酶法处理香蕉杆发酵生产燃料酒精的方法

专利名称：酶法处理香蕉杆发酵生产燃料酒精的方法
技术领域：
本发明涉及一种酶法处理香蕉杆发酵生产燃料酒精的方法，属于生物质能和农作
物纤维综合利用技术领域。
背景技术：
生物质原料在世界范围内的存在广泛，目前以木质纤维素为原料降解制备燃料酒 精已替代常规能源。生物质原料物质中主要含纤维素、半纤维素以及木质素。其中，纤维素 在许多生物质原料中含量最高，可通过降解转变为纤维二糖，进一步糖化为单糖，可用来制 备燃料酒精。目前主要研究的生物质材料包括植物秸杆、糠壳、木材、纸张、棉、麻和农副产 品等，其特点是在自然界存在广泛，纤维素含量都在40%以上，属于廉价或无价原材料，是
人类最经济、最广泛的可持续可再生自然资源。 生物质是世界第四大能源。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种 能源形式，它是一种可再生能源，有取之不尽、用之不竭的特点，是世界能源可持续发展战 略的重要组成部分。与众多可再生能源相比较，生物质能源具有储量大、分布广、环保效果 明显等优势，有很大的开发潜力。世界石油危机发生后，石油供应量受到严重影响，代用燃 料的研究得到广泛重视。燃料酒精作为一种潜在能源，由于其具有安全、清洁、可部分或全 部代替化石能源等特点，越来越受到各国的欢迎。利用生物质生产燃料酒精既是开发利用 生物质能的重要途径，也是将来燃料酒精生产的重要方向。目前燃料酒精主要以谷物、糖 蜜、果汁、葡萄酒、乳清等为原料，发酵、蒸馏制得。但受全球人口的快速增长，耕地面积逐年 减少，谷物等粮食的价格越来越高的影响，燃料酒精生产成本一直居高不下。以酒精作为化 石能源的代用能源，其关键是降低酒精的生产成本。因此，利用成本更低的生物质作为酒精 生产的原料，开发出更高效的酒精生产工艺，是今后重要的研究方向。 我国香蕉种植面积有15 20万公顷，约占世界香蕉种植总面积的8%，作为香蕉 副产品香蕉杆的量是非常巨大的。香蕉杆作为一种重要的生物质能源，除部分被利用外，绝 大部分被焚烧或遗弃田边，这不仅造成了资源的浪费，还给环境带来污染。目前世界上许多 国家已经开展利用生物质生产燃料酒精的研究，美国、巴西等发达国家甚至已经实现了利 用生物质生产燃料酒精的工业化生产。目前国内研究比较多的生物质原料有谷类、薯类、玉 米芯、玉米秸杆。利用香蕉杆制取燃料酒精报道了用化学法和微生物综合处理香蕉杆生产 燃料酒精的方法(专利申请号200810027458. 0)。目前纤维素制备酒精的工艺主要包括原 材料预处理，水解纤维素半纤维素为可发酵糖，利用可发酵糖类发酵生产酒精几个阶段。目 前常见的预处理方法包括物理法、化学法，汽爆等，其中物理法化学法不同程度地存在水解 还原糖量不高，或环境污染严重等问题，很难应用于大规模工业化生产。

发明内容
本发明的目的是提供一种酶法处理香蕉 生产燃料酒精的方法，筛选出一种最适 于降解香蕉杆的酶液，并优化水解、发酵条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 酶法处理香蕉杆发酵生产燃料酒精的方法步骤如下首先取新鲜香蕉杆切碎，长 1 3cm，宽0. 2 0. 5cm，灭菌，按比例加入经稀释的纤维素酶液对香蕉杆进行水解处理； 然后，加入经活化的耐高温酿酒酵母，搅拌均匀后，置发酵设备中发酵，发酵醪液采用常压 蒸馏法分离提纯酒精。 上述纤维素酶液由纤维素酶稀释而成，纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶 NS50010，加入的NS50013与NS50010质量比是10 : 1。 上述纤维素酶液的稀释溶液为无菌水，纤维素酶与无菌水的体积比为1 : 60 100。
上述香蕉杆纤维素酶液酵母的质量比是i : o. 2 o. 6 : o. oi o. 05。 上述水解条件是水解时间为24 36h， pH4. 5 6. 5，水解温度为45 60°C 。
上述发酵条件是发酵时间为48 96h， pH8 IO，发酵温度为25 35°C。
所述纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010同时加入。 用酶法处理香蕉杆工艺简单，环境污染小，水解还原糖的产率高。该工艺的核心问 题是纤维素酶液的用量、水解条件及发酵条件的确定。本工艺采用高活性纤维素酶，包括纤 维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013能够将纤维素降解材料为多糖和纤维二糖等， NS50010将多糖、纤维二糖降解为葡萄糖，提供更多的单糖用于后续发酵工艺。其中，纤维素 酶NS50013的酶活力为700EGU/g，条件为pH4. 5 6. 5，温度45 60。C，用量为质量比2 6% ;糖化酶NS50010的酶活力为250CbU/g，条件为pH4. 5 6. 5，温度45 60。C，用量为 质量比0. 2 0. 6%，数据以经过前处理的蒸馏谷物为底物，酶活力条件的复述以香蕉杆为 底物，香蕉杆降解效果明显，酒精产率高。
本发明方法与背景技术相比的有益效果 本发明以廉价或无价的香蕉杆为原材料，采用了高活性的纤维素酶对香蕉杆进行 处理，使工艺中的糖化率提高，同时减少了预处理过程，从而使酒精产率的提高成为可能， 为实现利用生物质大规模工业化生产燃料酒精提供另一种途径。本工艺预处理过程简单， 水解过程中縮短香蕉杆的水解时间，5 7天縮短到1 2天；糖化率提高，为发酵工艺提 供了更多的可发酵糖；本工艺形成周期短、水解糖化率高、耗能低的香蕉杆发酵生产酒精的 工艺路线。本工艺克服了其他方法对香蕉杆进行预处理存在的工艺复杂，糖化率不高，水解 时间过长的不足。
具体实施方式

实施例l: 首先，取100. 0±0. 5g的新鲜香蕉杆粉碎，加入100ml用无菌水稀释60倍的纤维 素酶液，调节pH值4. 5，纤维素酶液中的纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013与NS50010的质量比是10 : 1 。然后，置温度为45°C ，转速为90r/min的摇床中震 荡24h后，加入1. Og活化后的耐高温酿酒酵母，调节pH8. 0，搅拌均匀后装入发酵容器内。 在25t:的条件下，密封发酵48h ;最后，过滤除去干物料，将发酵液常压蒸馏3次，即可得到 浓度80%以上的酒精2. 5ml，相当于理论产率的87. 3%左右。
实施例2:
首先，取100. 0±0. 5g的新鲜香蕉杆粉碎，加入100ml用无菌水稀释100倍的纤维 素酶液，调节pH值5. O，纤维素酶液中的纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013与NS50010的质量比是IO : 1 。然后，置温度为50°C ，转速为90r/min的摇床中震 荡24h后，加入2. Og活化后的耐高温酿酒酵母，调节pH8. 0，搅拌均匀后装入发酵容器内。 在3(TC的条件下，密封发酵64h ;最后，过滤除去干物料，将发酵液常压蒸馏3次，即可得到 浓度80%以上的酒精2. 3ml，相当于理论产率的80. 3%左右。
实施例3: 首先，取100. 0±0. 5g的新鲜香蕉杆粉碎，加入100ml用无菌水稀释60倍的纤维 素酶液，调节pH值5. 5，纤维素酶液中的纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013与NS50010的质量比是10 : 1 。然后，置温度为55°C ，转速为90r/min的摇床中震 荡36h后，加入3. 0g活化后的耐高温酿酒酵母，调节pH9. 0，搅拌均匀后装入发酵容器内。 在35t:的条件下，密封发酵72h ;最后，过滤除去干物料，将发酵液常压蒸馏3次，即可得到 浓度80%以上的酒精2. 7ml，相当于理论产率的94. 3%左右。
实施例4 : 首先，取100. 0±0. 5g的新鲜香蕉杆粉碎，加入100ml用无菌水稀释80倍的纤维 素酶液，调节pH值6. 0，纤维素酶液中的纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013与NS50010的质量比是10 : 1 。然后，置温度为60°C ，转速为90r/min的摇床中震 荡36h后，加入4. 0g活化后的耐高温酿酒酵母，调节pH10. O，搅拌均匀后装入发酵容器内。 在25t:的条件下，密封发酵96h ;最后，过滤除去干物料，将发酵液常压蒸馏3次，即可得到 浓度80%以上的酒精2. 6ml，相当于理论产率的90. 8%左右。
实施例5 : 首先，取100. 0±0. 5g的新鲜香蕉杆粉碎，加入100ml用无菌水稀释60倍的纤维 素酶液，调节pH值5. 0，纤维素酶液中的纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013与NS50010的质量比是10 : 1 。然后，置温度为55°C ，转速为90r/min的摇床中震 荡48h后，加入4. 0g活化后的耐高温酿酒酵母，调节pH9. O，搅拌均匀后装入发酵容器内。 在3(TC的条件下，密封发酵64h ;最后，过滤除去干物料，将发酵液常压蒸馏3次，即可得到 浓度80%以上的酒精2. 4ml，相当于理论产率的83. 8%左右。
实施例6 : 首先，取100. 0±0. 5g的新鲜香蕉杆粉碎，加入100ml用无菌水稀释IOO倍的纤维 素酶液，调节pH值6. 0，纤维素酶液中的纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010， NS50013与NS50010的质量比是IO : 1 。然后，置温度为55°C ，转速为90r/min的摇床中震 荡24h后，加入5. 0g活化后的耐高温酿酒酵母，调节pH10. O，搅拌均匀后装入发酵容器内。 在35t:的条件下，密封发酵96h ;最后，过滤除去干物料，将发酵液常压蒸馏3次，即可得到 浓度80%以上的酒精2. 7ml，相当于理论产率的94. 3%左右。
权利要求
一种酶法处理香蕉杆发酵生产燃料酒精的方法，其特征在于该方法步骤如下首先取新鲜香蕉杆切碎，长1～3cm，宽0.2～0.5cm，灭菌，按比例加入经稀释的纤维素酶液对香蕉杆进行水解处理；然后，加入经活化的耐高温酿酒酵母，搅拌均匀后，置发酵设备中发酵，发酵醪液采用常压蒸馏法分离提纯酒精。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述纤维素酶液由纤维素酶稀释而成， 纤维素酶为纤维素酶NS50013和糖化酶NS50010，加入的NS50013与NS50010质量比是 10 ! 1。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于上述纤维素酶液的稀释溶液为无菌水，纤 维素酶与无菌水的体积比为1 : 60 100。
4. 根据权利要求i所述的方法，其特征在于上述香蕉杆纤维素酶液酵母的质量 比是i : o. 2 o. 6 : o. oi o. 05。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述水解条件是水解时间为24 36h， pH4. 5 6. 5，水解温度为45 60°C 。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述发酵条件是发酵时间为48 96h， pH8 10，发酵温度为25 35°C 。
全文摘要
本发明公开了一种酶法处理香蕉杆发酵生产燃料酒精的方法，本发明采用不同种类纤维素酶对香蕉杆处理，该方法首先取新鲜香蕉杆切碎，灭菌，按比例加入经稀释的纤维素酶液对香蕉杆进行水解处理；然后，加入经活化的耐高温酿酒酵母，搅拌均匀后，置发酵设备中发酵，发酵醪液采用常压蒸馏法分离提纯酒精；本发明采用廉价或无价的香蕉杆为原材料，采用不同种类纤维素酶对香蕉杆降解和糖化处理，处理工艺简单易行，提高糖化率；后续发酵过程采用半连续发酵工艺，发酵过程中可发酵糖利用率增大，发酵生产燃料酒精的产率高，从而降低酒精的生产成本，适合燃料酒精的大规模工业化生产。
文档编号C12R1/865GK101717796SQ200910194348
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者张焜, 方岩雄, 朱屋彪, 蔡燕飞, 赵肃清, 郑杰, 霍延平, 黄宝华 申请人:广东工业大学