CN102154380A

CN102154380A - 一种利用甜高粱茎秆制备乙醇的方法

Info

Publication number: CN102154380A
Application number: CN2010106092333A
Authority: CN
Inventors: 李荣杰; 翟景先; 崔刚
Original assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Current assignee: Anhui BBCA Fermentation Technology Engineering Research Co Ltd
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: CN102154380B

Abstract

本发明涉及一种利用甜高粱茎秆制取乙醇的方法，包括如下步骤：对甜高粱茎秆进行压榨分离，然后对甜高粱渣进行稀酸-超声波预处理，再用纤维素酶进行水解得到可发酵糖，然后将甜高粱汁液和甜高粱渣处理得到的发酵糖液，进行浓缩、pH值调节，最后利用自凝集酿酒酵母进行发酵，蒸馏得到乙醇。本发明能充分利用甜高粱茎秆，具有发酵周期短，纤维素水解效率高，乙醇产率高等特点。

Description

一种利用甜高粱茎秆制备乙醇的方法

技术领域

本发明涉及属于生物燃料领域，特别是涉及一种利用甜高粱茎秆制取乙醇的方法。

背景技术

在20世纪70年代中期以来四次较大的石油危机的推动下，燃料乙醇工业在世界许多国家得以迅速发展。特别是随着各国对环保问题的重视，以及对循环能源需求的增加，生物燃料乙醇市场需求越来越大，由“黑色能源”走向“绿色能源”已是大势所趋。

由于石油的过量开采，我国已面临严重的能源危机，使用可再生的生物能源来代替原来的不可再生能源，成为中国未来能源战略的关键。因此，近年来，我国也逐渐加大了对燃料乙醇生产的投入力度。目前，我国燃料乙醇生产以玉米等粮食类淀粉质原料为主。但是我国人口众多，而且粮食类淀粉质原料生产燃料乙醇的生产成本仍旧居高不下。2006年12月份国家***已明令禁止新上以粮食生产乙醇的项目，并限制原有的以粮食制乙醇企业的产能，鼓励发展非粮、废弃植物生产乙醇汽油的技术。

以甜高粱茎秆为乙醇发酵原料的具有强大的优越性：第一，甜高粱具有抗早、耐涝、耐盐碱、耐瘩薄等特性。因此，其种植地域广泛，热带、温带和亚寒带地区，尤其是在干早、半干早地区、低洼易涝和盐碱地区、土壤贫瘩的山区和半山区(只要温度在10℃以上，积温达到2600℃～4100℃，pH值5.5～8.5的地区)均可种植，即几乎我国各地均宜种，具有很强的适应性；第二，甜高粱属高光效C4植物，光合效率为大豆、甜菜、小麦等作物的2～3倍，其有穗和茎两个生物量贮藏库，并具有强大的杂种优势，是世界上生物学产量最高的作物之一。每亩能结出150～400kg的籽粒，还能得到4000～5000kg的富含糖分的茎秆；第三，甜高粱茎秆汁中的糖分主要为蔗糖、果糖和葡萄糖，易于被酵母菌利用，不需要酶的转化，同时，茎秆渣可以通过预处理，酶解得到糖汁，大大降低生产成本。

因此，本发明提出了一种利用甜高粱茎杆制备乙醇的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用甜高粱茎杆制备乙醇的方法。

本发明所述的利用甜高粱茎秆制取乙醇的方法，包括如下步骤：

1)将甜高粱茎秆进行压榨，得到茎秆汁液和甜高粱渣；

2)将甜高粱渣进行稀酸-超声波预处理，过滤，得到预处理浆液和甜高粱渣；

3)用纤维素酶将步骤2)制得的甜高粱渣酶解；

4)将茎秆汁液、预处理浆液与酶解液混合，然后调节浓度和pH值；

5)酵母菌发酵，蒸馏得到乙醇。

其中，步骤1)中，所述的压榨是指将成熟的甜高粱茎秆进行剥皮、去叶、去籽，然后将甜高粱茎秆切成1cm～3cm的小段，利用压榨机进行压榨，再向甜高粱渣中加入质量为甜高粱茎秆质量20％～30％的水进行压榨，得到茎秆汁液和甜高粱渣；

步骤2)中，所述稀酸-超声波预处理是指将甜高粱渣在质量浓度为1％～3％硫酸中浸泡3-7小时，然后超声处理；

所述超声处理为：超声功率120W～200W，一次超声时间1s～10s，间歇时间4s～10s，总超声时间20min～60min。

为得到澄清液体，在步骤2)中还包括，将所述预处理浆液的pH值调节到7～8，然后沉淀过滤，得到澄清的预处理浆液；

在步骤2)之前，将步骤1)得到的所述甜高粱渣在50℃～60℃下烘干；

步骤3)中，所述的用纤维素酶将甜高粱渣酶解是指将步骤2)中得到的甜高粱渣按1∶25-35(W/V，g/mL)加入pH4.8的HAc-NaAc缓冲液，加入纤维素酶80-150FPU/g(按原料甜高粱杆的质量计)，于50℃～60℃下反应24～30小时，过滤得到酶解糖液；

在进行步骤4)之前，将步骤1)制得的所述茎秆汁液进行预处理：加热至100℃煮沸30min～60min，过滤、离心，得到澄清的茎秆汁液；

步骤4)中所指纤维素酶是指高温纤维素酶、羧甲基纤维素酶等本领域常用来酶解农作物废弃物的纤维素酶，均可在市面上购得。

步骤4)中，所述调节浓度是指将混合液调节为总糖浓度为160g/L～200g/L，所述调节pH值是将pH值调为5；

所述调节浓度可采用本领域常用的方法，如蒸煮浓缩等。

步骤5)中，所述发酵是指将步骤4)得到的糖汁加入以下组分：5g/L～13g/LCO(NH₂)₂、0.1g/L～1g/L MgSO₄、0.5g/L～3g/L KH₂PO₄以及5g/L～10g/L CaCl₂，然后在121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％酵母液，30℃，pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵22～26小时；

其中尿素作用是作为氮源；MgSO₄、KH₂PO₄、CaCl₂的作用是作为营养盐。

步骤5)所述的酵母液如下制备：先将4℃斜面保藏的酵母菌接种到活化培养基中，在30℃，100rpm中培养16小时；然后再按5％的接种量转入种子培养基中，30℃，150rpm中培养20小时；其中活化培养基的组成成分为12Bix液体麦芽汁；种子培养基组成成分为葡萄糖1.5％，酵母粉1.5％。

所述酵母菌是自凝集酿酒酵母F2167或安琪耐高温活性酿酒干酵母。

本发明所述的利用甜高粱茎秆制取乙醇的方法具有以下优点：

第一，甜高粱茎秆利用率高，可将结构糖和非结构糖充分利用；第二，乙醇产率高，利用了甜高粱茎秆中的糖和纤维素，乙醇得率达到93％以上；第三，纤维素酶的酶解率高，由于采用稀酸-超声波预处理技术，使茎秆中纤维素、半纤维素、木质素结构分离、间隔变大，从而纤维素酶能够与其充分接触，因此大大增加了纤维素酶的水解率，预处理得率达到80％以上；第四，本发明采用了自凝集酿酒酵母，提高了发酵液的菌体浓度，可以缩短发酵时间，提高工作效率；第五，本发明可以改变用粮食制造燃料乙醇的现状。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。纤维素酶购于诺维信公司，F2167酵母菌购于大连工业大学菌种保藏中心，安琪耐高温活性酿酒干酵母购于安琪酵母股份有限公司，普通的酵母菌Saccharomyces cerevisiae购于青岛绿谷商贸有限公司。

实施例1

利用甜高粱茎秆制取乙醇包括如下步骤：

(1)将成熟的甜高粱茎秆进行榨汁，将含水量78.3％，含糖量13.7％，粗纤维含量8.8％的甜高粱茎秆50kg切成2cm～3cm的段，经过压榨机压榨，之后加水再压榨，之后得到甜高粱茎汁和含糖量低的茎秆渣。

(2)将甜高粱茎秆汁液在100℃，煮沸30min，过滤、离心，得到澄清的甜高粱汁液。

(3)甜高粱渣稀酸-超声波预处理甜高粱渣在60℃烘箱中烘干，然后将甜高粱渣在1％硫酸中浸泡5小时，再将其置于超声波仪中，超声功率120W，一次超声时间1s，间歇时间4s，总超声时间20min，再经过过滤，得到甜高粱渣和浆液，用稀Na OH调节pH值到7，沉淀过滤，得到澄清的预处理浆液。

(4)甜高粱渣酶解甜高粱渣按1∶30(W/V，g/mL)加入pH4.8的HAc-NaAc缓冲液，加入纤维素酶100FPU/g(原料)，于50℃下反应24小时，每6小时搅拌一次10min，过滤得到酶解糖液。

(5)将4℃斜面保藏的F2167酵母菌无菌条件接种到20mL活化培养基中，在30℃，100rpm中培养16小时，然后再按5％的接种量转入100mL种子培养基中，30℃，150rpm中培养20小时。依次扩大培养，得到酵母培养液。

(6)混合、调整糖汁将步骤(2)中的甜高粱汁液、步骤(3)中的预处理浆液和步骤(4)酶解糖液混合，得到混合糖液，将糖液蒸煮浓缩，得总糖浓度为170g/L的糖液。

(7)发酵：将步骤(6)中的总糖浓度为170g/L糖液200mL加入8g/L CO(NH₂)₂、0.2g/L MgSO₄、1g/L KH₂PO₄、7g/L CaCl₂，121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％步骤(5)中的酵母液，30℃，pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵24小时，然后蒸馏得到乙醇76.8g/L。

实施例2

利用甜高粱茎秆制取乙醇包括如下步骤：

(2)将甜高粱茎秆汁液在100℃，煮沸50min，过滤、离心，得到澄清的甜高粱汁液。

(3)甜高粱渣稀酸-超声波预处理甜高粱渣在50℃烘箱中烘干，然后将甜高粱渣在2％硫酸中浸泡7小时，再将其置于超声波仪中，超声功率120W，一次超声时间2s，间歇时间4s，总超声时间30min，再经过过滤，得到甜高粱渣和浆液，用稀NaOH调节pH值到7，沉淀过滤，得到澄清的预处理浆液。

(4)甜高粱渣酶解甜高粱渣按1∶25(W/V，g/mL)加入pH4.8 的HAc-NaAc缓冲液，加入纤维素酶150FPU/g(原料)，于50℃下反应28小时，每6小时搅拌一次10min，过滤得到酶解糖液。

(5)将4℃斜面保藏的F2167酵母菌无菌条件接种到20mL活化培养基中，在30℃，100rpm中培养18小时，然后再按5％的接种量转入100mL种子培养基中，30℃，150rpm中培养22小时。依次扩大培养，得到酵母培养液。

(6)混合、调整糖汁将步骤(2)中的甜高粱汁液、步骤(3)中的预处理浆液和步骤(4)酶解糖液混合，得到混合糖液，将糖液蒸煮浓缩，得糖度为190g/L的糖液。

(7)发酵将步骤(6)中的总糖浓度为190g/L糖液200mL加入7g/L CO(NH₂)₂、0.2g/L MgSO₄、1g/L KH₂PO₄、5g/L CaCl₂，121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％步骤(5)中的酵母液，30℃，调pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵22小时，然后蒸馏得到乙醇81.2g/L。

实施例3

利用甜高粱茎秆制取乙醇包括如下步骤：

(1)将成熟的甜高粱茎秆进行榨汁，将含水量78.3％，含糖量13.7％，粗纤维含量8.8％的甜高粱茎秆50kg切成3cm～5cm的段，经过压榨机压榨，之后加水再压榨，之后得到甜高粱茎汁和含糖量低的茎秆渣。

(2)将甜高粱茎秆汁液在100℃，煮沸60min，过滤、离心，得到澄清的甜高粱汁液。

(3)甜高粱渣稀酸-超声波预处理甜高粱渣在50℃烘箱中烘干，然后将甜高粱渣在3％硫酸中浸泡5小时，再将其置于超声波仪中，超声功率120W，一次超声时间3s，间歇时间5s，总超声时间60min，再经过过滤，得到甜高粱渣和浆液，用稀NaOH调节pH值到7，沉淀过滤，得到澄清的预处理浆液。

(4)甜高粱渣酶解甜高粱渣按1∶35(W/V，g/mL)加入pH4.8的HAc-NaAc缓冲液，加入纤维素酶150FPU/g(原料)，于50℃下反应30小时，每6小时搅拌一次10min，过滤得到酶解糖液。

(6)混合、调整糖汁将步骤(2)中的甜高粱汁液、步骤(3)中的预处理浆液和步骤(4)酶解糖液混合，得到混合糖液，将糖液蒸煮浓缩，得糖度为200g/L的糖液。

(7)发酵将步骤(6)中的总糖浓度为200g/L糖液200mL加入12g/L CO(NH₂)₂、1g/L MgSO₄、3g/L KH₂PO₄、9g/L CaCl₂，121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％步骤(5)中的酵母液，30℃，调pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵23小时，然后蒸馏得到乙醇83.2g/L。

实施例4

利用甜高粱茎秆制取乙醇包括如下步骤：

(3)甜高粱渣稀酸-超声波预处理甜高粱渣在60℃烘箱中烘干，然后将甜高粱渣在1％硫酸中浸泡5小时，再将其置于超声波仪中，超声功率120W，一次超声时间3s，间歇时间4s，总超声时间20min，再经过过滤，得到甜高粱渣和浆液，用稀Na OH调节pH值到7，沉淀过滤，得到澄清的预处理浆液。

(4)甜高粱渣酶解甜高粱渣按1∶30(W/V，g/mL)加入pH4.8的HAc-NaAc缓冲液，加入纤维素酶100FPU/g(原料)，于50℃下反应24小时，每6小时搅拌一次15min，过滤得到酶解糖液。

(5)将4℃斜面保藏的安琪耐高温活性酿酒酵母无菌条件接种到20mL活化培养基中，在30℃，100rpm中培养16小时，然后再按5％的接种量转入100mL种子培养基中，30℃，150rpm中培养20小时。依次扩大培养，得到酵母培养液。

(7)发酵：将步骤(6)中的总糖浓度为170g/L糖液200mL加入8g/L CO(NH2)2、0.2g/L MgSO4、1g/L KH2PO4、7g/L CaCl2，121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％步骤(5)中的酵母液，30℃，pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵24小时，然后蒸馏得到乙醇79.2g/L。

实施例5

利用甜高粱茎秆制取乙醇包括如下步骤：

(1)将成熟的甜高粱茎秆进行榨汁，将含水量79.3％，含糖量13.9％，粗纤维含量8.3％的甜高粱茎秆50kg切成2cm～3cm的段，经过压榨机压榨，之后加水再压榨，之后得到甜高粱茎汁和含糖量低的茎秆渣。

(4)甜高粱渣酶解甜高粱渣按1∶25(W/V，g/mL)加入pH4.8的HAc-NaAc缓冲液，加入纤维素酶150FPU/g(原料)，于50℃下反应28小时，每6小时搅拌一次10min，过滤得到酶解糖液。

(5)将4℃斜面保藏的酵母菌Saccharomyces cerevisiae无菌条件接种到20mL活化培养基中，在30℃，100rpm中培养18小时，然后再按5％的接种量转入100mL种子培养基中，30℃，150rpm中培养22小时。依次扩大培养，得到酵母培养液。

(7)发酵将步骤(6)中的总糖浓度为190g/L糖液200mL加入8g/L CO(NH₂)₂、0.1g/L MgSO₄、2g/L KH₂PO₄、6g/L CaCl₂，121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％步骤(5)中的酵母液，30℃，调pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵23小时，然后蒸馏得到乙醇80.9g/L。

Claims

1.一种利用甜高粱茎杆制备乙醇的方法，包括如下步骤：

1)将甜高粱茎秆进行压榨，得到茎秆汁液和甜高粱渣；

3)用纤维素酶将步骤2)制得的甜高粱渣酶解；

5)酵母菌发酵，蒸馏得到乙醇。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的压榨是指将成熟的甜高粱茎秆进行剥皮、去叶、去籽，然后将甜高粱茎秆切成1cm～3cm的小段，利用压榨机进行压榨，再向甜高粱渣中加入质量为甜高粱茎秆质量20％～30％的水进行压榨，得到茎秆汁液和甜高粱渣。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述稀酸-超声波预处理是指将甜高粱渣在1％～3％硫酸中浸泡3～7小时，然后超声处理。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述超声处理为：超声功率120W～200W，一次超声时间1s～10s，间歇时间4s～10s，总超声时间20min～60min。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)之前，将步骤1)得到的所述甜高粱渣在50℃～60℃下烘干。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述的用纤维素酶将甜高粱渣酶解是指将步骤2)中得到的甜高粱渣按重量体积比1∶25-35的比例加入pH4.8的HAc-NaAc缓冲液，然后加入按原料计的80-150FPU/g纤维素酶，于50℃～60℃下反应24～30小时，过滤得到酶解糖液。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行步骤4)之前，将步骤1)制得的所述茎秆汁液进行预处理：加热至100℃煮沸30min～60min，过滤、离心，得到澄清的茎秆汁液。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中，所述发酵是指将步骤4)得到的混合液加入以下组分：5g/L～13g/LCO(NH₂)₂、0.1g/L～1g/L MgSO₄、0.5g/L～3g/L KH₂PO₄以及5g/L～10g/L CaCl₂，然后在121℃下，灭菌30min，再按体积比接入15％酵母液，30℃，pH＝5，摇床转数为150rpm，发酵22～26小时。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的酵母液如下制备：先将4℃斜面保藏的酵母菌接种到活化培养基中，在30℃，100rpm中培养16小时；然后再按5％的接种量转入种子培养基中，30℃，150rpm中培养20小时；其中活化培养基的组成成分为12Bix液体麦芽汁；种子培养基组成成分为葡萄糖1.5％，酵母粉1.5％。

10.如权利要求1、8或9所述的方法，其特征在于，所述酵母菌是自凝集酿酒酵母F2167、安琪耐高温活性酿酒干酵母或普通的酵母菌。