一種以菊芋為原料同步發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法
【專利說明】—種以菊芋為原料同步發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法
[0001]本發(fā)明提供一種菊芋發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法。菊芋屬于多年生菊科向日葵屬，是食用地下塊莖的薯芋類蔬菜。菊芋地下塊莖內(nèi)含豐富的菊粉(菊糖)，菊粉為天然果糖多聚物，是由多個(gè)果糖通過β-2，1-果糖苷鍵連接成的多聚果糖，呈直鏈結(jié)構(gòu)。菊芋是生產(chǎn)乙醇的良好糖源，其關(guān)鍵是菊粉(多聚果糖)在菊粉酶(Inulinase)作用下水解成為由果糖和少量葡萄糖組成的混合單糖，隨后果糖等單糖經(jīng)過酵母等微生物的發(fā)酵作用生成乙醇。
[0002]乙醇作為食品、化工原料，一直以來都是發(fā)酵行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。長(zhǎng)期以來，乙醇都由微生物發(fā)酵生產(chǎn)，原料多以農(nóng)作物如:玉米、小麥、甜高粱、木薯、紅薯等為主。近年來，隨著全球人口的增加和全球糧食危機(jī)的出現(xiàn)，在不與人爭(zhēng)口糧與土地的情況下，菊芋以其耐寒耐旱、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖力強(qiáng)、并且菊芋是中等耐堿植物，種植菊芋不占用耕地，可充分利用荒地、坡地、產(chǎn)量極高等特點(diǎn)，在乙醇發(fā)酵方面具有很高的利用價(jià)值。
[0003]菊芋的產(chǎn)量較高，在中等肥力的土壤上，每畝可收獲塊莖2000?4000千克，可采收莖葉2000千克。一次種植，多年收獲。菊芋塊莖的糖類產(chǎn)量很高，幾乎是玉米糖類含量的2倍，與甜菜類含糖幾乎一樣。菊芋塊莖的組成為:含水量約80%，剩下的20%干物質(zhì)中，糖類占85%，含氮物(非蛋白氮)占1.45%?1.55%，還有I %?5%的灰分，10% -13%是纖維素和半纖維素。塊莖中的糖類主要以菊粉的形式存在，糖類的總含量可以達(dá)85%-95%，這取決于塊莖的生長(zhǎng)和貯存期的處理。
[0004]菊芋作為一種極具開發(fā)潛力的非糧資源，與其他方法相比，以菊芋為原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇具有巨大的原料和生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，因此也受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。國(guó)外研究始于20世紀(jì)50年代，80年代做了大量工作，目前發(fā)酵菊芋生產(chǎn)乙醇的研究主要集中在發(fā)酵君主的篩選和適于工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵工藝的研究?jī)蓚€(gè)方面。
[0005]傳統(tǒng)的葡萄糖轉(zhuǎn)化成酒精的工藝很簡(jiǎn)單。由于菊粉的水解產(chǎn)物主要有葡萄糖、果糖、低聚糖等，這些單糖濃度過高會(huì)對(duì)菊粉酶的合成起反饋抑制作用，所以將單糖及時(shí)轉(zhuǎn)化為酒精成為菊芋高效率發(fā)酵酒精的關(guān)鍵步驟。目前，菊芋發(fā)酵
[0006]生產(chǎn)酒精工藝主要有分步水解發(fā)酵法和一步發(fā)酵法。菊芋中存在的菊粉先通過酸或酶水解轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖，再被酵母或細(xì)菌所發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，這個(gè)過程通常被稱為分步水解發(fā)酵法(Separate Hydrolysis and Fermentat1n SHF)或兩步法發(fā)酵。SHF 的工藝特點(diǎn)是菊粉水解和發(fā)酵分別在不同的反應(yīng)器中進(jìn)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種，它們既可水解菊粉也可發(fā)酵還原性糖，因此利用這些酵母可在一個(gè)容器中發(fā)酵菊芋生產(chǎn)酒精，而無需事先水解或糖化，這個(gè)過程叫一步法發(fā)酵，(Simultaneous Saccharificat1n and Fermentat1n SSF)。與先酸解或酶解菊粉，再發(fā)酵生成乙醇的兩步法工藝相比，同步糖化發(fā)酵工藝不僅省去了菊粉酶制備、菊粉酸解或酶解過程，降低了過程成本，而且同步糖化發(fā)酵可以有效防止菊粉水解后單糖的過度積累對(duì)菊粉酶產(chǎn)生的反饋抑制現(xiàn)象，同時(shí)由于系統(tǒng)中沒有糖的大量積累，雜菌污染得以有效控制。
[0007]本發(fā)明在前人研究的基礎(chǔ)上，選取菊芋生產(chǎn)乙醇的各個(gè)最優(yōu)條件，結(jié)合疏水吸附劑免蒸餾節(jié)能工藝制取菊芋燃料酒精的方法提純生產(chǎn)的乙醇，得到了菊芋生產(chǎn)高純度乙醇的新工藝。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過乙醇的變性操作，得到變性燃料乙醇。
[0008]新鮮的菊芋收獲以后清洗切片，晾干或者在40?50°C下烘干貯存。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)發(fā)酵菌種的發(fā)酵，將菊芋內(nèi)的糖分轉(zhuǎn)化成“粗乙醇”，然后再經(jīng)過疏水吸附制備成99.5%以上的無水乙醇。無水乙醇經(jīng)過變性，得到變性燃料乙醇。
[0009]本發(fā)明中關(guān)于菊芋干粉的粒度選擇說明如下:在料水比相同的條件下，干粉粒度越小，料液粘度越低，流動(dòng)性越好，但是粒度越小，工藝成本越大，考慮工藝成本，80 ± 10目為宜。
[0010]本發(fā)明中關(guān)于菊芋發(fā)酵液制備說明如下:料水比1: 4，80±2°C熱水浸提lh，抽濾得上清液。
[0011]本發(fā)明中關(guān)于菌種的活化培養(yǎng)基及活化步驟說明如下:菌種活化培養(yǎng)基:葡萄糖20g / L，酵母浸粉 5g / L，蛋白胨 3g / L，KH2P042g / L，(NH4)2S042g / L，pH5.0?；罨襟E:挑取斜面保藏菌種I?2環(huán)接種到活化培養(yǎng)基中，于30±l°C、200r/min搖床恒溫培養(yǎng)12h。
[0012]本發(fā)明中關(guān)于菌種種子液的制備說明如下:分別取各菌種活化后的菌懸液，以10%的接種量接入裝有150mL液體搖瓶培養(yǎng)基的250mL三角瓶中。于30°C下、
[0013]200r / min搖床恒溫培養(yǎng)48h。培養(yǎng)完成后，血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)，菌體濃度為18個(gè)/
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[0014]本發(fā)明中關(guān)于酒精發(fā)酵說明如下:吸取一定量的種子液，以10%的接種量接入乙醇發(fā)酵培養(yǎng)基，30±1°C發(fā)酵120h。初始的pH值在4.8-5.2左右，菊芋汁的濃度在200g /L左右。此外，由于菊芋塊莖中含有許多微量元素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些能被發(fā)酵菌種所利用，而不需要向培養(yǎng)基中添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但也有的研究根據(jù)實(shí)際的需要添加了氮源、無機(jī)鹽等。添加的無機(jī)氮源主要為NH4H2PO4,添加量為8g / L,有機(jī)氮源為牛肉膏，添加量為20g / L。機(jī)鹽主要添加ZnCl2，添加量為0.1g / L0
[0015]本發(fā)明中關(guān)于乙醇提純說明如下:采用疏水吸附操作，排除多級(jí)蒸餾，達(dá)到了節(jié)能的效果。
[0016]本發(fā)明中關(guān)于乙醇變性操作說明如下:乙醇經(jīng)脫水處理后加入適量的變性劑，燃料乙醇與變性劑的體積混合比例在100: 2?100: 5之間，即變性劑在變性燃料乙醇中的體積百分含量為1.96% (V / V)?4.76% (V / V)。
[0017]本發(fā)明的目的在于發(fā)掘非糧資源，節(jié)約糧食與耕地，充分利用荒地、鹽堿地，尋求生產(chǎn)乙醇的低成本原料。在原料優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)的生產(chǎn)乙醇的工藝，結(jié)合低能耗的乙醇提取方法，達(dá)到節(jié)約成本,增加產(chǎn)出的目的。同時(shí)變性乙醇作為一種綠色再生能源,可以緩解當(dāng)前石油緊張的矛盾，同時(shí)還可有效降低汽車尾氣中有害物質(zhì)排放，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境做貢獻(xiàn)。
[0018]本發(fā)明很好地利用了菊芋原料節(jié)糧省地的特點(diǎn)，配合疏水吸附免蒸餾工藝，達(dá)到了獲取高純度燃料乙醇的目的，與其它工藝相比，顯示了自己原料的優(yōu)勢(shì)性和技術(shù)的先進(jìn)性，具有應(yīng)用的實(shí)用性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.菊芋粉粒度為80±10目。
2.菊芋發(fā)酵液制備條件為:料水比1: 4，80±2°C熱水浸提Ih。
3.馬克斯克魯維酵母菌種的活化條件為:30±l°C、200r/ min搖床恒溫培養(yǎng)12h。
4.酒精發(fā)酵采用一步法發(fā)酵，發(fā)酵條件為:發(fā)酵溫度30+l°C，發(fā)酵時(shí)間發(fā)酵120h。初始的pH值在4.8-5.2左右，菊芋汁的濃度在200g / L左右。
5.乙醇提純采用疏水吸附操作，排除多級(jí)蒸餾，達(dá)到了節(jié)能的效果。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種以菊芋為原料，采用同步發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇的方法。其中采用的菌種為發(fā)酵能力強(qiáng)且具有菊粉酶活性的馬克斯克魯維(Kluyveromyces marxianus)酵母，主要的發(fā)酵技術(shù)為菊粉水解和還原糖發(fā)酵同步進(jìn)行的同步發(fā)酵技術(shù)，乙醇的提純采用疏水吸附劑免蒸餾節(jié)能工藝，最終的乙醇濃度能達(dá)到99.2％以上，之后經(jīng)過變性，得到變性燃料乙醇。
【IPC分類】C07C31-08, C07C29-76, C12R1-645, C12P7-06
【公開號(hào)】CN104711297
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310719416
【發(fā)明人】高鵬
【申請(qǐng)人】高鵬
【公開日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2013年12月17日