本发明涉及食品和生物质能源与化工技术领域，特别涉及一种基于甘蔗制糖和固体发酵制备乙醇的低碳、环保制备高品质蔗糖的方法。
背景技术：
一般的蔗糖生产过程中需对甘蔗进行6次压榨，初榨汁中的蔗糖浓度为20％左右，为回收蔗渣中残存的蔗糖还要再加20％左右的水连续洗涤、压榨5次，最终溶液中的糖浓度在15％左右，再蒸发浓缩至65％浓度后结晶。所以，糖业是高能耗产业，即使达到国际先进水平，吨蔗糖生产耗电量、耗标煤量也分别为70-80Kwh和35-40公斤。1吨甘蔗含糖一般约为140公斤，按现行工艺可得到120.8公斤糖，结晶母液(糖蜜)中含有12.9公斤糖(一般出售给味精厂或酱油厂，或生产乙醇6公斤，但污水处理问题严重，每吨乙醇产生10吨COD高达80000ppm废水)；蔗渣中残留6.3公斤糖，按现行工艺没有利用而是和蔗渣一起燃烧发电了。所以，迫切需要一种方法来减少制糖过程的能耗、解决结晶母液(糖蜜)利用过程中的污水问题、提高蔗渣中残糖的利用价值。
传统的榨汁法生产甘蔗乙醇是先将甘蔗榨汁，再进行液态发酵生产乙醇。该工艺不仅成本高、能耗高，还会产生高浓度有机废水，必须切实搞好三废治理，才能达标排放，不仅增加工艺步骤而且增加乙醇成本。
目前的固态发酵技术大多数还沿用传统制酒工艺，在固定的发酵池或发酵罐内进行，属于间歇操作，酒气易挥发，生产效率低。而粉碎秸秆类物料具有相互缠绕的特点，很难实现连续流动，其运动的不确定性也给监测带来困难。
在中国专利申请公布CN 1594584A中，发明人公开了一种甘蔗制糖固态发酵联产化学产品及综合利用的方法，但并没有具体介绍其固体发酵方法以及能够实现的效果。
因此，本领域中仍需要一种既能生产糖又能生产燃料乙醇，并且最大限度地降低蔗糖生产成本和能耗，提高乙醇产率，并能减少污染的糖醇联产的工艺。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于甘蔗制糖和含糖蔗渣与糖蜜混合固体发酵生产乙醇的低碳、环保制糖方法，
其中所述方法包括以下步骤：(a)蔗糖结晶：对甘蔗进行仅一次压榨，得到蔗汁和蔗渣，所得蔗汁经净化、浓缩、结晶得到蔗糖和糖蜜；(b)固体发酵：步骤(a)中得到的糖蜜和蔗渣混合，接种酵母菌种在固体发酵装置中进行发酵生产乙醇；(c)固体蒸馏：步骤(b)得到的甘蔗发酵料进行固态蒸馏处理，得到乙醇和发酵渣；其中，步骤(a)为蔗糖的生产过程；步骤(b)和步骤(c)为将残留在糖蜜及蔗渣中的糖转化为乙醇的过程。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(b)中产生的二氧化碳作为澄清剂用于步骤(1)中的蔗汁净化。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(b)中的固体发酵装置为转鼓式发酵罐。
在本发明的一个实施方案中，所述固体发酵装置的发酵条件为温度：25～35℃，发酵时间：20～40h，发酵罐回转速度：0.2～0.5rpm。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(b)中所述的接种酵母菌种为接种安琪酵母或者CGMCC1949菌种。
在本发明的一个实施方案中，所述酵母接种量为5％～30％。
在本发明的一个实施方案中，所述CGMCC1949菌种接种量为12～15％，发酵罐内温度为28～32℃，发酵时间30h。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(c)中蒸馏是将步骤(b)得到的甘蔗发酵料置入蒸馏塔中，通入蒸汽加热蒸馏，收集馏出液。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(c)中产生的发酵渣用于蔗渣发电厂发电或用作饲料。
在本发明的一个实施方案中，所述蔗渣发电厂的乏汽用于步骤(c)的乙醇分离和/或步骤(a)的蔗汁浓缩。
本发明的基于甘蔗制糖和含糖蔗渣与糖蜜混合固体发酵生产乙醇的低碳、环保制糖方法，其优点在于：
(1)最大限度地利用甘蔗中的蔗糖和降低蔗糖生产成本，既生产糖又生产燃料乙醇；
将1吨甘蔗第一次压榨得到的高浓度的糖汁(20％)直接蒸发浓缩(至65％)结晶，得到80.3公斤结晶糖，蔗渣中还有51.1公斤糖，结晶母液(糖蜜)中有8.6公斤糖，将糖蜜与蔗渣混合后，采用先进的固态发酵(专利号201010552443.3，200910079782.1)技术发酵可生产28.3公斤乙醇。
(2)减少蔗糖生成过程中的能耗；
一般压榨1吨甘蔗(6道压榨)耗电11.52kwh，节省5道压榨可节约电能9.6kwh；减少用于蔗秆中残糖回收的20％用水量，相应节约糖液浓缩用蒸汽60kg，折合标煤5.31kg。采用本发明的综合利用方法，可节电48％，节煤13.3％，节水20％。
一次压榨得到的蔗汁直接浓缩(糖浓度从20％浓缩到65％)能耗比传统工艺(糖浓度从15％浓缩到65％)低25％，加上过程简化过程节约的成本，糖生产成本比传统工艺低20％；
(3)采用先进的固体发酵技术减少了乙醇生产过程中有机污水的产生量；
(4)糖醇联产不同于一般概念上的甘蔗糖厂在糖价低时转产乙醇(巴西模式)，或用糖蜜生产乙醇的模式，而是在生产糖的同时生产乙醇，最大限度的开发甘蔗的价值；
(5)解决了困扰糖厂多年的污水处理问题；
(6)糖醇联产能最优化利用甘蔗，扩大甘蔗产品市场，稳定糖价，实现既生产糖又生产运输燃料和发电；
(7)副产物均可利用；
另外，本发明可最大限度地利用甘蔗中的蔗糖和降低蔗糖生产成本，既生产糖又生产燃料乙醇；减少蔗糖生成过程中的能耗；用先进的固体发酵技术减少了生产过程中有机污水的产生量；能综合利用了二氧化碳、发酵渣、乏汽等副产物。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
本发明提供了一种基于甘蔗制糖和固体发酵制备乙醇的低碳、环保制备高品质蔗糖的方法。所述方法包括以下步骤：
(a)蔗糖结晶：对甘蔗进行仅一次压榨，得到蔗汁和蔗渣，所得蔗汁经净化、浓缩、结晶得到蔗糖和糖蜜；
(b)固体发酵：步骤(a)中得到的糖蜜和蔗渣混合，接种酵母菌种在固体发酵装置中进行发酵生产乙醇；
(c)固体蒸馏：步骤(b)得到的甘蔗发酵料进行固态蒸馏处理，得到乙醇和发酵渣；
其中，步骤(a)为蔗糖的生产过程；步骤(b)和步骤(c)为将残留在糖蜜及蔗渣中的糖转化为乙醇的过程。
在本发明的方法中，所述步骤(a)中压榨为一次压榨，因为压榨次数越少，越有利于降低能耗。由于本发明的实施方案中只对甘蔗进行一次压榨，未引入洗蔗渣用水，较传统制糖工艺减少30％的水蒸发量而节能，同时因杂质离子少而使蔗糖品质显著提高而被称为“有机糖”。
在上述方法的基础上，副产物可加以利用：
步骤(b)中产生的二氧化碳作为澄清剂用于步骤(a)中的蔗汁净化；
步骤(c)中产生的糟渣可用于蔗渣发电厂原料发电或用作饲料；同时蔗渣发电厂的乏汽用于步骤(c)的乙醇分离和/或步骤(a)的蔗汁浓缩。
步骤(b)中所述的接种酵母菌种为接种安琪酵母或者CGMCC1949菌种。优选接种CGMCC1949菌种。
步骤(b)中，酵母接种量为5％～30％(即每kg物料所用酵母液体积为50～300mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，优选菌种接种量为10～15％。
本发明所述CGMCC1949菌种与专利CN101033476A中的TSH-Sc-001菌种相同(保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期：2007年3月6日，保藏编号：CGMCC1949)。
步骤(b)中所述固体发酵装置可为转鼓式发酵罐；采用转鼓式发酵罐时，发酵条件为罐内温度为25～35℃的条件下，发酵20～40h，发酵罐回转速度为0.2～0.5rpm。
优选的是，接种CGMCC1949菌种，CGMCC1949菌种接种量为12～15％，发酵罐内温度为28～32℃，发酵时间30h。最优选菌种接种量为15％。
本发明采用的发酵工艺可以充分利用秸秆中的可发酵糖分，避免了防腐剂的使用，节约了秸秆压榨所需要的高能耗，降低了大量污水的排放，提高了生产效率、节约了生产成本产率。
步骤(c)中所述蒸馏是将步骤(b)得到的甘蔗发酵料置入蒸馏塔中，通入蒸汽加热蒸馏，收集馏出液。
本发明采用的分离乙醇工艺，可以充分利用甜高粱秸秆(或甘蔗、甜菜)中的可发酵糖分，提高了乙醇产率，改变了传统生产方式，而且蒸馏过程中所产生的废料既可以作为燃料，又可以作为动物饲料，不但节约了成本，还具有很大的环保意义。
实施例1
将1吨新鲜的甘蔗进行一次压榨，得到糖浓度为20％的蔗汁和蔗渣(含糖51.1Kg)。蔗汁净化、蒸发浓缩至65％，结晶得到80.3Kg蔗糖和糖蜜(含糖8.6Kg)。将糖蜜和蔗渣混合，向密闭料仓中加入CGMCC1949菌种，与粉碎物料混合后在连续固体发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为12％，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。固体发酵得到的甘蔗发酵料进行固态蒸馏，得到发酵渣及26.1Kg乙醇。收集乙醇生产过程中得到的二氧化碳用作澄清剂净化蔗汁。发酵渣用作发电厂的燃料。发电厂乏汽用于固态蒸馏时乙醇分离和制备蔗糖时的浓缩蔗汁。
实施例2
将1吨新鲜的甘蔗进行一次压榨，得到糖浓度为20％的蔗汁和蔗渣(含糖51.1Kg)。蔗汁净化、蒸发浓缩至65％，结晶得到80.3Kg蔗糖和糖蜜(含糖8.6Kg)。将糖蜜和蔗渣混合，向密闭料仓中加入安琪酵母菌种，与粉碎物料混合后在连续固体发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为5％，调节各操作参数，保持罐内温度为28～32℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间40h。固体发酵得到的甘蔗发酵料进行固态蒸馏，得到发酵渣及20.3Kg乙醇。收集乙醇生产过程中得到的二氧化碳用作澄清剂净化蔗汁。发酵渣用作发电厂的燃料。发电厂乏汽用于固态蒸馏时乙醇分离和制备蔗糖时的浓缩蔗汁。
实施例3
将1吨新鲜的甘蔗进行一次压榨，得到糖浓度为20％的蔗汁和蔗渣(含糖51.1Kg)。蔗汁净化、蒸发浓缩至65％，结晶得到80.3Kg蔗糖和糖蜜(含糖8.6Kg)。将糖蜜和蔗渣混合，向密闭料仓中加入CGMCC1949菌种，与粉碎物料混合后在连续固体发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为15％，调节各操作参数，保持罐内温度为28～32℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。固体发酵得到的甘蔗发酵料进行固态蒸馏，得到发酵渣及28.5Kg乙醇。收集乙醇生产过程中得到的二氧化碳用作澄清剂净化蔗汁。发酵渣用作发电厂的燃料。发电厂乏汽用于固态蒸馏时乙醇分离和制备蔗糖时的浓缩蔗汁。
实施例4
将1吨新鲜的甘蔗进行一次压榨，得到糖浓度为20％的蔗汁和蔗渣(含糖51.1Kg)。蔗汁净化、蒸发浓缩至65％，结晶得到80.3Kg蔗糖和糖蜜(含糖8.6Kg)。将糖蜜和蔗渣混合，向密闭料仓中加入CGMCC1949菌种，与粉碎物料混合后在连续固体发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为30％，调节各操作参数，保持罐内温度为28～32℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间20h。固体发酵得到的甘蔗发酵料进行固态蒸馏，得到发酵渣及25.5Kg乙醇。收集乙醇生产过程中得到的二氧化碳用作澄清剂净化蔗汁。发酵渣用作发电厂的燃料。发电厂乏汽用于固态蒸馏时乙醇分离和制备蔗糖时的浓缩蔗汁。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。