專利名稱：一種以芭蕉芋為原料生產(chǎn)燃料乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以芭蕉芋為原料生產(chǎn)燃料乙醇的方法。
背景技術(shù)：
隨著石油日益枯竭，環(huán)境逐漸惡化，能源的需求與日俱增，而乙醇可以代替或部分代替汽油作為可再生能源。中國是人口大國，考慮到糧食安全和生產(chǎn)成本，芭蕉芋作為非糧能源作物，主要生長在南非、越南、中國西南部等亞熱帶地區(qū)，營養(yǎng)需求低，能在貧瘠的土壤里生長。在中國的貴州黔西南、黔東南、黔南等地生產(chǎn)量為4000-5000kg/畝，其塊莖淀粉含量為12-19%，成分較復(fù)雜，含有不易被一般酶處理方法水解的纖維素多糖。至今，除了少量用于生產(chǎn)淀粉和粉條以外，沒有得到充分的利用和開發(fā)?，F(xiàn)將芭蕉芋作為生產(chǎn)燃料乙醇的能源作物，不僅能提高其利用價(jià)值，而且能緩解能源危機(jī)。到目前為止，國外對(duì)芭蕉芋的研究主要集中于其淀粉特性，國內(nèi)陳葉福等(2002 年)以芭蕉芋糖化后固液分離獲得的清液進(jìn)行乙醇發(fā)酵，通過正交實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化M小時(shí)產(chǎn)生74.4(^/1^的乙醇，發(fā)酵效率僅83.96% ；吳天祥等(2003年)以半固態(tài)漿狀芭蕉芋全原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵，通過添加惰性固體載體72小時(shí)產(chǎn)生68. 64g/kg的乙醇，發(fā)酵效率僅 83. 95%;吳天祥等(2005年)以芭蕉芋全原料進(jìn)行乙醇發(fā)酵，通過蒸煮工藝、糖化工藝以及發(fā)酵工藝條件的研究，72小時(shí)產(chǎn)生73. 38g/kg的乙醇，發(fā)酵效率僅83. 18% ；Wu Tianxiang et al(2010)以芭蕉芋原料進(jìn)行固態(tài)邊糖化邊發(fā)酵，通過添加玉米芯和米糠72小時(shí)產(chǎn)生 10. 1% (ν/ν)的乙醇；Shen Ying et al(2010)以芭蕉芋糖化清液進(jìn)行乙醇發(fā)酵，通過糖化酶、液化酶、PH、輔料的單因素及正交優(yōu)化，48小時(shí)乙醇產(chǎn)率達(dá)到21. 5%。這些報(bào)道均以芭蕉芋干粉末為原料，工序復(fù)雜且能耗高，并且普遍存在著發(fā)酵效率較低和發(fā)酵時(shí)間較長的現(xiàn)象。要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵是簡化發(fā)酵操作工序，提高發(fā)酵效率。因此，需要一種更優(yōu)的發(fā)酵方法，增加原料利用率，簡化發(fā)酵工序，提高發(fā)酵效率，以降低燃料乙醇生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有芭蕉芋乙醇發(fā)酵時(shí)間長，發(fā)酵效率低的不足，發(fā)明一種以鮮芭蕉芋塊莖為原料，經(jīng)過高效預(yù)處理后生產(chǎn)燃料乙醇的方法，以達(dá)到部分纖維素多糖與淀粉共同被酵母利用，增加原料利用率，降低發(fā)酵醪液粘度，簡化發(fā)酵工序，提高發(fā)酵效率，并且降低燃料乙醇生產(chǎn)成本。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題可以通過如下工藝單元實(shí)現(xiàn)原料調(diào)漿；液化；高溫處理；預(yù)處理；同步糖化發(fā)酵。具體工藝如下1.打漿鮮芭蕉芋塊莖原料洗凈、打漿。2.液化按照90 150KNU/kg淀粉在芭蕉芋發(fā)酵醪中添加α -淀粉酶，80 90°C 液化至碘反應(yīng)為紅棕色，冷卻至室溫后按所需的料水比添加自來水。3.高溫處理液化后將芭蕉芋發(fā)酵醪在115°C高溫下作用20min。
4.預(yù)處理溫度降低至30 50°C時(shí)，每公斤芭蕉芋發(fā)酵醪中添加0. 1 0. 15g纖維素酶，50°C作用池。5.同步糖化與發(fā)酵按照1. 0 1. 6AUG/g芭蕉芋發(fā)酵醪添加糖化酶，在發(fā)酵醪中接種釀酒酵母，每IOOg發(fā)酵醪中添加0. 06g 0. 09g的尿素或0. IOg 0. 20g的硫酸銨， 200rpm 30°C發(fā)酵16_30h。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。所述的α-淀粉酶標(biāo)準(zhǔn)酶活力為90KNU/g，酶活定義為在37°C，pH 5. 6時(shí)，每小時(shí)水解5. 26克淀粉的酶量為1個(gè)KNU。所述的纖維素酶分別購自湖南尤特爾生化有限公司，杰能科生物工程有限公司， 寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司。湖南尤特爾生化有限公司纖維素酶是一種綠色木霉菌株經(jīng)液體深層發(fā)酵后提取技術(shù)而制備的一種復(fù)合纖維素酶，并含有一定的半纖維素酶酶活，標(biāo)準(zhǔn)酶活力為15000IU/g ；杰能科生物工程有限公司GC220是一種里氏木霉經(jīng)控發(fā)酵而制備的一種能改變和分解非淀粉類的碳水化合物、植物纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)合酶，標(biāo)準(zhǔn)酶活為IS^ig protein/mL;寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司纖維素酶是由木霉代謝產(chǎn)生的固體粉末，能水解天然纖維素生成纖維寡糖、纖維二糖和葡萄糖，標(biāo)準(zhǔn)酶活為1000000U/g。所述的糖化酶為Suhong GA II，由一種黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)物，標(biāo)準(zhǔn)酶活力為 500AGU/ml, (AGU為諾維信糖化酶專有單位)。IAGU的定義是指在25°C，pH 4. 3標(biāo)準(zhǔn)條件下，每分鐘水解Immol麥芽糖所需的酶量。所述的菌種為酵母菌Saccharomyces cerevisiae CCTCC M 206111，是本實(shí)驗(yàn)室從酒糟中分離得到高產(chǎn)菌株，于2006年10月23日保藏于中國典型培養(yǎng)物保藏中心 (CCTCC)，地址為中國武漢，武漢大學(xué)，郵編430072。所述的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀為Buchi Rotavapor R-210。本發(fā)明所述的以芭蕉芋為原料生產(chǎn)乙醇的方法，通過添加纖維素酶，不僅能降解纖維素多糖為酵母可利用的單糖，實(shí)現(xiàn)芭蕉芋中部分纖維素多糖與淀粉共同為酵母利用， 增加了原料的利用率；而且降低了發(fā)酵醪液的粘度，避免了發(fā)酵過程中傳質(zhì)與傳熱問題，簡化發(fā)酵工序。這兩個(gè)方面提高了發(fā)酵效率，降低了生產(chǎn)成本。
具體實(shí)施例方式以下以具體實(shí)施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但并非是對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，依然可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。對(duì)照例1 (未加纖維素酶)井研鮮芭蕉芋塊莖打漿，按料水比3 1添加自來水，按照100KUG/kg添加液化酶，85°C液化至碘反應(yīng)為紅棕色，冷卻并補(bǔ)水后，每250mL三角瓶中分裝100g，在滅菌鍋115°C作用20min。冷卻至室溫，不添加纖維素酶，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，50°C作用3h，測得總糖為13. 00% (w/w)。每IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0. 075g 尿素，200rpm30°C發(fā)酵14h，乙醇濃度為59. 15g/kg，發(fā)酵效率為88. 19%，發(fā)酵醪液粘度 10867mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。對(duì)照例2 (未加纖維素酶)南充鮮芭蕉芋塊莖打漿，不添加水，按照100KUG/kg添加液化酶，85°C液化至碘反應(yīng)為紅棕色，冷卻并補(bǔ)水后，每250mL三角瓶中分裝IOOg芭蕉芋發(fā)酵醪液，在滅菌鍋115°C 作用20min。冷卻至室溫，不添加纖維素酶，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，每IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0. 075g尿素，200rpm 30°C發(fā)酵17h，乙醇濃度為69. 87g/kg，發(fā)酵效率為90. 46%，發(fā)酵醪液粘度53798mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙對(duì)照例3 (未加纖維素酶)井研鮮芭蕉芋塊莖打漿，不添加水，按照100KUG/kg添加液化酶，85°C液化至碘反應(yīng)為紅棕色，冷卻并補(bǔ)水后，每250mL三角瓶中分裝100g，在滅菌鍋115°C作用20min。冷卻至室溫，不添加纖維素酶，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，每IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0. 15g硫酸銨，200rpm 30°C發(fā)酵20. 5h，乙醇濃度為81. 70g/kg，發(fā)酵效率為 91. 88%，發(fā)酵醪液粘度為83610mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例1井研鮮芭蕉芋塊莖打漿，調(diào)漿、液化、高溫處理方法同對(duì)照例1。冷卻至室溫，添加湖南尤特爾生化有限公司纖維素酶0. 15g，50°C作用池后按照按照1. 5AUG/g添加糖化酶， 50°C作用3h，測得總糖為13. 80% (w/w)。每IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加 0. 075g尿素，200rpm 30°C發(fā)酵14h，乙醇濃度為64. 25g/kg，發(fā)酵效率為95. 79%,發(fā)酵醪液粘度748mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例2井研鮮芭蕉芋塊莖打漿，調(diào)漿、液化、高溫處理方法同對(duì)照例1。冷卻至室溫，添加杰能科生物工程有限公司GC2200. 15mL，50°C作用濁后按照1. 5AUG/g添加糖化酶，50°C作用3h，測得總糖為13. 17% (w/w) 0每IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0.075g 尿素，200rpm 30°C發(fā)酵14h，乙醇濃度為59. 79g/kg，發(fā)酵效率為89. 13%，發(fā)酵醪液粘度 3427mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例3井研鮮芭蕉芋塊莖打漿，調(diào)漿、液化、高溫處理方法同對(duì)照例1。冷卻至室溫，添加寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司0. 15g，50°C作用池后按照1.5AUG/g添加糖化酶，50°C作用3h，測得總糖為13. 37% (w/w)。每IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0. 075g 尿素，200rpm 30°C發(fā)酵14h，乙醇濃度為60. 49g/kg，發(fā)酵效率為90. 19%，發(fā)酵醪液粘度 2153mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例4南充鮮芭蕉芋塊莖打漿，調(diào)漿、液化、高溫處理方法同對(duì)照例2。冷卻至室溫，添加湖南尤特爾生化有限公司纖維素酶0. 15g，50°C作用2h，按照1.5AUG/g添加糖化酶，每 IOOg發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0. 075g尿素，200rmp 30°C發(fā)酵17h，乙醇濃度為 74. 16g/kg，發(fā)酵效率為96. 11%，發(fā)酵醪液粘度2116mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例5井研鮮芭蕉芋塊莖打漿，調(diào)漿、液化、高溫處理方法同對(duì)照例3。冷卻至室溫，添加湖南尤特爾生化有限公司纖維素酶0. 15g，50°C作用2h，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，每IOOg 發(fā)酵醪中接種IOmL釀酒酵母，并添加0. 15g硫酸銨，200rmp 30°C發(fā)酵20. 5h，乙醇濃度為83. 98g/kg，發(fā)酵效率為94. 45%,發(fā)酵醪液粘度^84mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例6井研鮮芭蕉芋塊莖去皮，按照實(shí)施例5處理，200rmp 30°C發(fā)酵23h，乙醇濃度為 78. 21g/kg，發(fā)酵效率為98. 96%，發(fā)酵醪液粘度1380mpa. s。發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。實(shí)施例所用的粘度測定儀器為上海尼潤智能科技有限公司生產(chǎn)的RDV-2+PR0型數(shù)字式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，氣相色譜儀為福立分析儀器有限公司的FULI 9790氣相色譜儀，高效液相色譜儀為美國Thermo高效液相色譜儀。
權(quán)利要求
1.一種以芭蕉芋為原料生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征是使用纖維素酶。
2.一種以芭蕉芋為原料生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征是包括以下步驟(1)打漿鮮芭蕉芋塊莖原料洗凈、打漿；(2)液化按照90 150KNU/kg淀粉在芭蕉芋漿中添加α-淀粉酶，80 90°C液化至碘反應(yīng)為紅棕色，冷卻至室溫后添加自來水；(3)高溫處理液化后將薯漿在115°C高溫下作用20min；(4)預(yù)處理溫度降至30 50°C時(shí)，每公斤芭蕉芋發(fā)酵醪中添加0.1 0. 15g纖維素酶，50°C作用2h ；(5)同步糖化與發(fā)酵按照1.0 1. 6AUG/g芭蕉芋發(fā)酵醪添加糖化酶，在發(fā)酵醪中接種釀酒酵母，每IOOg發(fā)酵醪中添加0. 06g 0. 09g的尿素或0. IOg 0. 20g的硫酸銨， 200rpm3(TC發(fā)酵16_30h ；發(fā)酵醪經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在78°C下蒸餾得到乙醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以芭蕉芋為原料生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征是所述的菌種為酵母菌 Saccharomyces cerevisiae CCTCC M 206111，于 2006 年 10 月 23 日保藏于中國典型培養(yǎng)物保藏中心。
全文摘要
本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以芭蕉芋為原料生產(chǎn)燃料乙醇的方法。鮮芭蕉芋通過打漿、添加a-淀粉酶液化、高溫處理、添加纖維素酶、同步糖化與發(fā)酵等步驟，實(shí)現(xiàn)芭蕉芋高效率低成本地轉(zhuǎn)化為燃料乙醇。本發(fā)明具有發(fā)酵時(shí)間端、工藝簡單易于工業(yè)化的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12R1/865GK102311976SQ20111025667
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者方揚(yáng), 趙海, 靳艷玲, 黃玉紅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院成都生物研究所