CN110541003A - 以谷物为原料生产乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以谷物为原料生产乙醇的方法。该方法包括以下步骤：将谷物粉碎后，制成淀粉浆；将淀粉浆采用液化工艺进行液化得到液化醪，液化过程中添加的酶包括第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶及耐酸性液化酶；将液化醪进行发酵，得到乙醇。本方法实现了谷物原料高浓度乙醇的发酵，可以减少蒸汽以及水的消耗，增加设备利用率。

Description

以谷物为原料生产乙醇的方法

技术领域

本发明涉及生物乙醇生产技术领域，具体而言，涉及一种以谷物为原料生产乙醇的方法。

背景技术

自人类进入工业社会以来，资源环境问题日益突出，尤其是不可再生的化石能源的大量使用，产生了一系列的资源与环境问题，其中大量二氧化碳排放所导致的温室效应，已经成为不可回避的重大问题。能源与资源的可再生化与环境友好化是未来转型升级的方向。

在汽油中添加燃料乙醇可以有效的降低汽车尾气中的氮氧化物。乙醇具有较高的辛烷值，汽油中混配燃料乙醇后可以增加其辛烷值，燃料乙醇替代甲基叔丁基醚(MTBE)作为车用汽油的抗爆剂。

提高发酵醪液中的乙醇浓度，是燃料乙醇行业发展的方向。采用高底物浓度的发酵，可以减少能量以及水的消耗，同时也可以增加设备的利用率。但是高底物浓度下，物料的输送特别是在蒸煮以及液化前期，温度的升高造成的淀粉糊化现象，导致物料的粘度增加，流动性下降，从而对生产造成一定的影响。

CN103773811A发明一种玉米低温预处理方式生产燃料乙醇的新方法。此发明在低温下进行液化，虽然可以节约能量，但是却造成了液化酶用量过高，发酵过长的缺点，同时也没有解决粘度增加的问题。因此有必要提供一种能耗低、发酵时间短、同时能解决高底物浓度粘度增加问题的谷物原料生产乙醇的方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种以谷物为原料生产乙醇的方法，以解决现有技术中采用高底物浓度原料发酵时产生的能耗高、发酵时间长以及由于粘度增加所产生的淀粉糊化问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种以谷物原料生产乙醇的方法，包括以下步骤：a，将谷物粉碎后，制成淀粉浆；b，将淀粉浆采用液化工艺进行液化得到液化醪，液化过程中添加的酶包括第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶；c，将液化醪进行发酵，得到乙醇。

进一步地，在步骤b中，所采用的液化工艺为两段液化工艺。

进一步地，耐酸性液化酶包括第一耐酸性液化酶和第二耐酸性液化酶；两段液化工艺中，第一段液化工艺中添加的酶包括第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶及第一耐酸性液化酶，第二段液化工艺中添加的酶包括第二耐酸性液化酶。

进一步地，第一段液化工艺中，第一纤维素酶的用量为1.5u/g～3u/g谷物原料，甘露聚糖酶的用量为5u/g～10u/g谷物原料，果胶酶的用量为5u/g～10u/g谷物原料，第一耐酸性液化酶的用量为6u/g～10u/g谷物原料。

进一步地，第二段液化工艺中，第二耐酸性液化酶的用量为7.5u/g～12u/g谷物原料。

进一步地，第一段液化工艺中的液化温度为55℃～60℃；第二段液化工艺中的液化温度为85℃～95℃；优选地，第一段液化工艺中的液化时间为30min～60min；第二段液化工艺中的液化时间为60min～90min。

进一步地，步骤a中，将谷物原料粉碎至20目以下。

进一步地，步骤a中，淀粉浆的重量浓度为29％～32％。

进一步地，步骤b中，液化结束后，对液化醪进行降温，优选降温至30℃～35℃。

进一步地，在步骤c中，发酵过程中添加多次酵母；优选地，向液化醪中添加糖化酶、第二纤维素酶、酸性蛋白酶、第一酵母及第二酵母，以进行发酵过程。

进一步地，糖化酶的用量为150～200u/g谷物原料，第二纤维素酶的用量为1.2u/g～2.5u/g谷物原料，酸性蛋白酶的用量为3u/g～7u/g谷物原料，第一酵母的用量为谷物原料质量的0.02％～0.03％，第二酵母的用量为谷物原料质量的0.01％～0.02％。

进一步地，发酵过程中，向液化醪中加入所述第二纤维素酶、酸性蛋白酶、第一酵母后通入空气，通气量为0.02vvm～0.1vvm，通气时间为8h～12h。

进一步地，在加入第一酵母发酵至少24h后补加第二酵母。

进一步地，在步骤c中，发酵过程的发酵时间为45h～60h。

进一步地，乙醇的浓度为130g/L～145g/L。

应用本发明的技术方案，取消糖化工艺以及喷射工艺，并将液化工艺进行改变，添加纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶及耐酸性液化酶，在多种酶的作用下，将谷物中的淀粉快速的变成酵母可以发酵的可发酵性糖，从而实现谷物原料高浓度乙醇的发酵，可以减少蒸汽以及水的消耗，增加设备的利用率。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景部分所描述的，提高发酵醪液中的乙醇浓度，是燃料乙醇行业发展的方向，这就需要高浓度底物的发酵，不仅可以减少能量以及水的消耗，同时也可以增加设备的利用率。但高浓度底物在蒸煮过程中造成淀粉的糊化现象。为了解决这一问题，本发明提供了一种用谷物原料生产乙醇的方法，包括以下步骤：a，将谷物粉碎后，制成淀粉浆；b，将淀粉浆采用液化工艺进行液化得到液化醪，液化过程中添加的酶包括第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶及耐酸性液化酶；c，将液化醪进行发酵，得到乙醇。

本发明将液化工艺进行改变，在液化工艺过程中添加第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，在多种酶的作用下，将谷物中的淀粉快速的变成酵母可以发酵的可发酵性糖，从而实现谷物原料高浓度乙醇的发酵，可以减少蒸汽以及水的消耗，增加设备的利用率。

在一种优选的实施方式中，在步骤b中，所采用的液化工艺为两段液化工艺。本发明在淀粉浆液化过程中采用两段液化工艺，使淀粉液化的更佳充分，降低淀粉粘度，同时可减少淀粉糊化现象。

在一种优选的实施方式中，耐酸性液化酶包括第一耐酸性液化酶和第二耐酸性液化酶；两段液化工艺中，第一段液化工艺中添加的酶包括第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶及第一耐酸性液化酶，第二段液化工艺中添加的酶包括第二耐酸性液化酶。在第一段液化过程中添加多种酶，可将谷物中的不同物质水解成酵母可以发酵的发酵糖，同时还能降低淀粉浆的粘度，在第二段液化过程中再一次加入耐酸性液化酶，使淀粉水解的更加充分。

在一种优选的实施方式中，第一段液化工艺中，第一纤维素酶的用量为1.5u/g～3u/g谷物原料，甘露聚糖酶的用量为5u/g～10u/g谷物原料，果胶酶的用量为5u/g～10u/g谷物原料，第一耐酸性液化酶的用量为6u/g～10u/g谷物原料。将上述酶的用量控制在上述范围内，酶的利用率更高，同时降低成本。

在一种优选的实施方式中，第二段液化工艺中，第二耐酸性液化酶的用量为7.5u/g～12u/g谷物原料。第二段液化工艺中进一步添加耐酸性液化酶，进一步提高谷物淀粉的水解率。

在一种优选的实施方式中，第一段液化工艺中的液化温度为55℃～60℃；第二段液化工艺中的液化温度为85℃～95℃；优选地，第一段液化工艺中的液化时间为30min～60min；第二段液化工艺中的液化时间为60min～90min。在第一段液化过程中，采用低温进行液化，可减少淀粉的糊化现象，从而提高物料的流动性，在第二段液化过程中，升高液化温度，由于酶的活性随温度的变化而变化，使液化过程中的酶的活性达到最佳状态，液化效果更佳。将液化时间控制在上述范围内，在满足液化效果的同时，可有效利用资源，节约成本。

在一种优选的实施方式中，步骤a中，谷物原料粉碎至20目以下。将谷物原料粉碎至20目以下，可使谷物分散的更加均匀，液化效果更佳。

在一种优选的实施方式中，步骤a中，淀粉浆的重量浓度为29％～32％。浆淀粉浆的浓度控制在上述范围内，可大大提高原料的利用率，减少糊化现象，有效减少副产物的的含量。

在一种优选的实施方式中，步骤b中，液化结束后，对液化醪进行降温，降温至30℃～35℃。将液化醪降温至上述温度时，有利于下一步酵母菌的发酵过程。

在一种优选的实施方式中，步骤c中，发酵过程中添加多次酵母，酵母可为酿酒干酵母，发酵过程中添加多次酵母，使液化醪发酵的更加充分，同时提高乙醇的产率。

在一种优选的实施方式中，向液化醪中添加糖化酶、第二纤维素酶、酸性蛋白酶、第一酵母及第二酵母，以进行发酵过程。在发酵过程中再一次加入糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶等，能更进一步将液化过程中未水解的淀粉等物质变成酵母可以发酵的可发酵性糖。

在一种优选的实施方式中，糖化酶的用量为150～200u/g谷物原料，第二纤维素酶的用量为1.2u/g～2.5u/g谷物原料，酸性蛋白酶的用量为3u/g～7u/g谷物原料，第一酵母的用量为谷物原料质量的0.02％～0.03％，第二酵母的用量为谷物原料质量的0.01％～0.02％。将上述酶及酵母的用量控制在上述范围内，更有利用酶和酵母的作用，提高乙醇的产出率。

在一种优选的实施方式中，发酵过程中，向液化醪中加入所述第二纤维素酶、酸性蛋白酶、第一酵母后通入空气，通气量为0.02vvm～0.1vvm，通气时间为8h～12h。将通气量和通气时间控制在上述范围内，促进酵母的生长和繁殖，增加发酵时酵母的浓度，提高发酵效率。

在一种优选的实施方式中，在加入第一酵母发酵至少24h后补加第二酵母。在发酵过程中补加酵母，可进一步提高酵母的浓度，提高发酵效率。

在一种优选的实施方式中，在步骤c中，发酵时间为45h～60h。将发酵时间控制在上述范围内，发酵的效率更佳，乙醇的收率更高。

在一种优选的实施方式中，乙醇的浓度为130g/L～145g/L。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

酶的来源可以如下：第一纤维素酶和第二纤维素酶(宁夏夏盛实业集团有限公司CEL-01)、甘露聚糖酶(宁夏夏盛实业集团有限公司10000u/g)、果胶酶(山东隆大生物工程有限公司60000u/mL)、耐酸性液化酶(诺维信Termamyl SC)、糖化酶(杰能科OPTIMAX4060VHP)、酸性蛋白酶(山东隆大生物工程有限公司100000u/mL)。

实施例1

将谷物原料进行除杂，除杂后使用粉碎机将原料进行粉碎，粉碎至20目以下。粉碎后使用工艺水或是清液回用水进行调浆，淀粉浆的浓度控制在30％。将调制完成的淀粉浆输送至液化罐，加入纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，进行第一次液化，上述各种酶用量分别为：纤维素酶的用量为2.5u/g原料，甘露聚糖酶为7u/g原料，果胶酶为10u/g原料，耐酸性液化酶为6u/g原料，第一段液化时，温度为55℃，时间为40min。第一段液化结束后，在85℃下，进行第二段液化，液化时间为60min，第二段液化过程中只加入耐酸性液化酶，其添加量为9u/g原料。第二段液化结束后，将液化醪的温度降至30℃，加入糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶、酿酒干酵母，其中糖化酶的加入量为150u/g原料，纤维素酶2.5u/g原料，酸性蛋白酶3u/g原料，酿酒干酵母加入量为原料质量的0.02％。接入酵母后进行通气，通气量为0.02vvm，通气时间为8h。发酵24h后补加酿酒干酵母，补加量为原料质量的0.01％。发酵50h时后乙醇浓度可以达到131g/L。

实施例2

制备过程同实施例1，不同之处仅在于：第一段液化工艺中，纤维素酶的用量为3.0u/g原料，甘露聚糖酶为10u/g原料，果胶酶为10u/g原料，耐酸性液化酶为8.0u/g原料。发酵时间为50h后乙醇浓度可达到142g/L。

实施例3

制备过程同实施例1，不同之处仅在于：第二段液化工艺中，耐酸性液化酶的用量为12u/g原料。发酵时间为50h后乙醇浓度可达到135g/L。

实施例4

将谷物原料进行除杂，除杂后使用粉碎机将原料进行粉碎，粉碎至20目以下。粉碎后使用工艺水或是清液回用水进行调浆，淀粉浆的浓度控制在32％。将调制完成的淀粉浆输送至液化罐，加入纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，上述各种酶用量分别为：纤维素酶的用量为3u/g原料，甘露聚糖酶为10u/g原料，果胶酶为5u/g原料，耐酸性液化酶为10u/g原料。第一段液化时，温度为60℃，时间为60min。第一段液化结束后，在95℃下，进行第二段液化，液化时间为90min，第二段液化过程中只加入耐酸性液化酶，其添加量为10u/g原料。第二段液化结束后，将液化醪的温度降至33℃，加入糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶、酿酒干酵母，其中糖化酶的加入量为200u/g原料，纤维素酶1.2u/g原料，酸性蛋白酶5u/g原料，酿酒干酵母加入量为原料质量的0.025％。接入酵母后进行通气，通气量为0.05vvm，通气时间为10h。发酵24h后补加酿酒干酵母，补加量为原料质量的0.02％。发酵60h时后乙醇浓度可以达到145g/L。

实施例5

将谷物原料进行除杂，除杂后使用粉碎机将原料进行粉碎，粉碎至20目以下。粉碎后使用工艺水或是清液回用水进行调浆，淀粉浆的浓度控制在29％。将调制完成的淀粉浆输送至液化罐，加入纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，上述各种酶用量分别为：纤维素酶的用量为1.5u/g原料，甘露聚糖酶为5u/g原料，果胶酶为7.5u/g原料，耐酸性液化酶为7.5u/g原料。第一段液化时，温度为58℃，时间为30min。第一段液化结束后，在90℃下，进行第二段液化，液化时间为80min，第二段液化过程中只加入耐酸性液化酶，其添加量为7.5u/g原料。第二段液化结束后，将液化醪的温度降至35℃，加入糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶、酿酒干酵母，其中糖化酶的加入量为175u/g原料，纤维素酶2u/g原料，酸性蛋白酶7u/g原料，酿酒干酵母加入量为原料质量的0.03％。接入酵母后进行通气，通气量为0.01vvm，通气时间为12h。发酵24h后补加酿酒干酵母，补加量为原料质量的0.018％。发酵45h时后乙醇浓度可以达到138g/L。

实施例6

将谷物原料进行除杂，除杂后使用粉碎机将原料进行粉碎，粉碎至20目以下。粉碎后使用工艺水或是清液回用水进行调浆，淀粉浆的浓度控制在32％。将调制完成的淀粉浆输送至液化罐，加入纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，上述各种酶用量分别为：纤维素酶的用量为3u/g原料，甘露聚糖酶为10u/g原料，果胶酶为5u/g原料，耐酸性液化酶为8u/g原料。第一段液化时，温度为60℃，时间为60min。第一段液化结束后，在95℃下，进行第二段液化，液化时间为90min，第二段液化过程中只加入耐酸性液化酶，其添加量为12u/g原料。第二段液化结束后，将液化醪的温度降至33℃，加入糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶、酿酒干酵母，其中糖化酶的加入量为200u/g原料，纤维素酶1.2u/g原料，酸性蛋白酶5u/g原料，酿酒干酵母加入量为原料质量的0.025％。接入酵母后进行通气，通气量为0.05vvm，通气时间为10h。发酵24h后补加酿酒干酵母，补加量为原料质量的0.02％。发酵60h时后乙醇浓度可以达到145g/L。

对比例1

将谷物原料进行除杂，除杂后使用粉碎机将原料进行粉碎，粉碎至20目以下。粉碎后使用工艺水或是清液回用水进行调浆，淀粉浆的浓度控制在29％。将调制完成的淀粉浆输送至液化罐进行第一段液化，加入耐酸性液化酶，耐酸性液化酶为7.5u/g原料。第一段液化时，温度为58℃，时间为30min。第一段液化结束后，在90℃下，进行第二段液化，液化时间为80min，第二段液化过程中只加入耐酸性液化酶，其添加量为7.5u/g原料。第二段液化结束后，将液化醪的温度降至35℃，加入酿酒干酵母，酿酒干酵母加入量为原料质量的0.03％。接入酵母后进行通气，通气量为0.01vvm，通气时间为12h。发酵24h后补加酿酒干酵母，补加量为原料质量的0.018％。发酵45h时后乙醇浓度为105g/L。

对比例2

将谷物原料进行除杂，除杂后使用粉碎机将原料进行粉碎，粉碎至20目以下。粉碎后使用工艺水或是清液回用水进行调浆，淀粉浆的浓度控制在29％。将调制完成的淀粉浆输送至液化罐进行液化，加入纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，上述各种酶用量分别为：纤维素酶的用量为1.5u/g原料，甘露聚糖酶为5u/g原料，果胶酶为7.5u/g原料，耐酸性液化酶为7.5u/g原料，液化温度为58℃，时间为30min。将液化后所得的液化醪的温度降至35℃，加入糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶、酿酒干酵母，其中糖化酶的加入量为175u/g原料，纤维素酶2u/g原料，酸性蛋白酶7u/g原料，酿酒干酵母加入量为原料质量的0.03％。接入酵母后进行通气，通气量为0.01vvm，通气时间为12h。发酵24h后补加酿酒干酵母，补加量为原料质量的0.018％。发酵45h时后乙醇浓度可以达到119g/L。

从以上的描述中，可以看出，利用本发明实施例中谷物生产乙醇的方法，将液化工艺进行改变，添加纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶、耐酸性液化酶，在多酶的作用下，将谷物中的淀粉快速的变成酵母可以发酵的可发酵性糖，同时降低淀粉浆的粘度，减少糊化现象，从而提高发酵醪液中的乙醇浓度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种以谷物为原料生产乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，将所述谷物粉碎后，制成淀粉浆；

b，将所述淀粉浆采用液化工艺进行液化得到液化醪，且所述液化过程中添加的酶包括第一纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶酶及耐酸性液化酶；

c，将所述液化醪进行发酵，得到所述乙醇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b中，所述液化工艺为两段液化工艺。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述耐酸性液化酶包括第一耐酸性液化酶和第二耐酸性液化酶；所述两段液化工艺中，第一段液化工艺中添加的酶包括所述第一纤维素酶、所述甘露聚糖酶、所述果胶酶及所述第一耐酸性液化酶，第二段液化工艺中添加的酶包括所述第二耐酸性液化酶。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一段液化工艺中，所述第一纤维素酶的用量为1.5u/g～3u/g谷物原料，所述甘露聚糖酶的用量为5u/g～10u/g谷物原料，所述果胶酶的用量为5u/g～10u/g谷物原料，所述第一耐酸性液化酶的用量为6u/g～10u/g谷物原料。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二段液化工艺中，所述第二耐酸性液化酶的用量为7.5u/g～12u/g谷物原料。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一段液化工艺中的液化温度为55℃～60℃；所述第二段液化工艺中的液化温度为85℃～95℃；优选地，所述第一段液化工艺中的液化时间为30min～60min；所述第二段液化工艺中的液化时间为60min～90min。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，将所述谷物粉碎至20目以下。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤a中，所述淀粉浆的重量浓度为29％～32％。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤b中，液化结束后，对所述液化醪进行降温，优选降温至30℃～35℃。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述发酵过程中添加多次酵母；优选地，向所述液化醪中添加糖化酶、第二纤维素酶、酸性蛋白酶、第一酵母及第二酵母，以进行所述发酵过程。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述糖化酶的用量为150～200u/g谷物原料，所述第二纤维素酶的用量为1.2u/g～2.5u/g谷物原料，所述酸性蛋白酶的用量为3u/g～7u/g谷物原料，所述第一酵母的用量为谷物原料质量的0.02％～0.03％，所述第二酵母的用量为谷物原料质量的0.01％～0.02％。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述发酵过程中，向所述液化醪中加入所述第二纤维素酶、所述酸性蛋白酶、所述第一酵母后通入空气，通气量为0.02vvm～0.1vvm，通气时间为8h～12h。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在加入所述第一酵母发酵至少24h后补加所述第二酵母。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述发酵过程的发酵时间为45h～60h。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述乙醇的浓度为130g/L～145g/L。