汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利用的方法

专利名称：汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利用的方法
技术领域：
本发明属于木薯资源综合利用，特别涉及一种汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利
用的方法。
背景技术：
木薯，别名木番薯、树薯，是世界三大薯类(马玲薯、甘薯、木薯)之一。在我国大 多省份普遍栽培，种植面积约有930万公顷，每年全国总产量约4. 5亿吨，木薯的块根可作 为食物、饲料及工业原料。但是，由于中国木薯的主产区多是贫困、干旱山区，交通不便，加 工滞后，因而增产容易增值难，通常是人吃1/3，饲料用1/3，烂掉1/3。加工业也多为消化过 剩木薯的作坊加工，产品多为粗制淀粉、粉丝、粉条等初级产品，致使木薯的利用价值不高， 价格较低。新鲜木薯的淀粉含量达到15_20%，可部分替代玉米、小麦等粮食作物成为生产 乙醇的淀粉质原料。 按照传统的方法，用来发酵生产乙醇的淀粉类原料要经过高温或低温蒸煮、糊化、 液化，再进行糖化等步骤，最后才能进行乙醇发酵，其中原料的蒸煮所耗能量占乙醇生产能 耗的30-40%。 利用木薯淀粉，发酵酒精后剩余大量的酒精糟，这些木薯酒精糟可作为饲料或生 产饲料的原料利用，但按照传统的方法得到的酒精糟水分大，营养价值低，利用困难，夏其 伟等在"利用木薯酒精糟生产生物饲料的方法"中也提到了这一点。所以，只有很少部分的 酒精糟直接出售给农户做粗饲料或肥料，大部分被视为废物被丢弃。 另外由于木薯块根、茎叶各部分均含有亚麻苦苷，即氰苷(Linamarin)。当氰苷进 人人畜体内后，可被水解为有剧毒的氢氰酸(HCN)，使组织细胞窒息中毒。据李永报道氢氰 酸对人的致死量是60mg(李永，侯学敏.氢化物的中毒机理检测及预防[J].山东食品科 技，2002， 12 :26,29)，当空气中的氢氰酸含量达到0. 3mg/L时可立即引起死亡，因此，木薯
或木薯酒精糟如果得不到资源化的综合利用，不仅浪费资源，而且还可能严重威胁社会安 全。涉及到木薯氰化物含量的国家标准中，《蒸馏酒及制酒的卫生标准》(GB 2757-81)规定 以木薯为原料，氰化物含量《5mg/L ;中华人民共和国农业行业标准《食用木薯淀粉》中规 定氢氰酸含量《10mg/kg ;在DB35/562-2008Z猪禽用饲料安全质量要求中饲料中氰化物的 含量《50mg/kg。由此，木薯资源的综合利用非常有必要，且利用过程中对氰化物的降解或 去除也非常重要。 为了降低淀粉质原料蒸煮的能耗，专利(200610114729. 7)公开了对葛根汽爆预 处理后发酵燃料乙醇的方法、专利(200810102980.0)汽爆红薯直接发酵生产燃料乙醇的 方法，虽然葛根、红薯与木薯都为淀粉质原料，但三者除含淀粉以外，还含有其他的成分，如 葛根淀粉结构结合有异黄酮，而木薯淀粉中结合有氰苷结构，粗纤维、脂类等物质在葛根、 红薯与木薯中的含量也差异非常的大，由此，三者淀粉的物理、化学性质完全不同，导致整 个物料性质也完全不一样，因此，同样的汽爆条件，三者处理后得到的物料性质也完全不 同。
针对这不同的原料，同样是用汽爆预处理，达到的目的也不完全一样。葛根的汽爆预处理，不仅要考虑葛根淀粉的糊化、液化，而且要保证活性成分异黄酮的活性；红薯的汽爆预处理，是针对红薯淀粉的物理、化学性质，研究汽爆条件对红薯淀粉的影响；而木薯的汽爆预处理，不仅要根据木薯淀粉的性质，考虑汽爆条件与木薯淀粉糊化、液化的关系，更要保证此汽爆条件下木薯中氰化物的尽量去除，解除木薯产品中氰化物的毒害作用，提高后续资源的利用率。 另外，汽爆过程是复杂的物理、化学相互作用的过程，汽爆处理过程中的汽爆压力与维压时间对物料的影响很大，处理后得到的物料组分、结构、物理性能等方面差异显著。因此，针对木薯原料的特性，，需要研究相应的汽爆预处理条件对木薯淀粉、氰化物的影响，达到综合利用的目标。

发明内容
本发明的目的是提供一种汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利用的方法，该方法将汽爆技术应用于木薯预处理，一方面，在汽爆预处理的高温水蒸汽作用下，木薯原料中的氰苷转化为可挥发性的氢氰酸被挥发，解除了木薯产品中氰化物的毒害作用，提高了后续资源的利用率；另一方面，采用汽爆预处理后的木薯可直接发酵生产乙醇，大大降低了木薯粉碎和淀粉的蒸煮、液化的能耗；固态发酵，使发酵醪中水分含量大大降低，从而提高发酵醪中乙醇浓度，降低蒸馏能耗，减少后续废水的处理，并解决了按照传统的发酵方法得到的木薯酒精糟水分大，营养价值低，利用困难等问题，降低生产成本，有利于木薯的综合利用。
本发明的技术方案如下 本发明提供的汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利用的方法，其包括以下步骤l)对木薯进行蒸汽爆破处理；2)对汽爆后的木薯进行糖化和发酵；3)收集发酵产生的乙醇。
本发明的蒸汽爆破处理是在汽爆罐中在0. 3 1. 2MPa的蒸汽压力下进行1 7min。 在本发明的一个方面中，将汽爆后的木薯按每克干汽爆木薯加入120 140U的比
例加入糖化酶，在50 6(TC水浴保温糖化20 60min ;然后，加入硫酸铵、磷酸二氢钾和活
化后的酵母，在30 35t:条件下发酵40 60h，蒸馏收集发酵产生的乙醇。 所述硫酸铵的加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 25g硫酸铵； 所述磷酸二氢钾的加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 25g磷酸二氢钾； 所述酵母的加入量为；每100克木薯加入0. 05 0. 35g活性干酵母。 在本发明的另一个方面中，向汽爆后的木薯，加入糖化酶、(NH4)2S04、KH2P04和活化
后的酵母，在30 35t:条件下发酵40 60h，蒸馏收集发酵产生的乙醇。 所述糖化酶的加入量为每克木薯加入100 200U糖化酶；所述(NH4)2S04的加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 25g(NH4)2S04 ; 所述KH2P04的加入量为每100克木薯加入0. 10 0. 35g KH2P04 ; 所述酵母的加入量为；每100克木薯加入0. 10 0. 35g活性干酵母。 本发明的有益效果为 (1)汽爆预处理过程中，在高温水蒸汽的作用下，木薯原料中的氰苷转化为可挥发性的氢氰酸被挥发，解除了木薯产品中氰化物的毒害作用，提高后续资源的利用率；
(2)采用低压蒸汽爆破处理后的木薯可直接发酵生产乙醇，解决了木薯淀粉发酵乙醇前需要消耗大量能量用于木薯粉碎和淀粉的蒸煮、液化的问题； (3)采用蒸汽爆破技术对木薯进行预处理，由于蒸汽爆破的热机械化学作用，使植
物组织的细胞壁破裂，使木薯淀粉糊化率提高，有利于糖化过程的进行。
(4)本发明将蒸汽爆破处理的木薯固态发酵，使发酵醪中水分含量大大降低，从而
提高发酵醪中乙醇浓度，降低蒸馏能耗，减少后续废水的处理，降低生产成本，解决了按照
传统的方法得到的木薯酒精糟水分大，营养价值低，利用困难等问题，有利于木薯的综合利用。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。 本发明实施例中使用的糖化酶由北京东华强盛生物技术有限公司生产，酵母是由湖北宜昌安琪酵母股份有限公司生产的发酵用活性干酵母。 本发明实施例中使用的木薯100g干木薯含淀粉量为54.2g，氰化物含量为105.8mg/kg， 实施例1 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0. 5Mpa下处理5. 5分钟；在处理后的料中，加入糖化酶(120U/g汽爆干料)，在6(TC水浴保温糖化40min后，冷却至3(TC，紫外灭菌20min。以相对于汽爆木薯的质量百分比计，加入0. 1%硫酸铵、0. 15%磷酸二氢钾以及0. 10%活化后的酵母、之后在3(TC条件下发酵42h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为8. 09% ;发酵渣中氰化物的含量5. 31mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。
实施例2 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0.6Mpa下处理4分钟；在处理后的料中，加入糖化酶(170U/g汽爆干料)，在55t:水浴保温糖化60min后，冷却至32t:，紫外灭菌15min。以相对于汽爆木薯的质量百分比计，加入0. 15%硫酸铵、0. 05%磷酸二氢钾以及0. 25%活化后的酵母、之后在32t:条件下发酵54h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为9. 10% ;发酵渣中氰化物的含量2. 79mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。
实施例3 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0. 7Mpa下处理3分钟；在处理后的料中，加入糖化酶(160U/g汽爆干料)，在5『C水浴保温糖化40min后，冷却至35t:，紫外灭菌18min。以相对于汽爆木薯的质量百分比计，加入0. 05%硫酸铵、0. 25%磷酸二氢钾以及0. 30%活化后的酵母、之后在35t:条件下发酵48h，蒸馏收集乙醇蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为11.25% ;发酵渣中氰化物的含量3. 15mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。
实施例4 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0.8Mpa下处理2. 5分钟；在处理后的料中，加入糖化酶(150U/g汽爆干料)，在6(TC水浴保温糖化50min后，冷却至34t:左右，紫外灭菌20min。以相对于汽爆木薯的质量百分比计，加入0. 25 %硫酸铵、0. 15%磷酸二氢钾以及0. 35X活化后的酵母、之后在34t:条件下发酵60h，蒸馏收集乙醇蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为10. 54% ;发酵渣中氰化物的含量3. 05mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量
5《50mg/kg。 实施例5 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力l.OMpa下处理2. 0分钟；在处理后的料中，加入糖化酶(140U/g汽爆干料)，在57t:水浴保温糖化30min后，冷却至35t:，紫外灭菌15min。以相对于汽爆木薯的质量百分比计，加入0. 1%硫酸铵、
0. 1%磷酸二氢钾以及0. 20%活化后的酵母、之后在35t:条件下发酵50h，蒸馏收集乙醇蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为11.01% ;发酵渣中氰化物的含量
2. 58mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。
实施例6 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力1.2Mpa下处理
1. 0分钟；在处理后的料中，加入糖化酶(130U/g汽爆干料)，在58t:水浴保温糖化20min后，冷却至35t:，紫外灭菌18min。以相对于汽爆木薯的质量百分比计，加入0. 15%硫酸铵、0. 1%磷酸二氢钾以及0. 15%活化后的酵母、之后在35t:条件下发酵60h，蒸馏收集乙醇蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为11. 27% ;发酵渣中未检测到氰化物，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。 实施例7 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0. 3Mpa下处理7分钟；在汽爆木薯冷却到室温后，紫外灭菌20min ;在处理后的汽爆料中，加入糖化酶(100U/g汽爆干料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化后的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化后的酵母与汽爆木薯的质量百分比分别为O. 10%、0. 10%及0. 10%;之后在3(TC条件下发酵60h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为8. 15% ;发酵渣中氰化物的含量6. 05mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。 实施例8 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0. 6Mpa下处理4分钟；在汽爆木薯冷却到室温后，紫外灭菌20min ;在处理好的汽爆料中，加入糖化酶(120U/g汽爆干料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化后的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化后的酵母与汽爆木薯的质量百分比分别为0. 05%、0. 10%及0. 25% ;之后在32t:条件下发酵54h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为9. 52% ;发酵渣中氰化物的含量3. 74mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。 实施例9 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0. 7Mpa下处理
3. 5分钟；在汽爆木薯冷却到室温后，紫外灭菌20min ;在处理后的汽爆料中，加入糖化酶(謹/g汽爆干料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化后的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化后的酵母与汽爆木薯的质量百分比分别为0. 15%、0. 05%及0. 35% ;之后在35t:条件下发酵48h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为12. 55% ;发酵渣中氰化物的含量2. 19mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。 实施例10 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力0.8Mpa下处理
2. 5分钟；在汽爆木薯冷却到室温后，紫外灭菌20min ;在处理后的汽爆料中，加入糖化酶(200U/g汽爆干料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化后的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化后的酵母与汽爆木薯的质量百分比分别为0. 15%、0. 25%及0. 25% ;之后在34t:条件下发酵60h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为12. 19% ;发酵渣中氰化物的含量3. 11mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。 实施例11 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力l.OMpa下处理3. 0分钟；在汽爆木薯冷却到室温后，紫外灭菌20min ;在处理后的汽爆料中，加入糖化酶(腦/g汽爆干料)，加入(NH4)2S04、 KH2P04以及活化后的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化后的酵母与汽爆木薯的质量百分比分别为0. 25%、0. 10%及0. 20% ;之后在35t:条件下发酵60h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为11.99% ;发酵渣中氰化物的含量2. 13mg/kg，低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。 实施例12 :取木薯500g，切成小块，投入汽爆罐中，在水蒸汽压力1.2Mpa下处理1. 5分钟；在汽爆木薯冷却到室温后，紫外灭菌20min ;在处理后的汽爆料中，加入糖化酶(150U/g汽爆干料)，加入(NH4)2S04、KH2P04以及活化后的酵母，(NH4)2S04、 KH2P04及活化后的酵母与汽爆木薯的质量百分比分别为0. 15%、0. 15%及0. 15% ;之后在35t:条件下发酵60h，蒸馏收集乙醇，用酒精计测定蒸馏得到的酒精，酒精度为11.82% ;发酵渣中没检测到氰化物，远远低于木薯淀粉氰化物含量标准《10mg/kg，以及饲料中氰化物含量《50mg/kg。
权利要求
一种汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利用的方法，其包括以下步骤1)对木薯进行蒸汽爆破预处理；2)对汽爆后的木薯进行糖化和固态发酵；3)收集发酵产生的乙醇。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤1)在汽爆罐中在蒸汽压力0. 3 1. 2MPa的 条件下进行1 7min。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤2)中，在对汽爆后的木薯进行糖化后固态 发酵。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中按每克干汽爆木薯加入120 170U的比例加入糖 化酶，在50 6(TC水浴保温糖化20 60min ;然后，加入硫酸铵、磷酸二氢钾和活化后的酵 母，在30 35t:条件下发酵40 60h，其中硫酸铵的加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 25g硫酸铵，磷酸二氢钾的加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 25g磷酸二氢钾，酵母的 加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 35g酵母。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤2)中对汽爆后的木薯进行同步糖化固态发酵。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中在步骤2)中加入糖化酶、(NH4)2S04、KH2P04和活化 后的酵母。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中按每克干汽爆木薯加入100 200U的比例加入糖 化酶，(NH4)2S04的加入量为每100克木薯加入0. 05 0. 25g(NH4)2S04， KH2P04的加入量为 每100克木薯加入0. 10 0. 35gKH2P04，酵母的加入量为每100克木薯加入0. 10 0. 35g 酵母，并且在30 35°C的条件下发酵40 60h。
8. 根据权利要求1所述的方法，固态发酵渣可作为饲料、肥料或饲料、肥料的原料使用。
全文摘要
本发明公开了一种汽爆木薯固态发酵乙醇及其综合利用的方法，该方法将汽爆技术应用于木薯预处理，一方面，在汽爆预处理的高温水蒸汽作用下，木薯原料中的氰苷转化为可挥发性的氢氰酸被挥发，解除了木薯产品中氰化物的毒害作用，提高了后续资源的利用率；另一方面，采用汽爆预处理后的木薯可直接发酵生产乙醇，大大降低了木薯粉碎和淀粉的蒸煮、液化的能耗；固态发酵，使发酵醪中水分含量大大降低，从而提高发酵醪中乙醇浓度，降低蒸馏能耗，减少后续废水的处理，并解决了按照传统的发酵方法得到的木薯酒精糟水分大，营养价值低，利用困难等问题，降低生产成本，有利于木薯的综合利用。
文档编号A23K1/00GK101768606SQ20101011371
公开日2010年7月7日 申请日期2010年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者付小果, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所