CN110951790A - 降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法 - Google Patents

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王盛炜
许召贤
余建明
陈思同
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Abstract

本发明公开了一种降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法。所述方法以木薯为原料，在传统木薯制备乙醇方法的基础上，通过添加酶制剂降解木薯原料中的纤维素、半纤维素、果胶等导致黏度产生的成分，进而降低发酵体系黏度。发酵体系黏度的降低不仅改善了体系传质和传热效率，提高了乙醇产量，而且还减弱了副产物甘油的合成，提高了淀粉到葡萄糖的转化率，提高整个木薯制备乙醇工艺的经济性。

Description

降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法
技术领域
本发明属于生物工程技术领域，涉及一种降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法。
背景技术
生物燃料乙醇是目前最普遍的可再生能源之一，已被多国添加到汽油中混合使用。目前，大规模商业化生产的燃料乙醇主要以淀粉谷物和富含糖的作物为原料。在中国，燃料乙醇生产主要以玉米为原料。玉米是我国几种主要的粮食之一，大量使用玉米作为原料生产燃料乙醇会导致玉米价格上升，进而引发粮食安全等问题，因此发展以非粮食作物为原料生产燃料乙醇的工艺就显得尤为重要。
按照产量计算，木薯是世界上第九大农作物，近些年全球木薯年产量在3亿吨左右。作为一种非粮食作物，以木薯为原料生产生物燃料乙醇已经在世界上多个国家和地区进行推广，主要是南美、东南亚、非洲等一些热带区域，具有较广的发展前景。目前我国以木薯为原料生产乙醇的厂家约有30家，年产木薯酒精量约100万吨(国际石油经济，2019,27,7,68-74)。以木薯为原料生产乙醇主要是将木薯中的淀粉转化为乙醇，但是除淀粉外，木薯还含有纤维素、半纤维素、果胶等物质，这类物质在发酵液中会产生一定的黏度，导致整个发酵过程中的传质和传热不均匀和低效率(BioresourceTechnology,2016,215:50-62)。目前美国等乙醇生产技术高度发达的国家中，有厂家使用超细研磨技术降低木薯中纤维素、半纤维素、果胶、淀粉等成份的链长，进而在一定程度上起到降低发酵液黏度的效果(USpatent:20140315259A1)。但是超细研磨技术不仅需要引进额外的设备和工序，而且耗能高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法。该方法以木薯为原料，在传统木薯制备乙醇方法的基础上，通过添加酶制剂降解木薯原料中的纤维素、半纤维素、果胶等导致黏度产生的成分，进而降低发酵体系黏度。
实现本发明目的的技术方案如下：
降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法，包括以下步骤：
步骤1，将木薯粉与水混合，调制成木薯粉浆液；
步骤2，调节木薯粉浆液pH至5.0～6.0，加入淀粉液化酶，80～100℃下液化，获得木薯液化液；
步骤3，将木薯液化液冷却至40～60℃，调节pH至4.5～5.5，加入淀粉糖化酶和其它酶制剂，在50～60℃下进行预糖化，获得木薯预糖化液，所述的其它酶制剂选自纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、蛋白酶和果胶酶中的一种或几种；
步骤4，将木薯预糖化液冷却，调节pH至4.0～4.5，加入营养物质和乙醇生产菌株进行发酵，发酵24h～72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
优选的，步骤1中，所述的木薯粉与水的混合质量比为1:10～1:2，优选为1.5:～1:3.3。
优选的，步骤2中，所述的淀粉液化酶添加量为木薯干重的0.001％～0.04％。
优选的，步骤2中，所述的木薯液化时间为1～3h。
优选的，步骤3中，所述的淀粉糖化酶添加量为木薯干重的0.01％～0.1％。
优选的，步骤3中，所述的其他酶制剂中，纤维素酶添加量为木薯干重的0～0.6％，木聚糖酶添加量为木薯干重的0～0.6％，半纤维素酶添加量为木薯干重的0～0.6％，果胶酶添加量为木薯干重的0～0.6％，蛋白酶添加量为木薯干重的0～0.6％，且各酶制剂的含量不同时为0。
优选的，步骤3中，所述的预糖化时间为0.5～2h。
优选的，步骤4中，所述的木薯预糖化液冷却至20～35℃。
优选的，步骤4中，所述的营养物质为本领域常规使用的营养物质，可以是尿素、酵母粉或蛋白胨等，所述的乙醇发酵菌为本领域常规使用的发酵菌，可以是酵母菌、运动发酵单胞菌、曲霉或根霉等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在同步糖化发酵时添加额外的酶制剂，降解了木薯细胞壁中导致黏度产生的成分，降低了发酵体系的黏度，进而提高整个木薯乙醇工艺的传质和传热效率，例如在工艺中添加木薯干重0.6％的蔚蓝纤维素酶和木聚糖酶后，黏度的下降幅度达到53.14％。
(2)本发明方法在降低发酵体系黏度的同时削弱菌株副产物甘油的合成，降低甘油产量，提高乙醇的产量，例如添加2％蔚蓝纤维素酶后发酵72h，甘油产量下降幅度达到8.06％。
(3)本发明不需要额外引入其他设备和工序，不会增加工艺能耗。
附图说明
图1为实施例1和对比例发酵结束后各自发酵体系的黏度值图。
图2为实施例1和对比例发酵过程中乙醇、甘油的合成情况和乙醇/甘油比例情况图。
图3为实施例2和对比例发酵结束后各自发酵体系的黏度值图。
图4为实施例3和对比例发酵结束后各自发酵体系的黏度值图。
图5为实施例3和对比例发酵过程中乙醇、甘油的合成情况和乙醇/甘油比例情况图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)将木薯与水混合，其中木薯粉干重与水的质量比为1:3.3，得到木薯粉浆液；
(2)将上述木薯粉浆液调节pH至5.6～5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为1mg/g木薯，85℃条件下液化3h，获得木薯粉液化液；
(3)将上述木薯粉液化液冷却至50℃，调节pH至4.6～5.0，加入淀粉糖化酶和蔚蓝纤维素酶。其中糖化酶添加量为木薯干重的0.1％，纤维素酶添加量为木薯干重的0.6％，在48℃条件下进行预糖化，预糖化时间为1h，获得木薯预糖化液；
(4)将上述的木薯预糖化液冷却至30℃，调节pH至4.0～4.2，加入尿素，尿素的添加量为2mg/g浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
本实施例中，发酵72h后发酵液黏度如图1所示，为33.79mPa·S，乙醇浓度为133.71g/L，甘油浓度为10.14g/L。
实施例2
(1)将木薯与水混合，其中木薯粉干重与水的质量比为1:3.3，得到木薯粉浆液；
(2)将上述木薯粉浆液调节pH至5.6～5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为1mg/g木薯，85℃条件下液化3h，获得木薯粉液化液；
(3)将上述木薯粉液化液冷却至50℃，调节pH至4.6～5.0，加入淀粉糖化酶和蔚蓝纤维素酶，糖化酶添加量为木薯干重的0.1％，蔚蓝纤维素酶加量为木薯干重的0.2％、0.4％、0.6％、1％、1.5％或2％，在48℃条件下进行预糖化，预糖化时间为1h，获得木薯预糖化液；
(4)将上述的木薯预糖化液冷却至30℃，调节pH至4.0～4.2，加入尿素，尿素的添加量为2mg/g浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
本实施例中，发酵72h后发酵液黏度如图3所示，依次为45.25、41.33、38.79、34.32、33.94、33.71mPa·S，乙醇浓度依次为130.78、133.81、133.71、133.58、133.63、133.55g/L，甘油浓度为10.60、10.51、10.14、10.10、9.92、9.81g/L。
实施例3
(1)将木薯与水混合，其中木薯粉干重与水的质量比为1:3.3，得到木薯粉浆液；
(2)将上述木薯粉浆液调节pH至5.6～5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为1mg/g木薯，85℃条件下液化3h，获得木薯粉液化液；
(3)将上述木薯粉液化液冷却至50℃，调节pH至4.6～5.0，加入淀粉糖化酶、蔚蓝纤维素酶和木聚糖酶，糖化酶添加量为木薯干重的0.1％，蔚蓝纤维素酶加量为木薯干重的0.6％，木聚糖酶加量为木薯干重的0.6％。在48℃条件下进行预糖化，预糖化时间为1h，获得木薯预糖化液；
(4)将上述的木薯预糖化液冷却至30℃，调节pH至4.0～4.2，加入尿素，尿素的添加量为2mg/g浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
本实施例中，发酵72h后发酵液黏度如图4所示，为32.1mPa·S，乙醇浓度依次为132.89g/L，甘油浓度为9.87g/L。
对比例
(1)将木薯与水混合，其中木薯粉干重与水的质量比为1:3.3，得到木薯粉浆液；
(2)将上述木薯粉浆液调节pH至5.6～5.8，加入淀粉液化酶，淀粉液化酶加量为1mg/g木薯，85℃条件下液化3h，获得木薯粉液化液；
(3)将上述木薯粉液化液冷却至50℃，调节pH至4.6～5.0，加入淀粉糖化酶。其中淀粉糖化酶添加量为木薯干重的0.1％，在48℃条件下进行预糖化，预糖化时间为1h，获得木薯粉预糖化液；
(4)将上述的木薯粉预糖化液冷却至30℃，调节pH至4.0～4.2，加入尿素，尿素的添加量为2mg/g浆液，再加入干酿酒酵母，酿酒酵母的添加量为0.4g/L浆液。在30℃、150rpm条件下发酵72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
本对比例中，发酵72h后发酵液黏度如图1所示，为68.50mPa·S，乙醇浓度为133.03g/L，甘油浓度为10.67g/L。
图2为对比例和实施例1发酵过程中乙醇、甘油的合成情况和乙醇/甘油比例情况，图5为对比例和实施例3发酵过程中乙醇、甘油的合成情况和乙醇/甘油比例情况。从图中可以看出，发酵24h后，实施例甘油含量低于对比例，乙醇/甘油比高于对比例。实验结果表明，添加纤维素酶和木聚糖酶后，显著的降低了发酵体系黏度，改变了副产物甘油和产品乙醇之间的碳源流向。

Claims (10)

1.降低木薯乙醇工艺发酵体系黏度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将木薯粉与水混合，调制成木薯粉浆液；
步骤2，调节木薯粉浆液pH至5.0～6.0，加入淀粉液化酶，80～100℃下液化，获得木薯液化液；
步骤3，将木薯液化液冷却至40～60℃，调节pH至4.5～5.5，加入淀粉糖化酶和其它酶制剂，在50～60℃下进行预糖化，获得木薯预糖化液，所述的其它酶制剂选自纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、蛋白酶和果胶酶中的一种或几种；
步骤4，将木薯预糖化液冷却，调节pH至4.0～4.5，加入营养物质和乙醇生产菌株进行发酵，发酵24h～72h后，通过蒸馏工艺获得乙醇产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的木薯粉与水的混合质量比为1:10～1:2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的木薯粉与水的混合质量比为1.5:～1:3.3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的淀粉液化酶添加量为木薯干重的0.001％～0.04％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的木薯液化时间为1～3h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的淀粉糖化酶添加量为木薯干重的0.01％～0.1％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的其他酶制剂中，纤维素酶添加量为木薯干重的0～0.6％，木聚糖酶添加量为木薯干重的0～0.6％，半纤维素酶添加量为木薯干重的0～0.6％，果胶酶添加量为木薯干重的0～0.6％，蛋白酶添加量为木薯干重的0～0.6％，且各酶制剂的含量不同时为0。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的预糖化时间为0.5～2h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述的木薯预糖化液冷却至20～35℃。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中，所述的营养物质为尿素、酵母粉或蛋白胨，所述的乙醇发酵菌为酵母菌、运动发酵单胞菌、曲霉或根霉。
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