专利名称：一种以甜菜为原料生产乙醇的方法
技术领域：
本发明涉及以非粮食作物为原料通过生物技术手段生产乙醇的工业方法， 尤其涉及用甜菜直接生产乙醇的方法。
背景技术：
甜菜属于草本植物，是我国的主要糖料作物之一，我国甜菜主产于西北、 华北和东北地区，容易种植，区域比较分散。甜菜根中积累丰富的糖类物质，含糖率统计数据为12% 17%，可做生物发酵法生产乙醇的原料。然而，由于 甜菜产量和含糖率受到气候、土壤和栽培技术的影响，差别比较大，直接用于 乙醇生产不利于连续化生产作业，甜菜在贮藏时还容易被微生物侵染。因此通 常的做法是先将甜菜制糖，再用废糖蜜生产乙醇或者是将甜菜破碎后以固体发 酵的方法直接发酵。发明内容本发明的目的在于提供一种及以甜菜为原料直接生产乙醇、并综合利用甜 菜残渣的方法。本发明所述的以甜菜为原料生产乙醇的方法，是将甜菜清洗破碎后，反复 多次浸渍搾汁，合并汁液并经减压浓縮得到浓度为26。^ 6()Q^的浓縮糖汁；发 酵时先将浓縮糖汁稀释至浓度为18% 26%，加酸调节pH值至2.8 4.0，使用可 凝集成团的酵母菌在28"C 36'C温度条件下连续发酵20小时 45小时，蒸馏后 得到乙醇。详见附图。其中所述的可凝集的酵母菌是经过优选获得的半子囊菌纲(Hemids comycetes)酵母属(5^c/zwm少c^)中的菌株(《大连轻工业学院学报》1997 (4): 32—35)。发酵生产过程中，菌密度可达到10—u个细胞/mL液体，并能自动凝 集成直径约为0.5mm 5mm的小团，悬浮于发酵原料液中，进行连续发酵生产。若无特殊说明，本发明中所指的可凝集酵母菌培养物均采用《凝集性酵母 的酒精发酵》(大连轻工业学院学报，1997 (4): 32—35) —文中所描述的方法。其加入量通常为发酵糖汁质量的10% 20%。此外，对温度的控制也是使本发明的上述优选菌种成功应用于发酵生产乙 醇的工业方法的条件之一，其特征在于该方法中所述的发酵过程的温度分三段 控制第一阶段为发酵初始阶段，占发酵总时间的0.2 0.4倍，温度28'C 3(TC; 第二阶段为发酵中期，占据除第一阶段和第三阶段的所有时间，温度32。C 36。C;第三阶段为发酵终末阶段，占发酵总时间的0.3 0.4倍，温度3(TC 33。C。具体来看，本发明所述的以甜菜为原料生产乙醇的方法更优选的工艺流程 包括如下步骤-(1) 制备浓縮糖汁将甜菜清洗，切丝，压搾出汁，并以蒸馏废液反复浸提 l次 3次后，合并含糖提取液，减压浓縮得到浓度为26% 60%的浓縮糖汁；(2) 发酵准备将上述浓縮糖汁稀释成浓度为18% 26%的发酵原料液，并 用酸调pH值至2.8 4.0，加入可凝集成团的酵母菌，所述的酵母菌为优选的半子 囊菌纲(Hemids comycetes)酵母属(5^cc/mttw戸s)菌株；(3) 发酵无菌发酵罐中连续发酵20小时 45小时，发酵过程的温度分三段 控制第一阶段为发酵初始阶段，占发酵总时间的0.2 0.4，温度28。C 3(TC; 第二阶段为发酵中期，占据除第一阶段和第三阶段的所有时间，温度32。C 36。C;第三阶段为发酵终末阶段，占发酵总时间的0.3 0.4，温度30。C 33。C;(4) 发酵结束后将发酵液泵送入蒸馏塔，获得乙醇产品；(5) 蒸馏废液用作步骤(1)的浸提液，或者经过浓縮处理后与步骤(1)产 生的甜菜渣混合用做饲料。本发明的工艺流程是一个立足于整体的工业过程设计；发明人经过长期的 钻研，在深入地了解甜菜作为发酵原料的利与弊以及糖原料发酵生产乙醇的通 常工艺特点后，经过巧妙的设计与实验，完成上述以甜菜为原料发酵生产乙醇 的整合的技术方案。该技术方案中的各个步骤相互关联、前后呼应，构成工业 生产所需的高效、连续、节能、低排放的工艺流程。本发明首先对原料进行标 准化处理，即将品质各异、糖含量各异及收获时间集中的的甜菜原料首先经过 预处理制成糖量稳定的浓縮汁，使发酵生产不受甜菜质量变化及农作物收获的 季节性影响而得以稳定进行；同时由于浓縮操作通常在高于65"C的条件下进行， 浓縮时间不少于40分钟，因此杀灭了大量微生物，浓縮汁也更易保存；为了提高原料的利用率，需要使用温度为25"C 7(TC的热水对原料甜菜进行多次浸渍 搾汁，本发明巧妙地利用后续步骤中高温的蒸馏塔废水进行该操作，既节省用 水，还节省用于加热的能源。本发明选择用于发酵的微生物是经过优选获得的 半子囊菌纲(Hemids comycetes)酵母属(Saccharmyces)中的菌株，由于该菌 种在培养中的自体固定化特性，菌体自动凝集成直径约为0.5mm 5mm的小团， 使培养液中菌密度可达到10—u个细胞/mL液体，并能悬浮于发酵原料液中；比 普通分散培养的菌体密度高1 2个数量级；如此高的菌体密度是保证对高浓度 糖汁原料进行高速发酵的必要条件，因此本发明可以使用糖度为18% 26%的 初始液进行快速发酵，并直接得到乙醇体积百分含量9% 14%的发酵液；较高 浓度的发酵原料糖汁同时也意味着相同产出条件下较少的水用量，降低对生产 设备的规模要求，节省成本。此外，使用本发明的生产方法，甜菜渣不必进入 发酵、蒸馏等生产工序，因而提高了设备利用率，节省了能源消耗。
本发明附图l幅，即以甜菜为原料生产乙醇的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例不对本发明进 行任何形式的限制。若无特殊说明，本发明中的糖度测量均采用Lane-Eynon法。 实施例l(1) 将甜菜清洗后切丝、用压榨过滤机压搾或榨汁渗出器搾出糖汁，糖度 为15% (质量比)，称为一次搾出汁，临时贮存或送至浓縮设备；剩下的甜菜渣 用蒸馏塔下部产生的废液回流浸渍，蒸馏废液用量为甜菜渣重量的3倍 10倍， 视甜菜原料及甜菜渣的含糖率决定加水量，水温25。C 7(TC均可，回流浸渍6小 时 12小时，使用连续渗出器或压榨过滤机或离心机分离汁液和渣，得到二次 榨出汁，糖浓度3% 8%，或依汁液糖度反复榨汁，与一次榨出汁合并或分别 送入真空蒸发器；(2) 用真空蒸发器将糖汁减压浓縮至糖度55% (质量比)，温度为8(TC，时间i.5小时，即得到甜菜浓縮汁，冷却至常温密闭r:存。渣送去蒸发做饲料或其他综合利用；(3) 先将输送管路和发酵设备经过0.1MPa水蒸汽灭菌处理l小时；取55%浓 縮糖汁1份，5%二次榨出汁2份，或用蒸馏废液0.5份，自来水0.5份，兌制成糖 度22% (质量比)的初始发酵汁；用稀硫酸调初始发酵汁的pH值至3.0 3.5，搅 拌均匀，然后用输液泵连续送入发酵反应器中；(4) 同时将扩大培养后的可凝集酵母菌(97国际酒文化学术研讨会论文集， 学林出版社，191 一 196)泵入发酵罐中，加入的培养物质量为初始发酵糖汁质 量的10%，通入无菌空气，使酵母菌能自动凝集成团状，直径为0.5mm 5mm， 数量达到10^u个细胞/mL液体，以后每隔6小时通风10分钟；发酵生产时酵母 菌能在液中悬浮；发酵温度分段控制，前10小时为28t: 3(TC，中段10小时为 32°C 36°C，后段10小时为3(TC 33。C，连续发酵30小时，得到乙醇体积百分 含量12%发酵液；(5) 发酵结束后的液体泵送入蒸馏塔，获得体积百分含量高于95%的乙醇广卯5(6) 蒸馏废液用作步骤(1)的浸提液，或者经过浓縮处理后与步骤(1)产生的甜菜渣混合用做词料。实施例2:(1) 将甜菜清洗后切丝、用压搾过滤机压榨出糖汁，糖度约17% (质量比)， 称为一次榨出汁，临时贮存或送至浓縮设备；甜菜渣用蒸馏废液回流浸渍，蒸 馏废液用量为甜菜渣重量的3倍 10倍，视甜菜原料及甜菜渣的含糖率决定加水 量，水温25 7(TC均可，回流浸渍6小时 12小时，使用连续渗出器或压榨过滤 机或离心机分离汁液和渣，得到二次搾出汁，糖浓度3% 8%，与一次榨出汁 合并或分别送入真空蒸发器；(2) 用真空蒸发器将糖汁减压浓縮，温度为65T:，时间40分钟，得到糖度 26% (质量比)的浓縮糖汁，该浓縮糖汁冷却至常温即可作为初始发酵原料液， 甜菜渣送去蒸发做饲料或其他综合利用；(3) 先将输送管路和发酵设备经过0.1MPa水蒸汽灭菌处理60分钟；将初始 发酵糖汁用稀硫酸调pH值至2.8 4.0，搅拌均匀，然后用输液泵连续送入发酵反 应器中；(4) 同时将扩培后的可凝集酵母菌泵入发酵罐中，加入的培养物质量为初 始发酵糖汁质量的15%，通入无菌空气，使酵母菌能自动凝集成团状，数量达 到10—u个细胞/mL液体，每间隔4小时通风10分钟；发酵生产时酵母菌能在液 中悬浮；发酵温度为30。C 33'C，连续发酵周期35小时，得到乙醇体积百分含 量14%发酵液；(5) 发酵结束后将发酵液泵送入蒸馏塔，获得不低于95% (体积比)的酒 棺广口口；(6) 蒸馏废液用作步骤(1)的浸提液，或者经过浓縮处理后与步骤(1)产生的甜菜渣混合用做饲料。实施例3:按照实施例l的步骤(1)和步骤(2)操作，得到糖度55% (质量比)浓縮 糖汁，兑制成糖度24% (质量比)的初始发酵汁；用稀硫酸调初始发酵汁的pH 值至3.0 3.5，在28 36X:条件下连续发酵45小时，发酵过程温度控制为前9 小时为28'C 3(TC，中段18小时为32'C 36"C，后段18小时为3(TC 33'C;发 酵结束，得到乙醇体积百分含量13.5%发酵液。本实施例具体操作步骤同实施例l。实施例4:以糖度18% (质量比)的初始发酵汁；用稀硫酸调初始发酵汁的pH值至3.0 3.5，在28 36t)条件下连续发酵20小时，发酵过程温度控制为前8小时为28'C 30°C，中段6小时为32。C 36。C，后段6小时为30。C 33。C;发酵结束，得到乙 醇体积百分含量10%发酵液。本实施例具体操作步骤同实施例l。
权利要求
1.一种以甜菜为原料生产乙醇的方法，该方法是将甜菜清洗破碎后，反复浸渍榨汁，合并汁液并经减压浓缩得到浓度为26％～60％的浓缩糖汁；发酵时先将浓缩糖汁稀释至浓度为18％～26％，用酸调节pH值至2.8～4.0，使用可凝集成团的酵母菌在28℃～36℃温度条件下连续发酵20小时～45小时，得到乙醇体积百分含量9％～14％的发酵液。
2. 根据权利要求l所述的以甜菜为原料生产乙醇的方法，其特征在于该方法 中所述的可凝集的酵母菌是经过优选获得的半子囊菌纲(Hemidscomycetes)酵 母属(Sacc/^m^cM)中的菌株，这种菌在发酵液中结成0.5mm 5mm的团，菌 体浓度达到10^"个细胞/ mL。
3. 根据权利要求l所述的以甜菜为原料生产乙醇的方法，其特征在于该方法 中所述的发酵过程的温度分三段控制第一阶段为发酵初始阶段，占发酵总时 间的0.2 0.4倍，温度28'C 3(TC;第二阶段为发酵中期，占据除第一阶段和第 三阶段的所有时间，温度32。C 36'C;第三阶段为发酵终末阶段，占发酵总时 间的0.3 0.4倍，温度30。C 33。C。
4. 根据权利要求l所述的以甜菜为原料生产乙醇的方法，其特征在于该方法 具体包括如下步骤(1) 制备浓縮糖汁将甜菜清洗，切丝，榨汁，再以蒸馏废液反复浸提一次至多次后，合并含糖提取液，减压浓縮得到浓度为26% 60%的浓縮糖汁；(2) 发酵准备将上述浓縮糖汁稀释成浓度为18% 26%的发酵原料液，用 酸调pH值至2.8 4.0,加入可凝集成团的酵母菌，所述的酵母菌为半子囊菌纲(Hemidscomycetes)酵母属(& cc/wr附戸s)中的菌株；(3) 发酵无菌发酵罐中连续发酵20小时 45小时，发酵过程的温度分三段 控制第一阶段为发酵初始阶段，占发酵总时间的0.2 0.4倍，温度28t: 3(rC; 第二阶段为发酵中期，占据除第一阶段和第三阶段的所有时间，温度32。C 36。C;第三阶段为发酵终末阶段，占发酵总时间的0.3 0.4倍，温度30。C 33。C;(4) 发酵结束后将发酵液泵送入蒸馏塔，获得乙醇产品；(5) 蒸馏废液用作步骤(1)的浸提液，或者经过浓縮处理后与步骤(1)产 生的甜菜渣混合用做饲料。全文摘要
本发明提供一种以甜菜为原料生产乙醇的方法，该方法是将甜菜清洗破碎后，反复浸渍榨汁，合并汁液并经减压浓缩得到浓度为26％～60％的浓缩糖汁；发酵时先将浓缩汁稀释至浓度为18％～26％，用酸调节pH值至2.8～4.0，使用可凝集成团的酵母菌在28℃～36℃温度条件下连续发酵20小时～45小时，得到乙醇体积百分含量9％～14％的发酵液。本发明采用了原料标准化的处理方法，使原料更易于保存，生产得以稳定进行；甜菜渣不进入后续生产工序而直接利用，既提高了设备利用率，又减少污染和排放，节省了能耗。
文档编号C12R1/85GK101240296SQ200810010628
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者周广麒 申请人:大连工业大学