一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，以木薯渣為原料，經(jīng)粉碎、擠壓、酸洗、分離、堿洗、酸洗、二次酶解、分開發(fā)酵、濃縮制得乙醇，本發(fā)明最大程度利用木薯渣中各有效成分，縮短了發(fā)酵時(shí)間，提高了乙醇得率。
【專利說明】一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用木薯渣發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]木薯是世界種植非常廣泛的薯類植物之一，主要種植地位于熱帶和亞熱帶地區(qū)。木薯現(xiàn)主要用于生產(chǎn)木薯淀粉，也可以直接加工成食品，還可以通過發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、山梨醇、檸檬酸等產(chǎn)品，無論是何種用途，都不可避免產(chǎn)生大量的固體廢棄物，一般統(tǒng)稱為木薯渣，木薯渣干基中含有豐富的纖維素、半纖維素、淀粉等，木薯加工方式不同，木薯渣中各組成成分有很大差異，專利CN200810223312.3報(bào)道利用木薯制備燃料乙醇剩余的木薯渣干基中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、粗蛋白、粗脂肪和淀粉的含量分別為25-30wt%、10-12wt%、30-32wt%、4-6wt%、2-4wt9^P 8-10 %。專利 CN200810111159.5 中報(bào)道的淀粉加工剩余的木薯渣干基中淀粉含量為35-45wt%。因此木薯渣的進(jìn)一步利用非常必要。 [0003]目前，木薯工業(yè)產(chǎn)生的木薯渣多是焚燒以及發(fā)酵制備沼氣的方式進(jìn)行處理，少部分木薯渣即可用作動(dòng)物飼料以及作為制作板材的原料。近年來，對(duì)木薯渣進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇方面的研究取得了一定的成果，基本原理是利用各種酶將木薯渣中的淀粉、纖維素和半纖維素水解成葡萄糖，葡萄糖再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇。專利CN200810223312.3和CN200810223313.8公開了利用木薯渣中的纖維素水解糖發(fā)酵制備乙醇的方法，包括將木薯渣的原料和酶混合，酶解含木薯渣原料中的纖維素，得到水解產(chǎn)物，并發(fā)酵該產(chǎn)物產(chǎn)乙醇，該發(fā)明采用批次補(bǔ)料糖化，分批次數(shù)至少兩次，每批加入的含木薯渣的原料的量最多為全部含木薯渣原料重量的60%，采用該工藝，木薯渣的纖維素水解率為85.4-92.5%。專利CN 201010220767將木薯渣中的淀粉、纖維素和半纖維素進(jìn)行預(yù)水解，然后調(diào)整至32°C~44°C，加入釀酒酵母，進(jìn)行同步水解轉(zhuǎn)化和發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。專利CN 201310436231以木薯渣為原料，經(jīng)液化、纖維素酶和淀粉糖化酶共同糖化發(fā)酵制備乙醇。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，存在的主要問題為酶解效率不高，體現(xiàn)在:(1)同時(shí)多種酶進(jìn)行酶解，因各種酶適宜的條件不同，木薯渣中的淀粉、纖維素和半纖維素，以及其他聚合糖類難以同時(shí)完全水解成葡萄糖，最終乙醇得率不高；(2)分次酶解，雖然各成分水解完全，乙醇得率提高，但是酶解時(shí)間延長(zhǎng)。因此，進(jìn)一步研究木薯渣生產(chǎn)乙醇，減少各種酶的使用量，縮短酶解時(shí)間，從而提高糖化率和乙醇得率，對(duì)于有效利用木薯渣是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種省時(shí)以及高乙醇得率的木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用以下技術(shù)方案。
[0007]一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，該方法包括如下具體步驟:
a.將木薯渣加水浸潤(rùn)，濕法粉碎；
b.將粉碎后的產(chǎn)物，進(jìn)擠出機(jī)擠壓；
c.取步驟b所得的擠壓物料，加入木薯渣2倍質(zhì)量的水，再加酸調(diào)至pH為2-6，加熱至80-95°C，攪拌浸泡2-4h，過濾得濾液和濾渣A，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液A ；
d.取步驟c所得的濾渣A，加入木薯渣2倍質(zhì)量的水，加堿調(diào)至pH為7-9，加熱至80-95 0C，攪拌浸泡2-6h后，加酸調(diào)節(jié)pH至4_7，保溫80-95 °C攪拌浸泡2_4h ；
e.向步驟d所得的物料中加入木聚糖酶和糖化酶，用功率為160-200W的超聲波超聲l-2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解1.5小時(shí)后，再次超聲波超聲l_2min，保溫酶解1.5小時(shí)后，酶解溫度為40-60°C ；
f.向步驟e所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纖維素酶，用功率為100-150W的超聲波超聲l_2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，再次超聲波超聲l_2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，酶解溫度為60-80°C。酶解完成后，過濾得濾液和濾渣B，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液B ；
g.向步驟c所得濾液A中接入畢赤樹酵母發(fā)酵后的含乙醇的發(fā)酵液A;
h.向步驟f所得濾液B中接入釀酒酵母發(fā)酵后的含乙醇的發(fā)酵液B；
1.取步驟g的發(fā)酵液A和步驟h的發(fā)酵液B過濾后混合，再經(jīng)精餾提純得到濃度為95%以上的乙醇。
[0008]步驟a木薯渣濕法粉碎后過20目篩，加入水的質(zhì)量為木薯渣質(zhì)量的20-45%。此處加入水量不宜過多，浸濕物料即可。
[0009]粉碎過篩后的木薯渣物料在擠出機(jī)中，在設(shè)定的參數(shù)下擠壓，在出口處瞬間減壓，從而膨脹得蓬松物料 ，一方面有利于木薯渣中淀粉、纖維素和木質(zhì)素的分離，提高淀粉和纖維素對(duì)酶的可及性，其次擠壓有利于打破纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高纖維素對(duì)酶的可及性。步驟b所述的擠出機(jī)為塑料加工工業(yè)常用的單螺桿擠出機(jī)，擠出溫度為100-120°C，螺桿轉(zhuǎn)速100-200轉(zhuǎn)/分鐘，步驟b所述的濾液A是經(jīng)納濾膜過濾后濃縮獲得，入膜壓力為2_4Mpa。
[0010]步驟c和步驟d加入的酸液為鹽酸、磷酸、硫酸、檸檬酸的一種或幾種的組合；步驟d加入的堿液為氫氧化鉀、氫氧化鈉和氫氧化鈣的一種或幾種的組合。其中，步驟c加酸液清洗所得濾液A為含戊糖和其它可溶性糖的混合溶液；濾渣A為淀粉、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。步驟d先用堿洗在用酸調(diào)節(jié)pH至酸性酶解，堿洗提高纖維素的水解效率。
[0011]步驟e木聚糖酶的加入量為1.5_2U/g干木薯渣，糖化酶的加入量為20_30U/g干木薯渣。本步驟同時(shí)加入2種酶，木聚糖酶促進(jìn)木薯渣中存在的半纖維素的水解，糖化酶促進(jìn)木薯洛中淀粉初步水解。
[0012]步驟f糖化酶的加入量為30_50U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量為15_20U/g干木薯渣，纖維素酶的加入量為3-6U/g干木薯渣。本步驟同時(shí)加入3種酶，協(xié)同促進(jìn)木薯渣中存在纖維素和淀粉的水解。
[0013]步驟e和步驟f使用超聲，能夠加速酶的分散以及促進(jìn)酶與底物的接觸，提高水解率。超聲功率設(shè)定在160-200W和100-150W，功率的大小與使用酶的種類經(jīng)過優(yōu)選確定。步驟f中的濾液B是經(jīng)納濾膜過濾后濃縮獲得，入膜壓力為2-4Mpa。
[0014]步驟g畢赤樹酵母接種濃度5_15g/L，在30_50°C、通氣比為0.2-0.8的好氧條件下發(fā)酵36_48h。
[0015]步驟h釀酒酵母接種濃度5-18g/L，在30-50°C、厭氧條件下發(fā)酵36_48h。
[0016]本發(fā)明提供的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于:(I)木薯渣經(jīng)擠壓后，能有效使淀粉、纖維素與木質(zhì)素分離，增加淀粉和纖維素與酶的可及性，水解更加充分，糖化率提高。
[0017](2)步驟C酸液洗滌的含戊糖等可溶性糖，并針對(duì)該種糖單獨(dú)發(fā)酵，提高木薯渣的綜合利用效率。
[0018](3)酶解分二次進(jìn)行，首次加入木聚糖酶和糖化酶，第二次為淀粉酶、糖化酶和纖維素酶，二次酶解的主要對(duì)象不同，首次對(duì)象為半纖維素，第二次對(duì)象為淀粉和纖維素，進(jìn)過本發(fā)明提出的二次酶解方案，提高水解效率，能夠充分利用木薯渣中的有效成分。
[0019](4)酶解過程中，使用超聲方式，一方面能夠增加酶與底物的接觸，另一方面提高酶在酸性條件下的活性，提高水解率，減少水解時(shí)間。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合數(shù)個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明以及創(chuàng)新之處。應(yīng)當(dāng)理解，所列出的實(shí)施例僅用于具體說明本發(fā)明而非對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員在充分理解之后可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這些仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0021]實(shí)施例1
將IOkg木薯渣加2.0kg水，粉碎后過20目篩，在100° C、螺桿轉(zhuǎn)速100轉(zhuǎn)/分鐘條件下經(jīng)螺桿造壓，在出口處瞬間減壓膨化得到多孔蓬松物料；將上述多孔蓬松物料中加入20kg水，攪拌條件下用濃硫酸調(diào)節(jié)pH2.0，加熱至80°C，攪拌浸泡2.0h，過濾得濾液和濾渣A，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液A ； 將濾液A在30° C、通氣比為0.2的好氧條件下經(jīng)5 g/L畢赤樹干酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液；
濾渣A中加入20kg水，攪拌條件下用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為7.0，加熱至80°C，攪拌浸泡
2.0h,加硫酸調(diào)節(jié)pH為4.0，保溫浸泡2h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量為木聚糖酶1.5U/g干木薯渣，糖化酶20U/g干木薯渣，再用功率為160W的超聲波超聲Imin后關(guān)閉超聲波，保溫酶解1.5小時(shí)后，再次超聲波超聲lmin，保溫酶解1.5小時(shí)后，酶解溫度為40°C;
向上述所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纖維素酶，糖化酶的加入量為30U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量為15U/g干木薯渣，纖維素酶的加入量為3U/g干木薯渣。用功率為IOOff的超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，再次超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，酶解溫度為60°C。酶解完成后，過濾得濾液和濾渣B，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液B ；
將濾液B在30° C、厭氧發(fā)酵條件下經(jīng)5 g/L釀酒酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液。
[0022]最后將濾液A和濾液B發(fā)酵得到的乙醇溶液精餾提濃后得到純度為95 %的乙醇。
[0023]實(shí)施例2
將IOkg木薯渣加2.5kg水，粉碎后過20目篩，在105° C、螺桿轉(zhuǎn)速145轉(zhuǎn)/分鐘條件下經(jīng)螺桿造壓，在出口處瞬間減壓膨化得到多孔蓬松物料；將上述多孔蓬松物料中加入20kg水，攪拌條件下用磷酸調(diào)節(jié)pH為5.2，加熱至92°C，攪拌浸泡3h，過濾得濾液和濾渣A，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液A ;
將濾液A在45° C、通氣比為0.6的好氧條件下經(jīng)8 g/L畢赤樹干酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液；濾渣A中加入20kg水，攪拌條件下用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為8.2，加熱至90°C，攪拌浸泡
3.5h，加磷酸調(diào)節(jié)pH為5.5，保溫浸泡3h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量為木聚糖酶1.8U/g干木薯渣，糖化酶26U/g干木薯渣，再用功率為180W的超聲波超聲Imin后關(guān)閉超聲波，保溫酶解1.5小時(shí)后，再次超聲波超聲lmin，保溫酶解1.5小時(shí)后，酶解溫度為50°C;
向上述所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纖維素酶，糖化酶的加入量為40U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量為18U/g干木薯渣，纖維素酶的加入量為4U/g干木薯渣。用功率為120W的超聲波超聲Imin后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，再次超聲波超聲Imin后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，酶解溫度為70°C。酶解完成后，過濾得濾液和濾渣B，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液B ；
將濾液B在45° C、厭氧發(fā)酵條件下經(jīng)12 g/L釀酒酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液。
[0024]最后將濾液A和濾液B發(fā)酵得到的乙醇溶液精餾提濃后得到純度為95 %的乙醇。
[0025]實(shí)施例3
將IOkg木薯渣加4.5kg水，粉碎后過20目篩，在120° C、螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分鐘條件下經(jīng)螺桿造壓，在出口處瞬間減壓膨化得到多孔蓬松物料；將上述多孔蓬松物料中加入20kg水，攪拌條 件下用磷酸調(diào)節(jié)pH為6.0，加熱至95°C，攪拌浸泡3h，過濾得濾液和濾渣A，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液A ；
將濾液A在50° C、通氣比為0.8的好氧條件下經(jīng)15 g/L畢赤樹干酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液；
濾洛A中加入20kg水,攪拌條件下用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為9.0,加熱至95°C,攪拌浸泡
6.0h,加憐酸調(diào)節(jié)pH為7.0,保溫浸泡4h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量為木聚糖酶2.0U/g干木薯渣，糖化酶30U/g干木薯渣，再用功率為200W的超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解1.5小時(shí)后，再次超聲波超聲2min，保溫酶解1.5小時(shí)后，酶解溫度為60°C;
向上述所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纖維素酶，糖化酶的加入量為50U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量為20U/g干木薯渣，纖維素酶的加入量為6U/g干木薯渣。用功率為150W的超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，再次超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，酶解溫度為80°C。酶解完成后，過濾得濾液和濾渣B，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液B;
將濾液B在50° C、厭氧發(fā)酵條件下經(jīng)18 g/L釀酒酵母發(fā)酵48h后得到乙醇溶液。
[0026]最后將濾液A和濾液B發(fā)酵得到的乙醇溶液精餾提濃后得到純度為95 %的乙醇。
[0027]對(duì)比實(shí)施例1
木薯渣濕法粉碎后，不經(jīng)擠出機(jī)處理，其余按實(shí)施例2的方法發(fā)酵制備乙醇。.對(duì)比實(shí)施例2
按實(shí)施例2的方法發(fā)酵制備乙醇，其中酶解時(shí)不使用超聲。.對(duì)比實(shí)施例3
按實(shí)施例2的方法發(fā)酵制備乙醇，酶解同時(shí)進(jìn)行，酶的加入量與實(shí)施例2 —致，酶解溫度為60°C，酶解時(shí)間7.5h。.對(duì)比實(shí)施例4
將IOkg木薯渣加4.5kg水，粉碎后過20目篩，在120° C、螺桿轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分鐘條件下經(jīng)螺桿造壓，在出口處瞬間減壓膨化得到多孔蓬松物料；將上述多孔蓬松物料中加入40kg水,攪拌條件下用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH為8.0,加熱至95°C,攪拌浸泡3.5h,加磷酸調(diào)節(jié)pH為5.5，保溫浸泡3h后，其余按實(shí)施例2的方法進(jìn)行。
[0028]實(shí)施例4
本領(lǐng)域中，乙醇理論產(chǎn)量為Ikg木薯渣淀粉在理想條件下完全轉(zhuǎn)化能夠得到得到567.9g乙醇，以此為基準(zhǔn)，乙醇得率=(實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量)X 100%。
[0029]乙醇含量測(cè)定:按GB/T 678-2002乙醇含量測(cè)定方法測(cè)定。
[0030]實(shí)施例1-3、對(duì)比實(shí)施例1-4乙醇得率結(jié)果見表1，結(jié)果表明，本發(fā)明方案乙醇得率較高，減少擠壓、不使用超聲、改變酶解方式、不進(jìn)行分開發(fā)酵，乙醇得率均有所下降。
[0031]表1實(shí)施例和對(duì)比實(shí)施例乙醇得率結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，該方法包括: a.將木薯渣加水浸潤(rùn)，濕法粉碎； b.將粉碎后的產(chǎn)物，進(jìn)擠出機(jī)擠壓； c.取步驟b所得的擠壓物料，加入木薯渣2倍質(zhì)量的水，再加酸調(diào)至pH為2-6，加熱至80-950C，攪拌浸泡2-4h，過濾得濾液和濾渣A，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液A ； d.取步驟c所得的濾渣A，加入木薯渣2倍質(zhì)量的水，加堿調(diào)至pH為7-9，加熱至80-95 0C，攪拌浸泡2-6h后，加酸調(diào)節(jié)pH至4_7，保溫80-95 °C攪拌浸泡2_4h ； e.向步驟d所得的物料中加入木聚糖酶和糖化酶，用功率為160-200W的超聲波超聲l-2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解1.5小時(shí)后，再次超聲波超聲l_2min，保溫酶解1.5小時(shí)后，酶解溫度為40-60°C ； f.向步驟e所得的物料中加入糖化酶、淀粉酶和纖維素酶，用功率為100-150W的超聲波超聲l_2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，再次超聲波超聲l_2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解2小時(shí)后，酶解溫度為60-80°C ； 酶解完成后，過濾得濾液和濾渣B，濾液減壓濃縮至原體積1/3得濾液B ； g.向步驟c所得濾液A中接入畢赤樹酵母發(fā)酵后的含乙醇的發(fā)酵液A； h.向步驟f所得濾液B中接入釀酒酵母發(fā)酵后的含乙醇的發(fā)酵液B； 1.取步驟g的發(fā)酵液A和步驟h的發(fā)酵液B過濾后混合，再經(jīng)精餾提純得到濃度為95%以上的乙醇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟a木薯渣濕法粉碎后過20目篩，加入水的質(zhì)量為木薯渣質(zhì)量的20-45%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟b所述的擠出機(jī)為塑料加工工業(yè)常用的單螺桿或雙螺桿擠出機(jī)，擠出溫度為100-120°C，螺桿轉(zhuǎn)速100-200轉(zhuǎn)/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟c和步驟d加入的酸液為鹽酸、磷酸、硫酸、檸檬酸的一種或幾種的組合；步驟d加入的堿液為氫氧化鉀、氫氧化鈉和氫氧化鈣的一種或幾種的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟e木聚糖酶的加入量為1.5-2U/g干木薯渣，糖化酶的加入量為20-30U/g干木薯渣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟f糖化酶的加入量為30-50U/g干木薯渣，淀粉酶的加入量為15-20U/g干木薯渣，纖維素酶的加入量為3-6U/g干木薯渣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟b所述的濾液A是經(jīng)納濾膜過濾后濃縮獲得，入膜壓力為2-4Mpa，；步驟f所述的濾液B是經(jīng)納濾膜過濾后濃縮獲得，入膜壓力為2-4Mpa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟g畢赤樹酵母接種濃度5-15g/L，在30-50°C、通氣比為0.2-0.8的好氧條件下發(fā)酵36_48h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯渣發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟h釀酒酵母接種濃度5-18g/L，在30-50°C、厭氧條件下發(fā)酵36_48h。
【文檔編號(hào)】C12R1/84GK103981223SQ201410233268
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】帥放文, 王向峰, 章家偉 申請(qǐng)人:湖南爾康制藥股份有限公司