专利名称：一种以芭蕉芋为原料生产燃料乙醇的方法
技术领域：
本发明属于微生物发酵技术领域，涉及一种以芭蕉芋为原料生产燃料乙醇的方法。
背景技术：
随着石油日益枯竭，环境逐渐恶化，能源的需求与日俱增，而乙醇可以代替或部分代替汽油作为可再生能源。中国是人口大国，考虑到粮食安全和生产成本，芭蕉芋作为非粮能源作物，主要生长在南非、越南、中国西南部等亚热带地区，营养需求低，能在贫瘠的土壤里生长。在中国的贵州黔西南、黔东南、黔南等地生产量为4000-5000kg/亩，其块茎淀粉含量为12-19%，成分较复杂，含有不易被一般酶处理方法水解的纤维素多糖。至今，除了少量用于生产淀粉和粉条以外，没有得到充分的利用和开发。现将芭蕉芋作为生产燃料乙醇的能源作物，不仅能提高其利用价值，而且能缓解能源危机。到目前为止，国外对芭蕉芋的研究主要集中于其淀粉特性，国内陈叶福等(2002 年)以芭蕉芋糖化后固液分离获得的清液进行乙醇发酵，通过正交实验的优化M小时产生74.4(^/1^的乙醇，发酵效率仅83.96% ；吴天祥等(2003年)以半固态浆状芭蕉芋全原料进行乙醇发酵，通过添加惰性固体载体72小时产生68. 64g/kg的乙醇，发酵效率仅 83. 95%;吴天祥等(2005年)以芭蕉芋全原料进行乙醇发酵，通过蒸煮工艺、糖化工艺以及发酵工艺条件的研究，72小时产生73. 38g/kg的乙醇，发酵效率仅83. 18% ；Wu Tianxiang et al(2010)以芭蕉芋原料进行固态边糖化边发酵，通过添加玉米芯和米糠72小时产生 10. 1% (ν/ν)的乙醇；Shen Ying et al(2010)以芭蕉芋糖化清液进行乙醇发酵，通过糖化酶、液化酶、PH、辅料的单因素及正交优化，48小时乙醇产率达到21. 5%。这些报道均以芭蕉芋干粉末为原料，工序复杂且能耗高，并且普遍存在着发酵效率较低和发酵时间较长的现象。要实现工业化生产的关键是简化发酵操作工序，提高发酵效率。因此，需要一种更优的发酵方法，增加原料利用率，简化发酵工序，提高发酵效率，以降低燃料乙醇生产成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有芭蕉芋乙醇发酵时间长，发酵效率低的不足，发明一种以鲜芭蕉芋块茎为原料，经过高效预处理后生产燃料乙醇的方法，以达到部分纤维素多糖与淀粉共同被酵母利用，增加原料利用率，降低发酵醪液粘度，简化发酵工序，提高发酵效率，并且降低燃料乙醇生产成本。本发明所要解决的技术问题可以通过如下工艺单元实现原料调浆；液化；高温处理；预处理；同步糖化发酵。具体工艺如下1.打浆鲜芭蕉芋块茎原料洗净、打浆。2.液化按照90 150KNU/kg淀粉在芭蕉芋发酵醪中添加α -淀粉酶，80 90°C 液化至碘反应为红棕色，冷却至室温后按所需的料水比添加自来水。3.高温处理液化后将芭蕉芋发酵醪在115°C高温下作用20min。
4.预处理温度降低至30 50°C时，每公斤芭蕉芋发酵醪中添加0. 1 0. 15g纤维素酶，50°C作用池。5.同步糖化与发酵按照1. 0 1. 6AUG/g芭蕉芋发酵醪添加糖化酶，在发酵醪中接种酿酒酵母，每IOOg发酵醪中添加0. 06g 0. 09g的尿素或0. IOg 0. 20g的硫酸铵， 200rpm 30°C发酵16_30h。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。所述的α-淀粉酶标准酶活力为90KNU/g，酶活定义为在37°C，pH 5. 6时，每小时水解5. 26克淀粉的酶量为1个KNU。所述的纤维素酶分别购自湖南尤特尔生化有限公司，杰能科生物工程有限公司， 宁夏和氏璧生物技术有限公司。湖南尤特尔生化有限公司纤维素酶是一种绿色木霉菌株经液体深层发酵后提取技术而制备的一种复合纤维素酶，并含有一定的半纤维素酶酶活，标准酶活力为15000IU/g ；杰能科生物工程有限公司GC220是一种里氏木霉经控发酵而制备的一种能改变和分解非淀粉类的碳水化合物、植物纤维素结构的复合酶，标准酶活为IS^ig protein/mL;宁夏和氏璧生物技术有限公司纤维素酶是由木霉代谢产生的固体粉末，能水解天然纤维素生成纤维寡糖、纤维二糖和葡萄糖，标准酶活为1000000U/g。所述的糖化酶为Suhong GA II，由一种黑曲霉发酵生产产物，标准酶活力为 500AGU/ml, (AGU为诺维信糖化酶专有单位)。IAGU的定义是指在25°C，pH 4. 3标准条件下，每分钟水解Immol麦芽糖所需的酶量。所述的菌种为酵母菌Saccharomyces cerevisiae CCTCC M 206111，是本实验室从酒糟中分离得到高产菌株，于2006年10月23日保藏于中国典型培养物保藏中心 (CCTCC)，地址为中国武汉，武汉大学，邮编430072。所述的旋转蒸发仪为Buchi Rotavapor R-210。本发明所述的以芭蕉芋为原料生产乙醇的方法，通过添加纤维素酶，不仅能降解纤维素多糖为酵母可利用的单糖，实现芭蕉芋中部分纤维素多糖与淀粉共同为酵母利用， 增加了原料的利用率；而且降低了发酵醪液的粘度，避免了发酵过程中传质与传热问题，简化发酵工序。这两个方面提高了发酵效率，降低了生产成本。
具体实施例方式以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但并非是对本发明的技术方案的限制，本领域技术人员应该理解，依然可以对发明进行修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之中。对照例1 (未加纤维素酶)井研鲜芭蕉芋块茎打浆，按料水比3 1添加自来水，按照100KUG/kg添加液化酶，85°C液化至碘反应为红棕色，冷却并补水后，每250mL三角瓶中分装100g，在灭菌锅115°C作用20min。冷却至室温，不添加纤维素酶，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，50°C作用3h，测得总糖为13. 00% (w/w)。每IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0. 075g 尿素，200rpm30°C发酵14h，乙醇浓度为59. 15g/kg，发酵效率为88. 19%，发酵醪液粘度 10867mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。对照例2 (未加纤维素酶)南充鲜芭蕉芋块茎打浆，不添加水，按照100KUG/kg添加液化酶，85°C液化至碘反应为红棕色，冷却并补水后，每250mL三角瓶中分装IOOg芭蕉芋发酵醪液，在灭菌锅115°C 作用20min。冷却至室温，不添加纤维素酶，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，每IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0. 075g尿素，200rpm 30°C发酵17h，乙醇浓度为69. 87g/kg，发酵效率为90. 46%，发酵醪液粘度53798mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙对照例3 (未加纤维素酶)井研鲜芭蕉芋块茎打浆，不添加水，按照100KUG/kg添加液化酶，85°C液化至碘反应为红棕色，冷却并补水后，每250mL三角瓶中分装100g，在灭菌锅115°C作用20min。冷却至室温，不添加纤维素酶，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，每IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0. 15g硫酸铵，200rpm 30°C发酵20. 5h，乙醇浓度为81. 70g/kg，发酵效率为 91. 88%，发酵醪液粘度为83610mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例1井研鲜芭蕉芋块茎打浆，调浆、液化、高温处理方法同对照例1。冷却至室温，添加湖南尤特尔生化有限公司纤维素酶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，测得总糖为13. 80% (w/w)。每IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加 0. 075g尿素，200rpm 30°C发酵14h，乙醇浓度为64. 25g/kg，发酵效率为95. 79%,发酵醪液粘度748mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例2井研鲜芭蕉芋块茎打浆，调浆、液化、高温处理方法同对照例1。冷却至室温，添加杰能科生物工程有限公司GC2200. 15mL，50°C作用浊后按照1. 5AUG/g添加糖化酶，50°C作用3h，测得总糖为13. 17% (w/w) 0每IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0.075g 尿素，200rpm 30°C发酵14h，乙醇浓度为59. 79g/kg，发酵效率为89. 13%，发酵醪液粘度 3427mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例3井研鲜芭蕉芋块茎打浆，调浆、液化、高温处理方法同对照例1。冷却至室温，添加宁夏和氏璧生物技术有限公司0. 15g，50°C作用池后按照1.5AUG/g添加糖化酶，50°C作用3h，测得总糖为13. 37% (w/w)。每IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0. 075g 尿素，200rpm 30°C发酵14h，乙醇浓度为60. 49g/kg，发酵效率为90. 19%，发酵醪液粘度 2153mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例4南充鲜芭蕉芋块茎打浆，调浆、液化、高温处理方法同对照例2。冷却至室温，添加湖南尤特尔生化有限公司纤维素酶0. 15g，50°C作用2h，按照1.5AUG/g添加糖化酶，每 IOOg发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0. 075g尿素，200rmp 30°C发酵17h，乙醇浓度为 74. 16g/kg，发酵效率为96. 11%，发酵醪液粘度2116mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例5井研鲜芭蕉芋块茎打浆，调浆、液化、高温处理方法同对照例3。冷却至室温，添加湖南尤特尔生化有限公司纤维素酶0. 15g，50°C作用2h，按照1. 5AUG/g添加糖化酶，每IOOg 发酵醪中接种IOmL酿酒酵母，并添加0. 15g硫酸铵，200rmp 30°C发酵20. 5h，乙醇浓度为83. 98g/kg，发酵效率为94. 45%,发酵醪液粘度^84mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例6井研鲜芭蕉芋块茎去皮，按照实施例5处理，200rmp 30°C发酵23h，乙醇浓度为 78. 21g/kg，发酵效率为98. 96%，发酵醪液粘度1380mpa. s。发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。实施例所用的粘度测定仪器为上海尼润智能科技有限公司生产的RDV-2+PR0型数字式旋转粘度计，气相色谱仪为福立分析仪器有限公司的FULI 9790气相色谱仪，高效液相色谱仪为美国Thermo高效液相色谱仪。
权利要求
1.一种以芭蕉芋为原料生产燃料乙醇的方法，其特征是使用纤维素酶。
2.一种以芭蕉芋为原料生产燃料乙醇的方法，其特征是包括以下步骤(1)打浆鲜芭蕉芋块茎原料洗净、打浆；(2)液化按照90 150KNU/kg淀粉在芭蕉芋浆中添加α-淀粉酶，80 90°C液化至碘反应为红棕色，冷却至室温后添加自来水；(3)高温处理液化后将薯浆在115°C高温下作用20min；(4)预处理温度降至30 50°C时，每公斤芭蕉芋发酵醪中添加0.1 0. 15g纤维素酶，50°C作用2h ；(5)同步糖化与发酵按照1.0 1. 6AUG/g芭蕉芋发酵醪添加糖化酶，在发酵醪中接种酿酒酵母，每IOOg发酵醪中添加0. 06g 0. 09g的尿素或0. IOg 0. 20g的硫酸铵， 200rpm3(TC发酵16_30h ；发酵醪经旋转蒸发仪在78°C下蒸馏得到乙醇。
3.根据权利要求2所述的以芭蕉芋为原料生产燃料乙醇的方法，其特征是所述的菌种为酵母菌 Saccharomyces cerevisiae CCTCC M 206111，于 2006 年 10 月 23 日保藏于中国典型培养物保藏中心。
全文摘要
本发明属于微生物发酵技术领域，涉及一种以芭蕉芋为原料生产燃料乙醇的方法。鲜芭蕉芋通过打浆、添加a-淀粉酶液化、高温处理、添加纤维素酶、同步糖化与发酵等步骤，实现芭蕉芋高效率低成本地转化为燃料乙醇。本发明具有发酵时间端、工艺简单易于工业化的特点。
文档编号C12R1/865GK102311976SQ20111025667
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者方扬, 赵海, 靳艳玲, 黄玉红 申请人:中国科学院成都生物研究所