专利名称：以甘薯为原料发酵生产高浓度乙醇的方法
技术领域：
本发明属于微生物发酵工程技术领域，具体涉及一种以鲜甘薯为原料带渣发酵生 产高浓度乙醇的方法。
背景技术：
随着能源危机的到来，利用可再生资源发酵生产乙醇，作为生物能源来代替或部 分代替石油被提上了日程。燃料乙醇作为清洁能源，在日益重视环保的今天，更是倍受关 注。而目前，由于生产水平不高，燃料乙醇在市场上推广还需要国家财政和政策补贴，但是 靠国家补贴终究不是长久之计，必须切实地降低燃料乙醇生产成本，以提高其市场竞争力。原料成本占乙醇生产成本的一半以上，我国是一个人口大国，燃料乙醇生产原料 的选择应以“不与人争粮、不与粮争地”为原则。根据我国国情，发展木薯、甘薯、芭蕉芋、甜 高粱等非粮作物生产燃料乙醇是最有前途的方向。甘薯是一种富含淀粉的块根作物，而且 我国是世界上最大的甘薯生产国，甘薯价格低廉，以其为原料生产燃料乙醇可以降低生产 成本。由于甘薯含有较多的果胶和纤维，原料液化后粘度仍然很大(可达10万mPa -S)， 为减少搅拌过程的能耗，采用了糖化后固液分离、清液接种发酵工艺，其固体中所含糖份不 能得到充分利用，而且操作繁琐，反而增加了乙醇生产成本。由于我国是主要的甘薯生产国，世界其它国家甘薯产量总和仅占世界总产量的 14%，因此，国外对甘薯乙醇生产研究很少，国内已有的乙醇生产技术水平较低。酒精厂以 鲜甘薯为原料，发酵得到的乙醇浓度仅有5% 7%，发酵时间高达50h以上，平均乙醇生产 速度仅有1. Og Π—1左右，生产技术能耗高，废水多，COD负荷大。需要开发高浓度乙醇发 酵(Very High Gravity，简称VHG)技术来降低拌料水耗、提高单位设备的生产率和利用率， 增加单位体积醪液中的乙醇，以降低蒸煮、发酵、蒸馏和DDGS浓缩干燥过程的能耗，从而降 低乙醇生产成本。甘薯原料季节性强，收获时间比较集中，含水量大，保藏很困难。腐烂后黏度大、输 送困难，还会产生许多抑制发酵的成分，淀粉损耗更是惊人。因此需要一种更优的发酵工 艺，在追求高浓度乙醇的同时，缩短发酵时间，以便在收获季节快速利用鲜甘薯发酵生产乙 醇，进一步降低生产成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有高浓度乙醇发酵工艺的不足，发明一种以甘薯带渣全原 料为底物快速发酵生产高浓度乙醇的新方法，以降低乙醇生产成本。本发明的目的是这样实现的鲜甘薯洗净打浆，加水拌料使初始糖浓度为270 310g 1^1，75 801低温蒸煮101^11，按照12( 冊kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化10 20min,至碘反应为红棕色。用NaOH或HCl将发酵醪PH调至5. 5 6. 0，再按每IOOmL发酵 培养基(甘薯浆原料)中加入0. 5 1. OmL复合预处理酶溶液，以降低发酵醪粘度，并为糖化酶作用提供有利环境。按IOOmL发酵培养基加入8 12mL种子液接种，同时按160AGU kg"1淀粉加入糖化酶，同步糖化发酵以降低高浓度底物抑制。经28 35°C、振荡或搅拌转 速为100 500r/min发酵28 40h，发酵液中乙醇的体积比浓度达16% 18. 5%。本发明中复合预处理酶为含有复合果胶酶、纤维素酶和木聚糖酶的溶液。其配制 方法为5 15g复合果胶酶、5 15g纤维素酶、5 15g木聚糖酶加水配制成IOOmL的溶 液。本发明的工艺步骤为1.发酵原料的制备(发酵培养基的制备)鲜甘薯洗净打浆，加水拌料使初始糖浓 度为270g kg—1 310g kg—1，低温蒸煮，按照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，液化15 30min,至碘反应为红棕色，再按每IOOmL发酵培养基(甘薯浆原料)中加入0. 5 1. OmL 复合预处理酶溶液。2.种子液的制备从保存酿酒酵母菌种的麦芽汁斜面培养基或YEPD斜面培养基 上挑取一铲酵母菌接种到YPD液体培养基中，25 35°C，100 300r/min摇床通风培养 14 18h。3.发酵按IOOmL发酵培养基加入8 12mL种子液，同时按160AGU kg—1淀粉加 入糖化酶，在温度为28 35°C，转速为100 500r/min振荡或搅拌下发酵，优选发酵温度 为30 33°C，优选转速为100 300r/min，经28 40h发酵结束。发酵结束后，测量发酵液中最终乙醇浓度为16% 18.5% (20°C，体积比浓度)， 发酵效率大于90%。本发明的优点如下(1)与传统的清液发酵不同，本发明采用甘薯全原料带渣发酵，不需要固液分离的 步骤，减化了发酵工序。(2)本发明由于是高浓度乙醇发酵，底物浓度较高，所以可以减少拌料水耗。(3)本发明采用能耗较低的低温蒸煮工艺，同时，由于增加了单位体积醪液中的乙 醇，发酵、蒸馏和DDGS浓缩干燥过程的能耗又得以进一步降低。(5)本发明所涉及的复合预处理酶，成本低，添加方便。添加少量即可降低发酵醪 粘度，减少搅拌过程能耗。并通过水解包裹淀粉的甘薯组织，使糖化酶与淀粉分子充分接 触，为糖化酶的作用提供有利环境。(6)采用同步糖化发酵方式，使发酵醪中的糖逐渐释放，降低高浓度糖产生的渗透 压，降低底物抑制。该发明工艺简单，可操作性强，发酵速度快，最终乙醇浓度高，发酵效率高，残糖 低。能有效地降低乙醇生产成本，具有良好的经济效益。
具体实施例方式材料选择甘薯产于四川省南充市，选择淀粉含量高、无腐烂、无病虫害的新鲜甘薯。α -淀粉酶Liquozyme Supra,购自诺维信公司。标准酶活力为90KNU · g—1，KNU 为诺维信液化酶的专有单位，IKNU是指在37°C，pH 5. 6时，每小时水解5. 26克淀粉的酶量。糖化酶=Suhong GAII，购自诺维信公司。标准酶活500AGU ml—1。A⑶为诺维信液化酶的专有单位，IAGU是指在25°C、pH 4. 3、反应时间30分钟条件下，每分钟水解1微克分
子麦芽糖所需的酶量。复合果胶酶为成都科龙化工试剂厂产品。纤维素酶长柄木霉代谢生产的固体粉末。酶活定义为Ig酶粉于50°C、pH4.8条 件下，Imin水解底物(滤纸、CMC、脱脂棉或水杨素)产生1 μ g葡萄糖的酶量为1个酶活力单位。木聚糖酶(EC. 3. 2. 1.8)由棒曲霉(Aspergi Lus Clavatus)的变异菌株经深层 发酵培养，低温干燥而成的产品。标准酶活为10000-30000单位/克，酶活定义为在50°C， pH4. 8，保温30分钟条件下，一分钟水解木聚糖溶液生成1 μ mol木糖所需酶量，规定为 1个活力单位，以μπιο /min表示。酵母菌种Saccharomyces cerevisiae SY-1 保藏号为 CCTCC M 206111。对照例(不加复合预处理酶):将新鲜甘薯打浆，按照一定比例加水，使总糖浓度为270g kg—1，80°C蒸煮lOmin，按 照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化lOmin，装IOOg发酵醪于250ml三角瓶中， 添加leOAGUkg—1淀粉的糖化酶，接种酵母种子液10mL，30°C、振荡200r/min，发酵时间36h， 乙醇浓度90. 34g kg—1，发酵效率65. 15%，乙醇生产速度2. 51g · kg—1 · h-1。本发明实施例(添加复合预处理酶):实施例1 将新鲜甘薯打浆，按照一定比例加水，使总糖浓度为270g kg^SCrC蒸 煮lOmin，按照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化15min，装IOOmL发酵醪于250ml 三角瓶中，添加复合预处理酶溶液0. 5mL，接种酵母种子液10mL，同时添加leOAGUkg—1淀粉 的糖化酶，30°C、振荡200r/min，发酵时间36h，乙醇浓度128. 72g kg—1，发酵效率90. 03%, 乙醇生产速度3. 58g · kg"1 .h—1。实施例2 培养基同实施例1，添加复合预处理酶溶液lmL，发酵时间28h，乙醇浓度 132. 91g kg—1，发酵效率 91. 44%，乙醇生产速度 4. 74g · kg—1 · h-1。实施例3 将新鲜甘薯打浆，按照一定比例加水，使总糖浓度为300g kg^SCrC蒸 煮lOmin，按照120KNU kg—1淀粉添加α -淀粉酶，80°C液化15min，装IOOmL发酵醪于250ml 三角瓶中，添加复合预处理酶溶液lmL，接种酵母种子液10mL，同时添加leOAGUkg—1淀粉的 糖化酶，31°C、振荡240r/min，发酵时间39h，乙醇浓度146. 33g kg—1，发酵效率90. 42%，乙 醇生产速度达3. 75g · kg—1 · h-1。实施例4 将新鲜甘薯打浆，经液化酶液化，按照一定比例加水，使总糖浓度为 270g kg—1，装6L发酵醪于10L发酵罐中，添加复合预处理酶溶液60mL，接种酵母660mL，同时 添加leOAGUkg—1淀粉的糖化酶，32°C、搅拌lOOr/min，发酵时间28h，乙醇浓度137. Ilg kg—1， 发酵效率90. 53%，乙醇生产速度4. 70g · kg—1 · h—1。
权利要求
以甘薯为原料发酵生产高浓度乙醇的方法，包括发酵原料制备、种子液制备和发酵三个步骤，其特征是在发酵原料制备工艺中，添加复合预处理酶溶液。
2.根据权利要求1所述的以甘薯为原料发酵生产高浓度乙醇的方法，其特征是所述 复合预处理酶溶液为含有复合果胶酶、纤维素酶和木聚糖酶的溶液。
3.根据根据权利要求1所述的以甘薯为原料发酵生产高浓度乙醇的方法，其特征是 所述复合预处理酶溶液的配制方法为将5 15g复合果胶酶、5 15g纤维素酶、5 15g 木聚糖酶加水配制成100mL的溶液。
4.根据权利要求1所述的以甘薯为原料发酵生产高浓度乙醇的方法，其特征是发酵 原料制备的工艺是鲜甘薯打浆后加水，使初始糖浓度为270 310g kg"1, 75 85°C低温 蒸煮lOmin，按照120KNU kg—1淀粉添加a -淀粉酶，80°C液化15 30min，至碘反应为红棕 色，再按每lOOmL发酵培养基中加入0. 5 1. OmL复合预处理酶溶液。
5.根据权利要求1所述的以甘薯为原料发酵生产乙醇的方法，其特征是种子液的制 备工艺为从保存酿酒酵母菌种的麦芽汁斜面培养基或YEPD斜面培养基上挑取一铲酵母 菌接种到YPD液体培养基中，25 35°C，100 300r/min摇床通风培养14 18h。
6.根据权利要求1所述的以甘薯为原料发酵生产乙醇的方法，其特征是发酵工艺为 按100mL发酵培养基加入8 12mL种子液，同时按160AGU kg-1淀粉加入糖化酶，在温度 为28 35°C，转速为100 500r/min振荡或搅拌下发酵，优选发酵温度为30 33°C，优 选转速为100 300r/min，经28 40h发酵结束。
全文摘要
本发明属于微生物发酵工程技术领域，具体涉及一种以鲜甘薯为原料带渣发酵生产高浓度乙醇的方法。本发明方法包括发酵原料制备、种子液制备和发酵三个步骤，在发酵原料制备工艺中，添加含复合果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶的复合预处理酶溶液，经发酵后获得高浓度乙醇。本发明具有工艺简单，可操作性强，发酵速度快，最终乙醇浓度高，发酵效率高，残糖低，有效地降低乙醇生产成本。
文档编号C12P7/06GK101892269SQ200910059369
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者方扬, 赵海, 靳艳玲 申请人:中国科学院成都生物研究所