CN104711297A - 一种以菊芋为原料同步发酵生产燃料乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以菊芋为原料，采用同步发酵技术生产燃料乙醇的方法。其中采用的菌种为发酵能力强且具有菊粉酶活性的马克斯克鲁维(Kluyveromyces marxianus)酵母，主要的发酵技术为菊粉水解和还原糖发酵同步进行的同步发酵技术，乙醇的提纯采用疏水吸附剂免蒸馏节能工艺，最终的乙醇浓度能达到99.2％以上，之后经过变性，得到变性燃料乙醇。

Description

一种以菊芋为原料同步发酵生产燃料乙醇的方法
本发明提供一种菊芋发酵生产燃料乙醇的方法。菊芋属于多年生菊科向日葵属，是食用地下块茎的薯芋类蔬菜。菊芋地下块茎内含丰富的菊粉(菊糖)，菊粉为天然果糖多聚物，是由多个果糖通过β-2，1-果糖苷键连接成的多聚果糖，呈直链结构。菊芋是生产乙醇的良好糖源，其关键是菊粉(多聚果糖)在菊粉酶(Inulinase)作用下水解成为由果糖和少量葡萄糖组成的混合单糖，随后果糖等单糖经过酵母等微生物的发酵作用生成乙醇。
乙醇作为食品、化工原料，一直以来都是发酵行业的主导产品。长期以来，乙醇都由微生物发酵生产，原料多以农作物如：玉米、小麦、甜高粱、木薯、红薯等为主。近年来，随着全球人口的增加和全球粮食危机的出现，在不与人争口粮与土地的情况下，菊芋以其耐寒耐旱、对环境适应性强、繁殖力强、并且菊芋是中等耐碱植物，种植菊芋不占用耕地，可充分利用荒地、坡地、产量极高等特点，在乙醇发酵方面具有很高的利用价值。
菊芋的产量较高，在中等肥力的土壤上，每亩可收获块茎2000～4000千克，可采收茎叶2000千克。一次种植，多年收获。菊芋块茎的糖类产量很高，几乎是玉米糖类含量的2倍，与甜菜类含糖几乎一样。菊芋块茎的组成为：含水量约80％，剩下的20％干物质中，糖类占85％，含氮物(非蛋白氮)占1.45％～1.55％，还有1％～5％的灰分，10％-13％是纤维素和半纤维素。块茎中的糖类主要以菊粉的形式存在，糖类的总含量可以达85％-95％，这取决于块茎的生长和贮存期的处理。
菊芋作为一种极具开发潜力的非粮资源，与其他方法相比，以菊芋为原料发酵生产燃料乙醇具有巨大的原料和生产优势，因此也受到世界各国的广泛关注。国外研究始于20世纪50年代，80年代做了大量工作，目前发酵菊芋生产乙醇的研究主要集中在发酵君主的筛选和适于工业生产发酵工艺的研究两个方面。
传统的葡萄糖转化成酒精的工艺很简单。由于菊粉的水解产物主要有葡萄糖、果糖、低聚糖等，这些单糖浓度过高会对菊粉酶的合成起反馈抑制作用，所以将单糖及时转化为酒精成为菊芋高效率发酵酒精的关键步骤。目前，菊芋发酵
生产酒精工艺主要有分步水解发酵法和一步发酵法。菊芋中存在的菊粉先通过酸或酶水解转化为可发酵性糖，再被酵母或细菌所发酵产生乙醇，这个过程通常被称为分步水解发酵法(Separate Hydrolysis and Fermentation SHF)或两步法发酵。SHF的工艺特点是菊粉水解和发酵分别在不同的反应器中进行，菊粉水解常用酸法或酶法。一些具有菊粉酶活性的酵母菌种，它们既可水解菊粉也可发酵还原性糖，因此利用这些酵母可在一个容器中发酵菊芋生产酒精，而无需事先水解或糖化，这个过程叫一步法发酵，(Simultaneous Saccharification andFermentation SSF)。与先酸解或酶解菊粉，再发酵生成乙醇的两步法工艺相比，同步糖化发酵工艺不仅省去了菊粉酶制备、菊粉酸解或酶解过程，降低了过程成本，而且同步糖化发酵可以有效防止菊粉水解后单糖的过度积累对菊粉酶产生的反馈抑制现象，同时由于系统中没有糖的大量积累，杂菌污染得以有效控制。
本发明在前人研究的基础上，选取菊芋生产乙醇的各个最优条件，结合疏水吸附剂免蒸馏节能工艺制取菊芋燃料酒精的方法提纯生产的乙醇，得到了菊芋生产高纯度乙醇的新工艺。在此基础上，经过乙醇的变性操作，得到变性燃料乙醇。
新鲜的菊芋收获以后清洗切片，晾干或者在40～50℃下烘干贮存。在此基础上，经发酵菌种的发酵，将菊芋内的糖分转化成“粗乙醇”，然后再经过疏水吸附制备成99.5％以上的无水乙醇。无水乙醇经过变性，得到变性燃料乙醇。
本发明中关于菊芋干粉的粒度选择说明如下：在料水比相同的条件下，干粉粒度越小，料液粘度越低，流动性越好，但是粒度越小，工艺成本越大，考虑工艺成本，80±10目为宜。
本发明中关于菊芋发酵液制备说明如下：料水比1∶4,80±2℃热水浸提1h，抽滤得上清液。
本发明中关于菌种的活化培养基及活化步骤说明如下：菌种活化培养基：葡萄糖20g／L，酵母浸粉5g／L，蛋白胨3g／L，KH2PO42g／L，(NH4)2SO42g／L，pH5.0。活化步骤：挑取斜面保藏菌种1～2环接种到活化培养基中，于30±1℃、200r/min摇床恒温培养12h。
本发明中关于菌种种子液的制备说明如下：分别取各菌种活化后的菌悬液，以10％的接种量接入装有150mL液体摇瓶培养基的250mL三角瓶中。于30℃下、
200r／min摇床恒温培养48h。培养完成后，血球计数板计数，菌体浓度为108个／mL。
本发明中关于酒精发酵说明如下：吸取一定量的种子液，以10％的接种量接入乙醇发酵培养基，30±1℃发酵120h。初始的pH值在4.8-5.2左右，菊芋汁的浓度在200g／L左右。此外，由于菊芋块茎中含有许多微量元素和营养物质，这些能被发酵菌种所利用，而不需要向培养基中添加营养物质，但也有的研究根据实际的需要添加了氮源、无机盐等。添加的无机氮源主要为NH4H2PO4,添加量为8g／L,有机氮源为牛肉膏，添加量为20g／L。机盐主要添加ZnCl2，添加量为0.1g／L。
本发明中关于乙醇提纯说明如下：采用疏水吸附操作，排除多级蒸馏，达到了节能的效果。
本发明中关于乙醇变性操作说明如下：乙醇经脱水处理后加入适量的变性剂，燃料乙醇与变性剂的体积混合比例在100∶2～100∶5之间，即变性剂在变性燃料乙醇中的体积百分含量为1.96％(V／V)～4.76％(V／V)。
本发明的目的在于发掘非粮资源，节约粮食与耕地，充分利用荒地、盐碱地，寻求生产乙醇的低成本原料。在原料优势的基础上，选择最优的生产乙醇的工艺，结合低能耗的乙醇提取方法，达到节约成本，增加产出的目的。同时变性乙醇作为一种绿色再生能源，可以缓解当前石油紧张的矛盾，同时还可有效降低汽车尾气中有害物质排放，为保护生态环境做贡献。
本发明很好地利用了菊芋原料节粮省地的特点，配合疏水吸附免蒸馏工艺，达到了获取高纯度燃料乙醇的目的，与其它工艺相比，显示了自己原料的优势性和技术的先进性，具有应用的实用性。

Claims (5)

1.菊芋粉粒度为80±10目。
2.菊芋发酵液制备条件为：料水比1∶4,80±2℃热水浸提1h。
3.马克斯克鲁维酵母菌种的活化条件为：30±1℃、200r／min摇床恒温培养12h。
4.酒精发酵采用一步法发酵，发酵条件为：发酵温度30+1℃，发酵时间发酵120h。初始的pH值在4.8-5.2左右，菊芋汁的浓度在200g／L左右。
5.乙醇提纯采用疏水吸附操作，排除多级蒸馏，达到了节能的效果。
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