一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法，以木薯片為原料，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片中各有效成分，縮短了發(fā)酵時間，提高了乙醇得率。
【專利說明】一種木薯片發(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片發(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。木薯干中淀粉含量大70%左右，非常適合作為乙醇的生產(chǎn)原料。以木薯為原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇可以減少有其他糧食類發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，具有明顯的戰(zhàn)略和社會效益。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，以木薯為原料生產(chǎn)乙醇的工藝，一般采用高溫高壓蒸煮法進行液化，這樣會造成原料中可發(fā)酵物質(zhì)變性流失，耗能較高;其次，現(xiàn)有技術(shù)中主要酶解發(fā)酵對象是淀粉，木薯片中的纖維素、半纖維素和其它聚合糖類未能有效利用；此外，整個工藝酶解效率不高，體現(xiàn)在:
(I)同時多種酶進行酶解，因各種酶適宜的條件不同，木薯片中的淀粉、纖維素和半纖維素，以及其他聚合糖類難以同時完全水解成葡萄糖，最終乙醇得率不高；⑵分次酶解，雖然各成分水解完全，乙醇得 率提高，但是酶解時間延長。因此，進一步研究木薯片生產(chǎn)乙醇，減少各種酶的使用量，縮短酶解時間，從而提高糖化率和乙醇得率，對于有效利用木薯片具有重要的實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種省時以及高乙醇得率的木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法。
[0005]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用以下技術(shù)方案。
[0006]一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法，該方法包括如下具體步驟:
a.將木薯片加水浸潤，濕法粉碎；
b.將粉碎后的產(chǎn)物，進擠出機擠壓；
c.取步驟b所得的擠壓物料，加入木薯片3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，加入木薯片3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小時后，再次超聲波超聲l_2min，保溫酶解1.5小時后，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6小時后，再次超聲波超聲l_2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，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。
[0007]步驟a木薯片濕法粉碎后過20目篩，加入水的質(zhì)量為木薯片質(zhì)量的20-45%。此處加入水量不宜過多，浸濕物料即可。
[0008]粉碎過篩后的木薯片物料在擠出機中，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，一方面有利于木薯片中淀粉、纖維素和木質(zhì)素的分離，提高淀粉和纖維素對酶的可及性，其次擠壓有利于打破纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，進一步提高纖維素對酶的可及性。步驟b所述的擠出機為塑料加工工業(yè)常用的單螺桿擠出機，擠出溫度為70-90°C，螺桿轉(zhuǎn)速80-100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。
[0009]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。[0010]步驟e木聚糖酶的加入量為1.0-1.5U/g干木薯片，糖化酶的加入量為60_80U/g干木薯片。本步驟同時加入2種酶，木聚糖酶促進木薯片中存在的半纖維素的水解，糖化酶促進木薯片中淀粉初步水解。
[0011]步驟f糖化酶的加入量為60-80U/g干木薯片，淀粉酶的加入量為30_40U/g干木薯片，纖維素酶的加入量為2-4U/g干木薯片。本步驟同時加入3種酶，協(xié)同促進木薯片中存在纖維素和淀粉的水解。
[0012]步驟e和步驟f使用超聲，能夠加速酶的分散以及促進酶與底物的接觸，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。
[0013]步驟g畢赤樹酵母接種濃度5-10g/L，在30_50°C、通氣比為0.2-0.8的好氧條件下發(fā)酵36_48h。
[0014]步驟h釀酒酵母接種濃度20_40g/L，在30_50°C、厭氧條件下發(fā)酵36_48h。
[0015]本發(fā)明提供的一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法，其優(yōu)點在于:
(I)木薯片經(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。
[0016](2)步驟C酸液洗滌的含戊糖等可溶性糖，并針對該種糖單獨發(fā)酵，提高木薯片的綜合利用效率。
[0017](3)酶解分二次進行，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，二次酶解的主要對象不同，首次對象為半纖維素，第二次對象為淀粉和纖維素，進過本發(fā)明提出的二次酶解方案，提高水解效率，能夠充分利用木薯片中的有效成分。
[0018](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，減少水解時間。
【具體實施方式】
[0019]以下結(jié)合數(shù)個實施例進一步說明本發(fā)明以及創(chuàng)新之處。應(yīng)當理解，所列出的實施例僅用于具體說明本發(fā)明而非對本發(fā)明的進一步限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員在充分理解之后可以對實施例進行適當調(diào)整，這些仍然在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。[0020]實施例1
將IOkg木薯片加2.0kg水，粉碎后過20目篩，在70° C、螺桿轉(zhuǎn)速80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1.0U/g干木薯片，糖化酶60U/g干木薯片，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小時后，再次超聲波超聲lmin，保溫酶解1.5小時后，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60U/g干木薯片，淀粉酶的加入量為30U/g干木薯片，纖維素酶的加入量為2U/g干木薯片。用功率為IOOff的超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，再次超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，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)20 g/L釀酒酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液。
[0021]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。
[0022]實施例2
將IOkg木薯片加2.5kg水，粉碎后過20目篩，在80° C、螺桿轉(zhuǎn)速95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5.4，加熱至90°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8.0，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2h后，加入木聚糖酶和糖化酶水解，加入量為木聚糖酶1.3U/g干木薯片，糖化酶70U/g干木薯片，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小時后，再次超聲波超聲lmin，保溫酶解1.5小時后，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70U/g干木薯片，淀粉酶的加入量為35U/g干木薯片，纖維素酶的加入量為3U/g干木薯片。用功率為120W的超聲波超聲Imin后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，再次超聲波超聲Imin后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，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)30 g/L釀酒酵母發(fā)酵36h后得到乙醇溶液。
[0023]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。
[0024]實施例3
將IOkg木薯片加4.5kg水，粉碎后過20目篩，在90° 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)10 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1.5U/g干木薯片，糖化酶80U/g干木薯片，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小時后，再次超聲波超聲2min，保溫酶解1.5小時后，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80U/g干木薯片，淀粉酶的加入量為40U/g干木薯片，纖維素酶的加入量為4U/g干木薯片。用功率為150W的超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，再次超聲波超聲2min后關(guān)閉超聲波，保溫酶解6小時后，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)40g/L釀酒酵母發(fā)酵48h后得到乙醇溶液。
[0025]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。
[0026]對比實施例1
木薯片濕法粉碎后， 不經(jīng)擠出機處理，其余按實施例2的方法發(fā)酵制備乙醇。.對比實施例2
按實施例2的方法發(fā)酵制備乙醇，其中酶解時不超聲波使用超聲。.對比實施例3
按實施例2的方法發(fā)酵制備乙醇，酶解同時進行，酶的加入量與實施例2 —致，酶解溫度為60°C，酶解時間16h。.對比實施例4
將IOkg木薯片加2.5kg水，粉碎后過20目篩，在80° C、螺桿轉(zhuǎn)速95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60kg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，其余按實施例2的方法進行。
[0027]實施例4
乙醇含量測定:按GB/T 678-2002乙醇含量測定方法測定。
[0028]乙醇產(chǎn)率=乙醇重量/木薯片重量X 100%。實施例1-3、對比實施例1-4乙醇產(chǎn)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、不進行分開發(fā)酵，乙醇得率均有所下降。
[0029]表1實施例和對比實施例乙醇得率結(jié)果
【權(quán)利要求】
1.一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法，該方法包括: a.將木薯片加水浸潤，濕法粉碎； b.將粉碎后的產(chǎn)物，進擠出機擠壓； c.取步驟b所得的擠壓物料，加入木薯片3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，加入木薯片3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，保溫酶解1.5小時后，再次超聲l_2min，保溫酶解1.5小時后，酶解溫度為40-60 0C ； 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，保溫酶解6小時后，再次超聲l_2min后關(guān)閉，保溫酶解6小時后，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所述的一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟a木薯片濕法粉碎后過20目篩，加入水的質(zhì)量為木薯片質(zhì)量的20-45%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯片發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于步驟b所述的擠出機為塑料加工工業(yè)常用的單螺桿或雙螺桿擠出機，擠出溫度為70-90°C，螺桿轉(zhuǎn)速80-100轉(zhuǎn)/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯片發(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所述的一種木薯片發(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.ο-1.5U/g干木薯片，糖化酶的加入量為60-80U/g干木薯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯片發(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60-80U/g干木薯片，淀粉酶的加入量為30-40U/g干木薯片，纖維素酶的加入量為2-4U/g干木薯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種木薯片發(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所述的一種木薯片發(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5-10g/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所述的一種木薯片發(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20-40g/L，在30-50°C、厭氧條件下發(fā)酵36_48h。
【文檔編號】C12R1/865GK103981221SQ201410233386
【公開日】2014年8月13日 申請日期: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 申請人:湖南爾康制藥股份有限公司