消耗了总糖的0.6%（约0.5°酒）；二是因酸度增高，pH降低而使淀粉酶系统钝化，造成糖化作用不完全，使淀粉和糊精转化不完全，进而也使出酒率降低，造成经济损失。

在发酵酒精生产中，杂菌多为乳酸杆菌和醋酸杆菌，所产生的乳酸和乙酸对酵母有抑制作用。国内发酵酒精生产中多采用清液（所述清液为废醪经离心分离后的液相；所述废醪为发酵成熟醪经蒸馏后排出的废液）回配的方式来减少一次水的用量，这样就使得发酵系统中的酸含量超标而使得发酵产量降低。

现在国内很多厂家使用青霉素作为有效的抑菌剂，但是由于长期使用产生了耐药性，效果不尽理想。随着时间的推移，越来越多的细菌产生青霉素耐药性，就导致需要提高抗生素的用量以获得可以接受的生产率水平。但是，抗生素制剂的价格通常比较昂贵，抗生素用量的增加会导致发酵成本显著增加。而且，抗生素的高用量也可引起人体的过敏和其他疾病，影响酒精发酵生产线上操作人员的身体健康。此外，消费者对酒精发酵主产物（燃料乙醇、食用酒精、医疗、化学试剂等）以及其副产物（DDGS（Distillers Dried Grainswith Solubles）、玉米油、杂醇油等）的需求日益增长，这就要求酒精发酵整个生产过程尽可能减少对人、动物健康和环境的危害，即尽可能减少产品中抗生素的残留量或者找到一种可以替代或减少青霉素用量的、对生态友好的抗生素品种。此外，在酒精发酵过程中，需要经常进行醪液的细菌检查，如有细菌存在，则需要多次、多量添加青霉素，以实现充分抑制杂菌生长，因此，青霉素用量较大。综上，寻找一种对生态友好、廉价而又适合于大生产的酒精发酵抑菌剂，降低系统中的酸度，是实现乙醇稳定并高产的关键因素之一。

发明内容

本发明的发明目的是克服现有技术中的缺陷，而提供一种新的应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法。

较传统高温蒸煮工艺而言，本发明采用淀粉质原料低温预处理的生料发酵方式，发酵生产燃料乙醇工艺，取消了蒸煮工段和冷却糖化工段，并且在预处理过程中，一部分拌料液为清液（所述清液为废醪经离心后的液相，温度80-85℃，干物质质量浓度3-6%；所述废醪为发酵成熟醪经蒸馏后排出的废液），从而大幅度降低蒸汽和水的消耗及减少设备的使用，进一步简化工艺，使劳动强度大幅下降，降低生产成本，并且在生料发酵过程中使用含有青霉素和莫能菌素的复合抑菌剂，减少杂菌污染，提高效率，应用本发明的技术方案，发酵后成熟醪乙醇含量高，淀粉出酒率高。

本发明提供一种应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法，其过程不需要进行高温蒸煮拌料，该方法包括以下步骤：

步骤一：将淀粉质原料粉碎成粉；

步骤二：将粉碎后的淀粉质原料用水和清液配制成干物质质量浓度为30-33%粉浆；

步骤三：对上述粉浆进行预处理，所述预处理的方法为向上述粉浆中加入酸性蛋白酶、淀粉酶、复合抑菌剂，并调至pH为4.0-4.5，搅拌所述粉浆，制成预处理醪液，其中，所述复合抑菌剂含有青霉素和莫能菌素；

步骤四：向上述预处理醪液中加入糖化酶、酵母、营养盐，进行发酵。

本发明的优点：

本发明采用的预处理方式温度低，时间短，干物浓度高，粘度低，减少搅拌带来的设备磨损，并且可以节省能耗，成熟醪乙醇浓度高，精馏工段蒸汽用量也有所降低，大大降低水、电、气的用量；

在预处理过程中使用清液回配，使拌料受热更均匀，不会造成局部过热，不需要用蒸汽为预处理过程提供热源；预处理一部分拌料液为清液，从而大幅度降低蒸汽和水的消耗及减少设备的使用，进一步简化工艺，使劳动强度大幅下降，降低生产成本；

在低温预处理过程中加入酸性蛋白酶，一方面，在其水解作用下生成大量的氨基酸，提供丰富的氮源，促进酵母菌的生长与繁殖，增加发酵时酵母菌的浓度，提高发酵速率，从而缩短发酵周期和提高发酵设备的生产能力；另一方面，酸性蛋白酶可以降低液化醪的粘度，进而降低能耗和设备损耗；同时，由于蛋白质的分解，蒸馏时产生的泡沫减少，使蒸馏变得容易操作；此外，添加酸性蛋白酶可以破坏原料颗粒间质细胞壁的结构，有利于后续步骤中糖化酶的作用，使原料中可利用的碳源增加，从而提高原料的出酒率；

在本发明技术方案中，在发酵工段一次性添加酵母和糖化酶，不用反复流加，降低工艺操作复杂程度，从而增加生产效率；

通过只替换或部分替换抗生素的种类，即达到了抑制细菌生长，并降低醪液中的酸度，提高了出酒率的技术效果；

莫能菌素相对青霉素而言，莫能菌素可以减少对人、动物健康和环境的危害，是一种对生态友好的抗生素品种，所以当其应用在酒精发酵技术领域中时，会带来良好的生态效果；

使用莫能菌素和青霉素的混合抑菌剂，可以延长抑菌剂的作用时间，因此，可减少刷罐的次数；

目前青霉素比莫能菌素的市场价格高出30%左右，所以利用莫能菌素部分替代青霉素作为抑菌剂，可以降低生产成本，并且提高了产量；

利用莫能菌素部分替代青霉素作为抑菌剂，可以减少或消除青霉素残留对主要产物酒精和DDGS等副产物的影响。

总之，应用本发明的技术方案可以从整体上，发挥各技术手段的协同作用，降低发酵淀粉质原料生产乙醇的能耗、增加生产效率、降低成本、提高淀粉利用率、提高淀粉出酒率等。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤一中，将淀粉质原料粉碎成粉的方法可以采用本领域技术人员公知的方法进行，粉碎后得到的淀粉质原料粉的颗粒大小通常为能够过30-40目筛，即颗粒直径通常为380-550微米。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤二中，将粉碎后的淀粉质原料粉配制成粉浆的方法为：将粉碎后的淀粉质原料粉用水和清液混合，配制成粉浆，所述清液为废醪经分离后的液相，优选，分离后得到的所述液相的温度为80-85℃，所述液相中干物质质量浓度为3-6%。其中，所述将废醪进行分离得到清液的方法可以采用本领域技术人员公知的方法，例如，离心分离的方法，只要保证得到的液相中干物质质量浓度为3-6%即可。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤二中，使用80-85℃的清液回配，不需要使用蒸汽加热拌料温度。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤三中，在低温下搅拌所述粉浆进行预处理，制成预处理醪液，所述预处理的温度优选为60-65℃，搅拌时间优选为0.5-1h。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤三中，所述酸性蛋白酶的加入量优选为15-20U/g干基。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤三中，所述淀粉酶的加入量优选为30-40U/g干基。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤三中，所述复合抑菌剂中，青霉素与莫能菌素的重量比为1:1-3，加入的青霉素在体系中的质量浓度为0.6-1.2ppm，加入的莫能菌素在体系中的质量浓度为0.6-3.6ppm。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤四中，向预处理醪液中加入糖化酶，酵母，营养盐之前，优选将预处理醪液降温至30-35℃。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤四中，所述的酵母加入量为体系的0.2-0.4重量%。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤四中，所述糖化酶的加入量为400-500U/g干基。

在本发明的一个优选的实施方式中，在所述步骤四中，所述发酵时间为75-85h。

在本发明中，所述干基指的是所述步骤二中，将粉碎后的淀粉质原料粉用水和清液混合配制成粉浆中的干物质的量。

在本发明中，所述体系指的是所述步骤二中，将粉碎后的淀粉质原料粉用水和清液混合配制成粉浆的总重量。

在本发明中，所述莫能菌素和青霉素均能够商购得到。其中，莫能菌素是聚醚类离子载体抗生素，莫能菌素（monensin）的商品名称为“瘤胃素（rumensin）”。

在本发明的技术方案中，所述淀粉质原料可以为本领域技术人员公知的各种可以用于发酵制备乙醇的淀粉质原料，例如，选自水稻、玉米、小麦和木薯中的一种或多种。

在本发明的技术方案中，优选采用全玉米作为淀粉质原料，对全玉米粉进行低温预处理，同时加入酸性蛋白酶和淀粉酶，发酵78小时后，HPLC（高效液相色谱法）检测成熟醪乙醇含量可达到18.7体积%，乙醇/甘油值为17.7，淀粉出酒率为56.98%（以95体积%酒精计），大大提高了原料利用率，并且有效减少发酵过程中副产物的含量以及实现生产上的节能减排，达到国内玉米发酵生产燃料乙醇的领先水平，具有很高的推广和应用价值。

下述实施例中，所采用的制剂、酶、酿酒酵母、营养盐等都为本技术领域常规定义的且为本领域常用的。更具体地，选用的淀粉酶、酸性蛋白酶及糖化酶均为购自杰能科公司产品；酵母为安琪公司的超级酿酒活性干酵母；莫能菌素购自郑州星耀科技有限公司；青霉素购自华北制药股份有限公司。

下述实施例中所用的清液为废醪经离心分离后的液相，离心分离后得到的所述液相的温度为80-82℃，所述液相中干物质质量浓度为4重量%。

实施例1

将玉米原料粉碎成粉，玉米粉碎后的粒度为100%过30目筛；与水和清液配制成干物质质量浓度为30%的粉浆；清液回配混合比例（使其在体系中的重量比为40%）；接着加入青霉素（使其在体系中的质量浓度为1.2ppm）和莫能菌素（使其在体系中的质量浓度为1.2ppm），酸性蛋白酶17U/g干基，淀粉酶34U/g干基，调节pH至4.0后，在63℃下，搅拌45min，制成预处理醪液；然后将其降温至32.5℃，加入硫酸镁（使其在体系中的质量浓度为1-2ppm）、硫酸锌（使其在体系中的质量浓度为1-2ppm）、尿素（使其在体系中的质量浓度为240-260ppm）、磷酸二氢铵（使其在体系中的质量浓度为10-14ppm）、酵母（占体系的0.2重量%），糖化酶450U/g干基，发酵80h。发酵后用HPLC检测成熟醪酒份可达18.2体积%，淀粉出酒率可达56.87%（以95体积%酒精计）。

实施例2

将玉米原料粉碎成粉，玉米粉碎后的粒度为100%过35目筛；与水和清液配制成干物质质量浓度为32%的粉浆，清液回配混合比例（使其在体系中的重量比为30%）；接着加入青霉素（使其在体系中的质量浓度为0.8ppm），莫能菌素（使其在体系中的质量浓度为1.6ppm），酸性蛋白酶15U/g干基，淀粉酶30U/g干基，调节pH至4.3后，在60℃下，搅拌30min，制成预处理醪液；然后将其降温至30℃，加入硫酸镁（使其在体系中的质量浓度为2-3ppm），硫酸锌（使其在体系中的质量浓度为2-3ppm），尿素（使其在体系中的质量浓度为265-285ppm），磷酸二氢铵（使其在体系中的质量浓度为14-18ppm），酵母（占体系的0.4重量%），糖化酶400U/干基，发酵75h。发酵后用HPLC检测成熟醪酒份可达18.3体积%，淀粉出酒率可达56.89%（以95体积%酒精计）。

实施例3

将玉米原料粉碎成粉，玉米粉碎后的粒度为100%过40目筛；与水和清液配制成干物质质量浓度为33%的粉浆，清液回配混合比例（使其在体系中的重量比为20%）；接着加入青霉素（使其在体系中的质量浓度为0.6ppm），莫能菌素（使其在体系中的质量浓度为1.8ppm），酸性蛋白酶20u/g干基，淀粉酶40u/g干基，调节pH至4.5后，在65℃下，搅拌60min，制成预处理醪液；然后将其降温至35℃，加入硫酸镁（使其在体系中的质量浓度为2.5-3.5ppm），硫酸锌（使其在体系中的质量浓度为2.5-3.5ppm），尿素（使其在体系中的质量浓度为270-300ppm），磷酸二氢铵（使其在体系中的质量浓度为16-20ppm），酵母（占体系的0.3重量%），糖化酶500U/干基，发酵85h。发酵后用HPLC检测成熟醪酒份可达18.6体积%，淀粉出酒率可达56.95%（以95体积%酒精计）。

实施例4

将玉米原料粉碎成粉，玉米粉碎后的粒度为100%过40目筛；与水和清液配制成干物质质量浓度为33%的粉浆，清液回配混合比例（使其在体系中的重量比为10%）；接着加入青霉素（使其在体系中的质量浓度为1.0ppm），莫能菌素（使其在体系中的质量浓度为3.0ppm），酸性蛋白酶20U/g干基，淀粉酶40U/g干基，调节pH至4.2后，在60℃下，搅拌30min，制成预处理醪液；然后将其降温至30℃，加入硫酸镁（使其在体系中的质量浓度为1.5-2.5ppm），硫酸锌（使其在体系中的质量浓度为1.5-2.5ppm），尿素（使其在体系中的质量浓度为255-275ppm），磷酸二氢铵（使其在体系中的质量浓度为12-16ppm），酵母（占体系的0.2重量%），糖化酶400U/干基，发酵78h。发酵后用HPLC检测成熟醪酒份可达18.7体积%，淀粉出酒率可达56.98%（以95体积%酒精计）。

对比例1

将玉米原料粉碎成粉，玉米粉碎后的粒度为100%过40目筛；与水和清液配制成干物质质量浓度为33%的粉浆，清液回配混合比例（使其在体系中的重量比为10%）；接着加入青霉素（使其在体系中的质量浓度为2.4ppm），酸性蛋白酶20U/g干基，淀粉酶40U/g干基，调节pH至4.5后，在65℃下，搅拌60min，制成预处理醪液；然后将其迅速降温至35℃，加入硫酸镁（使其在体系中的质量浓度为1-2ppm），硫酸锌（使其在体系中的质量浓度为1-2ppm），尿素（使其在体系中的质量浓度为240-260ppm），磷酸二氢铵（使其在体系中的质量浓度为10-14ppm），酵母（占体系的0.2重量%），糖化酶500U/干基，发酵85h。发酵后用HPLC检测成熟醪酒份为18.1体积%，淀粉出酒率为56.85%（以95体积%酒精计）。

表1各实施例和对比例的酒精发酵结果及抑菌剂用量

其中，乳酸和乙酸的含量测定方法为高效液相色谱法。

从上表1的结果可以看出，采用本发明的方法得到的成熟醪酒份浓度高、淀粉出酒率较高，且复合抑菌剂的应用可以降低生料发酵过程中乳酸和乙酸的浓度，很好地减少了杂菌污染，并有利于进一步提高成熟醪酒份浓度和淀粉出酒率。

上述实施例为本发明较好的实施方式，但本发明的实施方式并不接受上诉实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下的所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种应用复合抑菌剂生料发酵淀粉质原料生产乙醇的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：将淀粉质原料粉碎成粉；

步骤二：将粉碎后的淀粉质原料粉用水和清液配制成干物质质量浓度为30-33%的粉浆；

步骤三：对上述粉浆进行预处理，所述预处理的方法为向上述粉浆中加入酸性蛋白酶、淀粉酶、复合抑菌剂，并调至pH为4.0-4.5，搅拌所述粉浆，制成预处理醪液，其中，所述复合抑菌剂含有青霉素和莫能菌素；

步骤四：向上述预处理醪液中加入糖化酶、酵母、营养盐，进行发酵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中，将粉碎后的淀粉质原料粉配制成粉浆的方法为：将粉碎后的淀粉质原料粉与水和清液混合，其中混合的清液比例为10-40重量%，所述清液为废醪经分离后的液相，分离后得到的所述液相的温度为80-85℃，所述液相中干物质质量浓度为3-6%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，酸性蛋白酶的加入量为15-20U/g干基。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，淀粉酶的加入量为30-40U/g干基。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，所述复合抑菌剂中，青霉素与莫能菌素的重量比为1:1-3，加入的青霉素在体系中的质量浓度为0.6-1.2ppm，加入的莫能菌素在体系中的质量浓度为0.6-3.6ppm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，所述预处理的温度为60-65℃，搅拌时间为0.5-1h。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤四中，向预处理醪液中加入糖化酶，酵母，营养盐之前，将预处理醪液降温至30-35℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤四中，所述酵母的加入量为体系的0.2-0.4重量%。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤四中，所述糖化酶的加入量为400-500U/g干基。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发酵时间为75-85h。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于：所述淀粉质原料选自水稻、玉米、小麦和木薯中的一种或多种。