利用農(nóng)作物秸稈固態(tài)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)纖維酒精的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用農(nóng)作物秸桿固態(tài)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精的方法，屬于微生物發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)發(fā)酵生產(chǎn)酒精主要以谷物、薯類(lèi)和糖蜜為原料液態(tài)發(fā)酵法，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，存在與人爭(zhēng)糧爭(zhēng)地的問(wèn)題。從開(kāi)辟新的能源和治理環(huán)境污染考慮，以廢棄纖維素類(lèi)資源生產(chǎn)酒精的研究日益受到人們的重視。
[0003]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN 101418319A(申請(qǐng)?zhí)?00810228866.2)公開(kāi)了利用秸桿資源生產(chǎn)酒精的方法。以農(nóng)作物秸桿制纖維素中的綜纖維素為原料，綜纖維素的純度為75?90%，其中含纖維素55?80%，聚戊糖5?15%。將其粉碎至40目備用；酶解:按1.5?
3.5%的接酶量加入里氏木霉產(chǎn)復(fù)合纖維素酶制劑(Trichoderma reese i)，在35?50°C酶解4?6天，固態(tài)發(fā)酵:按5?10%的接種量加入安琪活性干酵母菌，在40°C保溫發(fā)酵2?4天；進(jìn)行蒸餾而得95%酒精。
[0004]中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN104357490A(申請(qǐng)?zhí)?01410582449.3)公開(kāi)了一種纖維素糖化醪添加廢糖蜜生產(chǎn)酒精的方法，包括以下步驟:將玉米棒、向日葵朵、向日葵秸桿進(jìn)行破碎過(guò)篩，加水調(diào)成半固體；用蒸汽鍋加熱滅菌，冷卻后加入纖維素酶攪拌均勻，糖化，得還原糖；將廢糖蜜和適量水與還原糖混合，得液體糖化醪；添加活性干酵母與液體糖化醪進(jìn)行發(fā)酵，得到成熟液態(tài)發(fā)酵醪；在液態(tài)發(fā)酵醪中加入廢糖蜜，再與秸桿纖維素干物質(zhì)混合成含固物；將其放入固態(tài)自動(dòng)連續(xù)發(fā)酵罐中發(fā)酵，得到成熟固態(tài)發(fā)酵酒醅；將酒醅送入固態(tài)自動(dòng)連續(xù)蒸酒機(jī)蒸餾出淡酒；將淡酒精蒸餾成成品酒精，或再經(jīng)脫水蒸餾成燃料乙醇。
[0005]雖然上述專(zhuān)利文獻(xiàn)均利用廢棄纖維素類(lèi)資源來(lái)生產(chǎn)乙醇，但是酒精的轉(zhuǎn)化率較低。目前，直接利用農(nóng)作物秸桿發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶液，進(jìn)而酶解玉米秸、麥秸、高粱桔固態(tài)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的工藝還未見(jiàn)有報(bào)道，主要是乙醇轉(zhuǎn)化率低無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用農(nóng)作物秸桿固態(tài)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精的方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]利用農(nóng)作物秸桿固態(tài)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精的方法，包括如下步驟:
[0009](I)將纖維素酶產(chǎn)生菌的液體種子經(jīng)產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)，制得含有纖維素酶和β -葡萄糖苷酶的發(fā)酵液；
[0010](2)將富含纖維素的作物廢料經(jīng)粉碎，然后滅菌，制得原料粉；
[0011](3)向步驟(2)制得的原料粉中加入步驟(I)制得的發(fā)酵液、酒精酵母和硫酸銅，混合均勻；發(fā)酵液加入量按每克原料粉干重加入8?15IU纖維素酶的比例，酒精酵母加入量為原料粉干重的0.0l?0.03%，硫酸銅加入量為原料粉干重的0.01?0.03% ;
[0012]然后，在溫度28°C?35°C，pH值4?5的厭氧條件下，固態(tài)同步糖化發(fā)酵6?7天，待發(fā)酵酒醅酒精濃度達(dá)到體積百分比7 %以上，制得淡酒精；(50度以?xún)?nèi)的酒精稱(chēng)淡酒精)
[0013](4)將步驟(3)制得的淡酒精經(jīng)蒸餾、脫水，制得95%或無(wú)水酒精。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中纖維素酶產(chǎn)生菌為產(chǎn)纖維素酶的擬康氏木霉(Trichoderma Pseudokoningii)菌株；進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟(I)中纖維素酶產(chǎn)生菌為擬康氏木霉(Trichoderma Pseudokoningii)CGMCC No:3.3002。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本申請(qǐng)的原理及啟示選擇其他產(chǎn)纖維素酶的菌株進(jìn)行替換。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中纖維素酶產(chǎn)生菌的液體種子，采用如下方法制備:
[0016](i)將纖維素酶產(chǎn)生菌接種于斜面培養(yǎng)基上，在28°C?33°C的條件下，培養(yǎng)4?5天，制得活化菌體；
[0017]所述的斜面培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0018]20%麩皮水1000ml，20g瓊脂，水定容至IL ；
[0019](ii)將步驟(i)制得的活化菌體接種于液體增殖培養(yǎng)基中，在28°C?33°C、60?80rpm的條件下，搖瓶培養(yǎng)50?70h，制得初級(jí)種子；
[0020](iii)將步驟(ii)制得的初級(jí)種子接種于液體增殖培養(yǎng)基中，在28°C?33°C、罐壓0.5Kg/cm2、以發(fā)酵液體積m3/空氣體積m3.分鐘計(jì)1: (0.4?1.0)的通氣量的條件下，擴(kuò)大培養(yǎng)50?70h，制得菌體數(shù)為1.0-1.2X106cfu/ml液體種子；
[0021 ] 上述液體增殖培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0022]秸桿粉10g、麩皮20g、蛋白胨3g、硫酸銨2g，水定容至1L。所述秸桿粉為粉碎至過(guò)20目篩的玉米秸粉、麥秸粉、高粱桔粉或它們的混合粉。
[0023]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的，所述步驟(iii)中的接種量為5?10% (體積百分比)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)的條件為:在28°C?33°C、罐壓
0.5?0.8kg/cm2，以發(fā)酵液體積m3/空氣體積m3.分鐘計(jì)1: (0.6?1.0)的通氣量的條件下，在產(chǎn)酶培養(yǎng)基中發(fā)酵培養(yǎng)80?136小時(shí)；
[0025]所述的產(chǎn)酶培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0026]秸桿粉20?50g、麩皮20?50g、微晶纖維4?8g、硫酸銨2?5g，KH2PO4 2?4g，MgSO4 0.4 ?0.6g，水定容至 1L，pH 5.0 ?6.0。
[0027]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的產(chǎn)酶培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0028]秸桿粉20g、麩皮30g、微晶纖維5?7g、硫酸銨3?4g，KH2PO4 3?4g，MgSO4
0.5 ?0.6g，水定容至 1L，pH 5.4 ?5.8。
[0029]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的通氣量為1:0.8 ;培養(yǎng)溫度為30°C?33°C。
[0030]根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的在產(chǎn)酶培養(yǎng)基中發(fā)酵培養(yǎng)時(shí)間為100?136小時(shí)。
[0031]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(3)中固態(tài)同步糖化發(fā)酵溫度為30°C?33°C。
[0032]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(3)中固態(tài)同步糖化發(fā)酵pH值為4.3?4.8;最優(yōu)選為4.5?4.6。
[0033]有益效果
[0034]1、本發(fā)明首次在同步糖化發(fā)酵工藝中加入了硫酸銅，硫酸銅的加入大幅提高了纖維素的轉(zhuǎn)化率，克服了糖類(lèi)及其它產(chǎn)物對(duì)纖維素酶的抑制作用，從而簡(jiǎn)化了先糖化后發(fā)酵的復(fù)雜工藝，使糖化發(fā)酵一步實(shí)施成為可能。
[0035]2、本發(fā)明采用富含纖維素的作物廢料一玉米秸、麥秸、高粱秸作為原料，改變了現(xiàn)有此類(lèi)廢料的利用方式，避免了其隨意處理對(duì)環(huán)境造成的污染。
[0036]3、本發(fā)明所述方法，不需對(duì)原料進(jìn)行物理、化學(xué)方法處理，大大減少了能耗和污水的排放，且原料便于集中和收集，價(jià)格低廉，纖維素酒精生產(chǎn)工藝中的酶、酵母、催化劑均為常用產(chǎn)品，降低了生產(chǎn)成本。
[0037]3、本發(fā)明的方法采用的擬康氏木霉(Trichoderma Pseudokoningii) CGMCCNo3.3002，液體深層發(fā)酵，生產(chǎn)穩(wěn)定性高，便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。纖維素酶發(fā)酵液直接與玉米秸、麥秸、高粱秸混合分解形成糖，無(wú)廢水廢渣排放。同時(shí)省掉了纖維素酶的提取，包裝運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，大大降低了生產(chǎn)成本。
[0038]4、酒精發(fā)酵采用了固態(tài)發(fā)酵工藝解決了液態(tài)深層發(fā)酵的秸桿吸水性強(qiáng)，體積大、可利用物質(zhì)少，發(fā)酵醪液酒精濃度低，提取時(shí)耗能高，提高了發(fā)酵酒醅的酒精濃度，降低了后提取工藝的生產(chǎn)成本。
[0039]5、本發(fā)明利用富含纖維素的作物廢料，通過(guò)液體深層發(fā)酵生產(chǎn)高活性纖維素酶液，進(jìn)而酶解所述玉米秸、麥秸、高粱秸制得纖維素酒精；制得酒精原料出酒率達(dá)15%以上，生產(chǎn)成本低于糧食酒精，發(fā)酵后的廢渣可經(jīng)二次發(fā)酵生產(chǎn)蛋白飼料，無(wú)廢渣排放。實(shí)現(xiàn)了將農(nóng)業(yè)廢纖維物質(zhì)變廢為寶，同時(shí)還解決了環(huán)境污染問(wèn)題，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明所保護(hù)范圍不限于此。
[0041]菌種來(lái)源:
[0042]實(shí)施例1-3所述的纖維素酶產(chǎn)生菌為擬康氏木霉(TrichodermaPseudokoningii)，來(lái)源于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心(CGMCC)，菌種編號(hào):CGMCC No:3.3002。
[0043]實(shí)施例4所述的纖維素酶產(chǎn)生菌為里氏木霉(trichoderma reesei)，來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心(ACCC)，菌種編號(hào):ACCC N0:30449。
[0044]20%麩皮水:將水與其質(zhì)量20%的麩皮按比例混合，煮沸30min，冷卻制得。
[0045]實(shí)施例1
[0046]利用農(nóng)作物秸桿固態(tài)同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)酒精的方法，包括如下步驟:
[0047](I)將纖維素酶產(chǎn)生菌的液體種子經(jīng)產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)，制得含有纖維素酶和β -葡萄糖苷酶的發(fā)酵液；
[0048]所述步驟(I)中纖維素酶產(chǎn)生菌的液體種子，采用如下方法制備:
[0049]⑴將纖維素酶產(chǎn)生菌接種于斜面培養(yǎng)基上，在30°C的條件下，培養(yǎng)5天，制得活化菌體；
[0050]所述的斜面培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0051]100ml 20%麩皮水，20g瓊脂，水定容至IL ;
[0052](ii)將步驟⑴制得的活化菌體接種于液體增殖培養(yǎng)基中，在30°C、70rpm的條件下，搖瓶培養(yǎng)50h，制得初級(jí)種子；
[0053](iii)將步驟(ii)制得的初級(jí)種子按8%的體積比接種于液體增殖培養(yǎng)基中，在30°C、罐壓0.5Kg/cm2、以發(fā)酵液體積m3/空氣體積m3.分鐘計(jì)1: 0.8的通氣量的條件下，擴(kuò)大培養(yǎng)70h，制得菌體數(shù)為1.2X106cfu/ml的液體種子；
[0054]上述液體殖培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0055]稻桿粉10g、麩皮20g、蛋白胨3g、硫酸錢(qián)2g，水定容至1L。所述稻桿粉為粉碎至過(guò)20目篩的玉米秸粉；
[0056]所述步驟⑴中產(chǎn)酶發(fā)酵培養(yǎng)的條件為:在30°C、罐壓0.6kg/cm2，以發(fā)酵液體積m3/空氣體積m3.分鐘計(jì)1:0.8的通氣量的條件下，在產(chǎn)酶培養(yǎng)基中發(fā)酵培養(yǎng)106小時(shí)；
[0057]所述的產(chǎn)酶培養(yǎng)基，每升組分如下:
[0058]秸桿粉30g、麩皮30g、微晶纖維6g、硫酸銨4g，KH2PO4 3g，MgSO4 0.5g，水定容至1L，pH 5.5o
[0059](2)將玉米秸桿經(jīng)粉碎，過(guò)20目篩，然后蒸煮滅菌，制得原料粉；
[0060](3)向步驟(2)制得的原料粉中加入步驟(I)制得的發(fā)酵液、酒精酵母和硫酸銅，混合均勻；發(fā)酵液加入量按每克原料粉干重加入1IU纖維素酶的比例，酒精酵母加入量為原料粉干重的0.02%，硫酸銅加入量為原料粉干重的0.02% ;
[0061]然后，在溫度32°C，pH值4.5的厭氧條件下，固態(tài)同步糖化發(fā)酵6天，待發(fā)酵酒醅酒精濃度達(dá)到體積百分比7%以上，制得淡酒精；
[0062](4)將步驟(3)制得的淡酒精經(jīng)蒸餾、脫水，制得酒精。
[0063]經(jīng)檢測(cè)，每噸原料能產(chǎn)生酒精150公斤，得率為90%。
[0064]實(shí)施例2<