CN110564780B - 蔗渣-糖蜜-薯蓣渣混合原料发酵乙醇联产沼气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蔗渣‑糖蜜‑薯蓣渣混合原料发酵乙醇联产沼气的方法,包括如下步骤:S1.甘蔗渣预处理:将甘蔗渣粉碎,加入碱,水洗、干燥,得到预处理后甘蔗渣;S2.混合发酵:取预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜,先将菊叶薯蓣渣糖化,再将取预处理后甘蔗渣、糖化后的菊叶薯蓣渣和糖蜜混匀,加入酵母活化液和纤维素酶,进行同步糖化发酵产乙醇;所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量以固液比为12%~44%称取;S3.厌氧发酵:同步糖化发酵后,移除乙醇,接入厌氧污泥,进行沼气发酵。本发明提供的以甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和废糖蜜为原料联产乙醇和沼气的方法,提高了乙醇的产率、有效利用废液产生沼气,糖蜜和糖化后的菊叶薯蓣渣减小了废液的粘度,菊叶薯蓣渣代替了糖蜜和甘蔗渣生产不平衡问题,多原料混合使发酵后的废液更加适于厌氧发酵产沼气。不仅解决了乙醇发酵产率不高和废液难处理的问题,而且实现了废弃物资源利用化。
Description
技术领域
本发明涉及生物质能源领域,更具体地,涉及一种利用蔗渣、糖蜜和薯蓣渣作为混合原料联合产乙醇和沼气的方法。
背景技术
生物乙醇作为汽油的一种添加剂或替代品,是一种非常可观的再生能源。沼气是一种理想的清洁生物燃料,用沼气代替传统化石燃料有效避免环境污染问题。生物乙醇和沼气可以用作汽车燃料、电力或热能,以取代化石燃料。目前常用于生产生物乙醇的方法主要是以木质纤维素生物质为原料,通过与玉米粉或小麦粉等淀粉类物质混合发酵,来提高乙醇的浓度和产率。在这个过程中,会用到人类赖以生存的粮食类物质。
甘蔗渣和废糖蜜都属于制糖工业的副产品。甘蔗渣是甘蔗经破碎压榨提取蔗汁后的甘蔗茎的纤维性残渣,属于农业固体废弃物,甘蔗渣中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素等。糖蜜含有大量可发酵糖,是很好的发酵原料。
单独使用甘蔗渣等木质纤维素发酵时,随着底物浓度的增加,会出现质量转移的限制,造成搅拌上的困难,使得乙醇产率不高,且发酵后的废液粘度较大,无法利用后续的废液发酵产沼气,实现废弃物资源利用化。另外,高负荷发酵提升乙醇浓度的同时也带来了一些技术挑战,如搅拌和混合困难、传质受限、发酵时间延长等。
因此,需要寻求一种提高乙醇产率,有效利用发酵后废液产生沼气且在发酵原料的高负荷状态下依然可以高效产乙醇的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有单独使用甘蔗渣发酵产乙醇时乙醇产率不高、废液难处理其高负荷状态下难以高效产乙醇的缺陷,提供一种以蔗渣、糖蜜和薯蓣渣作为混合原料联合产乙醇和沼气的方法,该方法提高了乙醇的产率,有效利用废液产生沼气,并且实现了废弃物资源利用化。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种蔗渣-糖蜜-薯蓣渣混合原料发酵乙醇联产沼气的方法,包括如下步骤:
S1.甘蔗渣预处理:将甘蔗渣粉碎,加入碱溶液,水洗、干燥,得到预处理后甘蔗渣;
S2.混合发酵:取预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜,先将菊叶薯蓣渣糖化,再将预处理后甘蔗渣、糖化后的菊叶薯蓣渣和糖蜜混匀,加入酵母活化液和纤维素酶,进行同步糖化发酵产乙醇;所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量以固液比为12%~44%称取;
S3.厌氧发酵:同步糖化发酵后,移除乙醇,接入厌氧污泥,进行沼气发酵。
本发明提出了将甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜混合利用,联产生物燃料乙醇和沼气的方法。甘蔗渣酶解液中,除了糖分及少量的无机盐,成分较为单一;而糖蜜中含有丰富的氮、磷及维生素等营养成分,能为酵母发酵提供足够的营养源,且糖蜜以及糖化后的菊叶薯蓣渣改善了体系的流动性,提高了乙醇的产率,减小了废液的粘度,同时菊叶薯蓣渣代替了糖蜜和甘蔗渣生产不平衡问题,多原料混合使发酵后的废液更加适于厌氧发酵产沼气。将混合发酵废液中的乙醇回收后,发酵浓糟继续进行厌氧发酵产沼气,不仅解决了废液难处理的问题,而且实现了废弃物资源利用化。此外,糖蜜发酵不需要预处理和预糖化,减少了混合发酵产乙醇的工艺流程,降低了生产成本。
优选地,步骤S2中所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量以固液比为12%~36%称取;例如12%~24%,24%~36%。
更优选地,步骤S2中所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为12%称取。
优选地,步骤S2中所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量比为(1~5):(0.5~0.9):(0.1~0.5);例如:(1~5):0.5:0.5、1:0.5:05。
优选地,步骤S2为将预处理后甘蔗渣、糖化后的菊叶薯蓣渣和糖蜜采用分批补料方式进行混合发酵。利用分批补料可以很好的解决高负荷发酵产乙醇时搅拌和混合困难、传质受限、发酵时间延长等问题;通过提高发酵体系的流动性,提高乙醇的浓度和产率。
优选地,所述分批补料方式为在反应初始将1/3预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和1/2水加入发酵容器中;在反应12h时,将1/3预处理后甘蔗渣加入到发酵容器中;在反应24h时,将1/3预处理后甘蔗渣、糖蜜及和1/2水加入到发酵容器中。
更优选地,在反应初始补料时,同时加入占预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜总质量10%的tween 80。在高负荷下进行分批补料,由于物料在不同时间段分批次加入,使得体系的流动性增加,且加入tween 80后增加了纤维素酶与物料的接触,乙醇的浓度和产率都相应增加。
优选地,当采用分批补料时,步骤S2中所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量以固液比为36%~44%称取。
优选地,步骤S2中述糖蜜为制糖工业的废糖蜜。
优选地,步骤S2中所述酵母活化液为酿酒酵母活化液。
优选地,步骤S2中所述酿酒酵母活化液的酵母浓度为2.5~5g/L。
更优选地,步骤S2中所述酿酒酵母活化液的酵母浓度为3.3g/L。
优选地,步骤S2中所述纤维素酶为10~30FPU/g预处理后甘蔗渣。
更优选地,步骤S2中所述纤维素酶为15FPU/g预处理后甘蔗渣。
优选地,步骤S2中所述同步糖化发酵的温度为30~38℃,转速为100~200rpm,时间为48~144h。
更优选地,步骤S2中所述同步糖化发酵的温度为34℃,转速为120rpm,时间为120h。
优选地,步骤S3中所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为12%~44%称取。
更优选地,步骤S3中所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量比1:0.5:0.5称取。
优选地,步骤S4中所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为36%~44%称取。
更优选地,步骤S3中所述预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量比1:0.5:0.5称取。
优选地,步骤S5中所述厌氧发酵是在高负荷同步糖化发酵后进行。
优选地,步骤S5中所述厌氧污泥是按照接种物与底物中挥发性固体的比值为(1~2)∶1接入。
更优选地,步骤S5中所述厌氧污泥是按照接种物与底物中挥发性固体的比值为1∶1接入。
优选地,步骤S1中所述水洗为水洗至中性。
优选地,步骤S1中所述干燥为干燥至恒重。
优选地,步骤S2中所述糖蜜为废糖蜜。
优选地,步骤S1中所述碱溶液为NaOH溶液。
优选地,步骤S1中所述NaOH溶液的浓度为2%。
优选地,步骤S1中所述NaOH溶液是按照固液比1∶20添加。
优选地,步骤S1中所述NaOH溶液加入后,置于80℃中2h。
优选地,步骤S1中所述粉粹是将甘蔗渣粉粹至40~60目。
上述联产乙醇和沼气的方法的具体步骤如下:
(1)蔗渣原料预处理:称取绝干的甘蔗渣原料,按照固液比1∶20添加2%的NaOH溶液,80℃下处理2h,然后用水洗涤至中性,得到预处理后甘蔗渣;
(2)混合发酵:按照固液比12%~44%(W/V),以(1~5):(0.5~0.9):(0.1~0.5)的比例称取预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣、和废糖蜜;将菊叶薯蓣渣放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min,在超净工作台上,按250g/L接入去离子水,NaOH调pH至5.5,在85℃水浴锅中预糊化30min,加入液化酶(150U/g),在85℃水浴锅中液化2h;H2SO4调pH至4.5,加入糖化酶(20U/g),在60℃水浴锅中糖化2h;再将预处理后甘蔗渣、糖化后的菊叶薯蓣渣和糖蜜混匀,加入起始酵母细胞浓度为3.3g/L的酵母活化液以及按照每克预处理后甘蔗渣的量加入15FPU的纤维素酶,控制反应体系的温度为34℃、转速为120rpm,分别以批式、分批、分批+tween 80方式进行同步糖化发酵;
(3)厌氧发酵产沼气:同步糖化发酵结束后,将乙醇移除,按照接种物与底物中挥发性固体的比值为1∶1接入厌氧污泥,进行沼气发酵。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的以甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜为原料联产乙醇和沼气的方法,,提高了乙醇的产率、有效利用废液产生沼气。糖蜜和糖化后的菊叶薯蓣渣减小了废液的粘度,使混合发酵后的废液能够进行厌氧发酵产沼气,同时菊叶薯蓣渣代替了糖蜜和甘蔗渣生产不平衡问题,多原料混合使发酵后的废液更加适于厌氧发酵产沼气,可以高效产沼气且有效去除VS和COD。另外,本发明利用分批补料解决高负荷发酵产乙醇时搅拌和混合困难、传质受限、发酵时间延长等问题;通过提高发酵体系的流动性,提高乙醇的浓度和产率。本发明不仅解决了乙醇发酵产率不高和废液难处理的问题,而且实现了废弃物资源利用化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述,但本发明的实施方式不限于此。实施例中的原料均可通过市售得到;除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
甘蔗渣预处理:称取绝干的甘蔗渣原料,按照固液比1∶20添加2%的NaOH溶液,80℃下处理2h,然后用水洗涤至中性,得到预处理后甘蔗渣。
所用糖蜜为废糖蜜,所用纤维素酶购自上海源叶生物科技有限公司,所用酿酒酵母购自安琪酵母股份有限公司,反应液中乙醇含量用高效液相色谱法分析,甲烷含量用AMPTS-II-全自动甲烷潜力测试系统分析。
菊叶薯蓣渣糖化:称取定量的菊叶薯蓣渣,放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min,在超净工作台上,按250g/L接入去离子水,NaOH调pH至5.5,在85℃水浴锅中预糊化30min,加入液化酶(150U/g),在85℃水浴锅中液化2h;H2SO4调pH至4.5,加入糖化酶(20U/g),在60℃水浴锅中糖化2h。
酵母活化液制备:称取2g葡萄糖溶于100mL去离子水中,接入6.6g酵母粉,在摇床上160rpm进行活化:①36℃,10min;②34℃,1h。
乙醇产率的计算方法如下:
实施例1
以固液比为12%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量比不同(1:0.5:0.5、2:0.5:0.5、3:0.5:0.5、4:0.5:0.5、5:0.5:0.5)的发酵体系。具体地,先分别称取分别称取3g菊叶薯蓣渣;2g菊叶薯蓣渣;1.5g菊叶薯蓣渣;1.2g菊叶薯蓣渣;1g菊叶薯蓣渣;将上述原料分别放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理,再分别称取6g预处理后甘蔗渣、3g糖蜜和47.98mL去离子水;8g预处理后甘蔗渣、2g糖蜜和53.08mL去离子水;9g预处理后甘蔗渣、1.5g糖蜜和55.64mL去离子水;9.6g预处理后甘蔗渣、1.2g糖蜜和57.17mL去离子水;10g预处理后甘蔗渣、1g糖蜜和58.19mL去离子水;将上述发酵体系的原料分别放置在250mL锥形瓶中(所称原料均以绝干质量计算),用H2SO4调pH至4.5,放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min,然后在超净工作台上加入5mL的酵母活化液和计算好的纤维素酶(15FPU/g蔗渣)在34℃,120rpm摇床上反应,发酵120h后,用高效液相测定反应液中乙醇含量。
固液比为甘蔗渣和/或糖蜜的质量与总液体的体积之比。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的质量比以1:0.5:0.5、1:0.6:0.4、1:0.7:0.3、1:0.8:0.2、1:0.9:0.1称取的发酵体系。具体地,先分别称取3g菊叶薯蓣渣;2g菊叶薯蓣渣;1.5g菊叶薯蓣渣;1.2g菊叶薯蓣渣;1g菊叶薯蓣渣;将上述原料分别放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理,再分别称取6g预处理后甘蔗渣、0.6g糖蜜和67.16mL去离子水;6g预处理后甘蔗渣、1.2g糖蜜和69.86mL去离子水;6g预处理后甘蔗渣、1.8g糖蜜和72.56mL去离子水;6g预处理后甘蔗渣、2.4g糖蜜和75.27mL去离子水;6g预处理后甘蔗渣、3g糖蜜和77.97mL去离子水;其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为16%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取4g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取8g预处理后甘蔗渣、4g糖蜜和71.62mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为20%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取5g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取10g预处理后甘蔗渣、5g糖蜜和66.26mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为24%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取6g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取12g预处理后甘蔗渣、6g糖蜜和60.57mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为28%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取7g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取14g预处理后甘蔗渣、7g糖蜜和54.77mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为32%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取8g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取16g预处理后甘蔗渣、8g糖蜜和49.03mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为36%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取9g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取18g预处理后甘蔗渣、9g糖蜜和33.943mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为40%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取10g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取20g预处理后甘蔗渣、10g糖蜜和28.27mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例10
本实施例与实施例1的区别在于,本实施例是以固液比为44%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系。具体地,先称取11g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取22g预处理后甘蔗渣、11g糖蜜和22.6mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例11
按照实施例10,将预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的比例为1:0.5:0.5时,固液比为44%的预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜发酵120h后,将富含乙醇的发酵醪液置于旋转蒸发仪中,60℃减压蒸馏30min,将乙醇单独收集,剩余的发酵浓糟与厌氧污泥以挥发性固体(VS)比值1:1进行沼气发酵。在500mL发酵瓶中,称取污泥384.664g(VS:3.84g)和发酵浓糟15.86g(VS:3.84g),总的反应体积为400mL,37℃下进行厌氧发酵,当总反应过程中无气体生成时停止反应,用AMPTS-II-全自动甲烷潜力测试系统测定甲烷含量,用标准方法测定反应液中COD含量和VS值。
实施例12
本实施例与实施例1的区别在于,是以固液比为36%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系,且原料是分批加入到发酵瓶中。具体地,先称取9g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中进按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取6g预处理后甘蔗渣和26.84mL去离子水(反应0h加入),6g预处理后甘蔗渣(反应12h加入),6g甘蔗渣、9g糖蜜和20mL去离子水(反应24h加入);
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例13
本实施例与实施例1的区别在于,是以固液比为36%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系,原料是分批加入到发酵瓶中,且添加tween 80(100mg/g)来进一步提高发酵率。具体地,先称取9g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取6g预处理后甘蔗渣、3.6gtween 80和26.84mL去离子水(反应0h加入),6g预处理后甘蔗渣(反应12h加入),6g预处理后甘蔗渣、9g糖蜜和20mL去离子水(反应24h加入);
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例14
本实施例与实施例1的区别在于,是以固液比为40%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系,且原料是分批加入到发酵瓶中。具体地,先称取10g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取6g预处理后甘蔗渣和22.04mL去离子水(反应0h加入),8g预处理后甘蔗渣(反应12h加入),6g预处理后甘蔗渣、10g糖蜜和20mL去离子水(反应24h加入);
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例15
本实施例与实施例1的区别在于,是以固液比为40%(w/v),制备预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系,原料是分批加入到发酵瓶中,且添加tween 80(100mg/g)来进一步提高发酵率。具体地,先称取10g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取6g预处理后甘蔗渣、4.0gtween80和22.04mL去离子水(反应0h加入),8g预处理后甘蔗渣(反应12h加入),6g预处理后甘蔗渣、10g糖蜜和20mL去离子水(反应24h加入);
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例16
本实施例与实施例1的区别在于,以固液比为44%(w/v),制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系,且原料是分批加入到发酵瓶中。具体地,先称取10g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取6g预处理后甘蔗渣和17.25mL去离子水(反应0h加入),8g预处理后甘蔗渣(反应12h加入),6g预处理后甘蔗渣、10g糖蜜和20mL去离子水(反应24h加入);
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例17
本实施例与实施例1的区别在于,是以固液比为44%(w/v),制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比为1:0.5:05的发酵体系,原料是分批加入到发酵瓶中,且添加tween 80(100mg/g)来进一步提高发酵率。具体地,先称取10g菊叶薯蓣渣放置在150mL锥形瓶中按照250g/L的比例加入去离子水进行糖化处理;再分别称取6g预处理后甘蔗渣、4.4g tween80和17.25mL去离子水(反应0h加入),8g预处理后甘蔗渣(反应12h加入),6g预处理后甘蔗渣、10g糖蜜和20mL去离子水(反应24h加入);
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例18
按照实施例17分批+tween 80发酵方式,将预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的比例为1:0.5:0.5时,固液比为44%的预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜发酵120h后,将富含乙醇的发酵醪液置于旋转蒸发仪中,60℃减压蒸馏30min,将乙醇单独收集,剩余的发酵浓糟与厌氧污泥以挥发性固体(VS)比值1:1进行沼气发酵。在500mL发酵瓶中,称取污泥384.664g(VS:3.84g)和发酵浓糟15.86g(VS:3.84g),总的反应体积为400mL,37℃下进行厌氧发酵,当总反应过程中无气体生成时停止反应,用AMPTS-II-全自动甲烷潜力测试系统测定甲烷含量,用标准方法测定反应液中COD含量和VS值。
对比例1
对比例1与实施例10的区别在于,是以固液比为44%(w/v),称取44g预处理后甘蔗渣和93.30mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例10和实施例11相同,即以单独甘蔗渣先进行混合发酵产乙醇后,再利用剩余的发酵浓糟与厌氧污泥以挥发性固体(VS)比值1:1进行沼气发酵。
对比例2
对比例1与实施例10的区别在于,是以固液比为44%(w/v),制备预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量比为1:1的发酵体系。具体地,称取22g预处理后甘蔗渣、22g糖蜜和93.30mL去离子水;
其他原料用量及操作步骤与实施例10和实施例11相同,即以甘蔗渣和糖蜜二元混合发酵产乙醇后,再利用剩余的发酵浓糟与厌氧污泥以挥发性固体(VS)比值1:1进行沼气发酵。
表1为实施例1~2中甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜质量比与发酵条件的设置及乙醇的浓度和产率。
表1实施例1~2中甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜质量比与发酵条件的设置和结果
表2为实施例1~10、12~17和对比例1~2中固液比与发酵条件的设置及乙醇的浓度和产率。
表2实施例1~10、12~17和对比例1~2的固液比与发酵条件的设置和结果
实施例1~10为固液比12%~44%的甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的批式混合发酵,实施例12~17为固液比36%~44%的甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜的分批补料混合发酵。由表2可知,在固液比为12%~24%时,随着固体负荷的增加,乙醇浓度和产率都相应的增加;但在固液比为28%~32%时,虽则负荷的增加,虽然乙醇的浓度增加但是产率却下降。负荷的降低了发酵体系中的流动性,使得发酵乙醇的产率降低。
在高负荷下(固液比36%~44%)进行分批补料,由于物料在不同时间段分批次加入,使得体系的流动性增加,而且加入表面活性剂tween 80后增加了纤维素酶与物料的接触,乙醇的浓度和产率都相应增加。
实施例11为固液比44%发酵后,将废液中的乙醇旋转蒸发回收,醪液中继续进行沼气发酵,最终得到甲烷310.65mL/g VS,VS和COD去除率分别为90.46%和79.89%。高的COD和VS去除率表明了在乙醇发酵醪液中进行沼气发酵的可行性。将混合发酵后的废液进行厌氧发酵产沼气,不仅解决了废液难处理的问题,而且实现了废弃物资源利用化。
实施例18为固液比44%的分批+tween 80混合发酵后,将废液中的乙醇旋转蒸发回收,醪液中继续进行沼气发酵,最终得到甲烷320.72mL/g VS,VS和COD去除率分别为94.30%和82.14%。
对比例1得到的甲烷254.12mL/g VS,VS和COD去除率分别为62.19%和59.99%。
对比例2得到的甲烷314.22mL/g VS,VS和COD去除率分别为91.65%和81.26%。这是因为,由于对比例1为单独使用甘蔗渣作为发酵原料,其发酵后的废液中不能发酵的木质素含量较高且营养含量远不及糖蜜和菊叶薯蓣渣,因此导致其无法有效进行厌氧发酵产沼气。而使用糖蜜部分替代甘蔗渣后,发酵体系的流动性提高,减小了后续废液的粘度,使得发酵后的废液能够进行厌氧发酵产沼气。而根据上述实施例和对比例产沼气的结果可以看出,添加菊叶薯蓣渣代替了糖蜜和甘蔗渣生产不平衡问题,多原料混合使发酵后的废液更加适于厌氧发酵产沼气。
由此可知,本发明提供的联产乙醇和沼气的方法,提高了乙醇的产率、有效利用废液产生沼气。解决了乙醇发酵产率不高和废液难处理的问题,实现了废弃物资源利用化。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种蔗渣-糖蜜-薯蓣渣混合原料发酵乙醇联产沼气的方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1.甘蔗渣预处理:称取绝干的甘蔗渣原料,按照固液比1∶20添加2%的NaOH溶液,80℃下处理2h,然后用水洗涤至中性,得到预处理后甘蔗渣;
S2.混合发酵:按照固液比为44%,以1:0.5:0.5的质量比例称取预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜;将菊叶薯蓣渣放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min,在超净工作台上,按250g/L接入去离子水,NaOH调pH至5.5,在85℃水浴锅中预糊化30min,加入150U/g液化酶,在85℃水浴锅中液化2h;H2SO4调pH至4.5,加入20U/g糖化酶,在60℃水浴锅中糖化2h;再将预处理后甘蔗渣、糖化后的菊叶薯蓣渣和糖蜜采用分批补料方式:在反应初始将1/3预处理后甘蔗渣、糖化后的菊叶薯蓣渣、1/2水、起始酵母细胞浓度为3.3g/L的酵母活化液以及15FPU/g预处理后甘蔗渣的纤维素酶加入发酵容器中,同时加入占预处理后甘蔗渣、菊叶薯蓣渣和糖蜜总质量10%的tween 80;在反应12h时,将1/3预处理后甘蔗渣加入到发酵容器中;在反应24h时,将1/3预处理后甘蔗渣、糖蜜及1/2水加入到发酵容器中进行混合发酵;反应温度为34 ℃,转速为120 rpm,时间为120 h;
S3.厌氧发酵:混合发酵后,移除乙醇,按照接种物与底物中挥发性固体的比值为1∶1接入厌氧污泥,进行沼气发酵。
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