CN110004196B - 秸秆-玉米联产燃料乙醇和ddgs的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种秸秆‑玉米联产燃料乙醇和DDGS的工艺。所述的工艺将第一代燃料乙醇技术和第二代燃料乙醇技术结合，通过控制秸秆与玉米粉的质量比为1：3~4，将秸秆水解液与玉米液化液混合，调节pH至发酵菌株的最适pH范围，加入发酵菌株，进行发酵，得到燃料乙醇和高品质的DDGS。本发明联产一代和二代乙醇，同时生产出的DDGS中含有高营养价值的低聚木糖，提升了产品品质，具有潜在的市场应用前景。

Description

秸秆-玉米联产燃料乙醇和DDGS的工艺
技术领域
本发明属于木质纤维素酶水解技术领域，涉及一种秸秆-玉米联产燃料乙醇和高品质的酒糟蛋白饲料(DDGS)的工艺。
背景技术
生物质能源是解决现实和未来能源危机和环境污染最有潜力的途径之一。基于淀粉和糖类发酵产燃料乙醇的第一代燃料乙醇技术存在“与人争粮，与粮争地”的问题，不符合可持续发展战略。农业生产中产生的剩余大量的秸秆类生物质能源主要被焚烧，利用率极低。纤维素乙醇技术既可以利用废弃农作物秸秆又能产生一种可再生清洁能源——乙醇，比第一代燃料乙醇技术更具优势。以纤维素为原料的第二代燃料乙醇技术已成为新世纪新能源的主流之一，但是由于关键技术的未成熟与经济性的局限性，纤维素乙醇技术还无法进行大规模商业化应用。
目前的纤维素乙醇技术主要存在的问题包括：(1)目前木质纤维素乙醇生产强度和乙醇浓度普遍偏低，只有0.3～0.5g·L-1·h-1。而玉米乙醇的生产强度能达到1.6-2.0g·L-1·h-1，是木质纤维素乙醇生产强度的将近4倍。这意味着生产单位质量的乙醇，木质纤维素工艺的设备费用是玉米工艺的4倍，同时生产单位质量乙醇的能耗、人力成本等也大大高于玉米乙醇工艺；(2)木质纤维素乙醇不像玉米乙醇那样产生高附加值副产品DDGS，但是单独的玉米乙醇技术无法生产可以富含低聚木糖的高品质DDGS。
发明内容
本发明的目的在于提供一种秸秆-玉米联产燃料乙醇和高品质DDGS的工艺。所述工艺将第一代燃料乙醇技术和第二燃料乙醇技术相结合，提高乙醇生产强度，同时生产的DDGS中含有高价值的低聚木糖，降低生产成本的同时提高产品收益。
实现本发明目的的技术方案如下：
秸秆-玉米联产燃料乙醇和高品质DDGS的工艺，具体步骤如下：
步骤1，将粉碎后的秸秆进行酸性预处理，干燥得到预处理的秸秆；
步骤2，在预处理的秸秆中加入水解酶和水，调节pH至酶的最适pH范围，进行水解，离心得到秸秆水解液；
步骤3，在玉米粉中加入液化酶α-淀粉酶，调节pH至4.0～7.0，进行液化，得到玉米液化液；
步骤4，按秸秆与玉米粉的质量比为1：3～4，将秸秆水解液与玉米液化液混合，调节pH至发酵菌株的最适pH范围，加入发酵菌株，进行发酵，得到燃料乙醇和高品质的DDGS。
本发明，步骤1中，所述的秸秆选自小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料的一种或者多种。
本发明，步骤1中，所述的预处理可以是稀酸预处理、碱性预处理、热水预处理或蒸汽***预处理等。
本发明，步骤2中，所述的水解酶采用本领域常规使用的水解酶，选自纤维素酶、木聚糖酶和里氏木霉等中的一种或几种的混合物。
本发明，步骤2中，所述的pH为酶的最适pH范围，一般为3.0～10.0。
本发明，步骤3中，所述的液化温度为85℃。
本发明，步骤4中，所述的发酵菌株采用本领域常规使用的乙醇发酵菌株，选自酵母、细菌或霉菌等。
与目前技术相比，本发明具有以下优点：
(1)玉米和秸秆联产提高了乙醇的生产强度，节省酶解所需要的时间，提高乙醇生产效率，降低生产所需的人力和物力，大大降低成本。
(2)本发明预处理过程中产生的抑制物较少，显著提高了酶解以及发酵效率。
(3)本发明工艺相对于木质纤维素乙醇技术，不仅大幅度提升乙醇的生产强度，而且还能生产富含高价值低聚木糖的高品质DDGS。
附图说明
图1为稀酸预处理秸秆水解液和玉米液化液按不同比例混合发酵结果图，玉米秸秆水解液和玉米液化液的比例为1：2(A),1:3(B),1:4(C),0:1(D)。
图2为玉米秸秆水解液和玉米液化液比例为1:4所得DDGS中低聚木糖的含量检测结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
按照不同比例的秸秆水解液和玉米液化液混合对产物DDGS品质的影响
1.获取秸秆水解液。将10％秸秆(wt/wt)，1％的稀硫酸(wt/wt)放入到2L反应釜中，将反应釜升高至160℃，维持10min后降温，将得到的产物放置到烘箱(60℃)烘干至水分含量为10％-20％之间。将稀酸处理过的秸秆放入锥形瓶中，按22％的干物(wt/wt)加纤维素酶和木聚糖酶，其中纤维素酶和木聚糖酶的比例为7:3,调节ph4.0-7.0，放入50℃，250rpm摇床进行酶解，酶解完成后，将固液用离心机分离，取离心过后的上层清液为秸秆的水解液。
2.玉米液化液的获取。配置底物浓度为30％的玉米液化液，取无菌水放入锥形瓶中，加入α-淀粉酶和玉米粉，摇匀后，调整ph至5.7，置于水浴锅中，85℃下保温4h后，获得玉米液化液。
3.混合发酵。将玉米液化液与秸秆的水解液按不同比例混合。将玉米液化液与秸秆水解液按照1:2，1:3，1:4和0:1的比例混合，接入酵母，放入30℃，150rpm摇床内进行发酵。发酵后得到产物燃料乙醇和DDGS。
4.DDGS的检测。将发酵得到混合物蒸馏，得到四种不同的DDGS，然后将其烘干，通过比较其颜色，发现秸秆水解液与玉米液化液比例为1:3与1:4时DDGS的品质明显高于其他两种。
研究秸秆水解液和玉米液化液的不同比例对于发酵的影响。将秸秆进行稀酸预处理，用水解液和玉米液化液混合进行发酵实验的混合比例。实验结果如图1和表1所示，所有的混合比例下，发酵均在72h内完成(图1)。当玉米秸秆水解液和玉米液化液的比例1：4时，最终的乙醇浓度达到了118.80g/L(图2)。玉米秸秆水解液和玉米液化液的比例1：2时，最终乙醇浓度为104.89g/L。由表1可以看出在不同比例下乙醇的生产强度是不同的，通过玉米燃料乙醇技术与木质纤维素燃料乙醇技术相结合的方法对于木质纤维素乙醇技术来说，提高了乙醇的生产强度，而且按照不同比例所得到的DDGS的品质颜色如图2所示，其中1:3与1:4所得到的DDGS颜色比较符合国家标准。这种混合发酵的方法相对于玉米燃料乙醇技术，富含低聚木糖，提高了DDGS的品质。
表1稀酸预处理秸秆水解液和玉米液化液混合发酵96h时数据
Figure GDA0004146859090000031
综上所述，稀酸处理的玉米秸秆和玉米的混合物具有优异的发酵性能，乙醇生产率在48小时达到1.94g/L/h以上。与单独的稀酸预处理玉米秸秆相比，玉米和稀酸预处理玉米秸秆的混合物获得了更好的发酵表现。图2为不同比例的秸秆水解液与玉米液化液所产生的DDGS。秸秆水解液和玉米液化液比例为1：3与1：4所得到的DDGS品质较高，其中秸秆水解液和玉米液化液比例为1：4时所产生的DDGS中低聚木糖含量为10859.32mg/kg，总磷含量0.62％,粗灰分12.5％，粗蛋白19.3％等其他指标均符合国家标准，说明本发明工艺生产的DDGS是一个合格的并且具有低聚木糖的高品质DDGS。

Claims (4)

1.秸秆-玉米联产燃料乙醇和DDGS的工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将粉碎后的秸秆进行酸性预处理，干燥得到预处理的秸秆；
步骤2，按22%的干物浓度，在预处理的秸秆中加入纤维素酶、木聚糖酶和水，其中纤维素酶和木聚糖酶的比例为7:3，调节pH至酶的最适pH范围，进行水解，离心得到秸秆水解液；
步骤3，在玉米粉中加入α-淀粉酶，调节pH至4.0~7.0，进行液化，得到玉米液化液；
步骤4，按秸秆与玉米粉的质量比为1：3~4，将秸秆水解液与玉米液化液混合，调节pH至酵母的最适pH范围，加入酵母，进行发酵，得到燃料乙醇和DDGS。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤1中，所述的秸秆选自小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆的一种或者多种。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤2中，所述的pH为3.0~10.0。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤3中，所述的液化温度为85℃。
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