淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的方法
【专利摘要】本发明提供了一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的方法，包括：在糖化釜中利用α-淀粉酶和糖化酶对淀粉基生物质进行糖化；收集酶解后的糖化液；以及在发酵釜中利用酵母菌培养物对糖化液进行发酵得到含有乙醇的发酵液；其特征在于：糖化的同时从糖化釜收集部分糖化液并输送至过滤装置，经过滤后的固相返回至糖化釜，而经过滤后的液相输送至发酵釜，同时将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜。本发明还提供了一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的装置。本发明避免了分步糖化发酵过程中由于水解液中的葡萄糖的累积对α-淀粉酶和糖化酶产生的抑制作用，减少了酶用量，降低了成本。
【专利说明】淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质能源与资源【技术领域】，具体而言，涉及一种淀粉基生物质原料同步糖化发酵生产乙醇的方法。
【背景技术】
[0002]随着工业化进程的飞速发展.不可避免地会出现能源短缺问题。所以全球范围对于开发新的可替代能源的兴趣越来越大。而生物质乙醇是可替代能源的主要形式，也是化石能源最可行的替代品。经发酵来生产乙醇所用的生物质原料，按传统方法主要分为三类:糖、淀粉和纤维素物质。当前，以淀粉基生物质(如玉米、小麦、木薯等)作为原料制备燃料乙醇的技术最为成熟，市场占有率也最闻。
[0003]利用淀粉基生物质制备燃料乙醇的主要工艺路线为:原料的机械粉碎、低温蒸煮糖化、发酵、蒸馏。其中糖化、发酵可以分步进行，也可以同步进行。
[0004]同步糖化发酵淀粉质原料生产酒精，省略了糖化工段，能耗降低，糖化和发酵在同一个反应器中进行，节省了设备投资，另外糖化和发酵同时进行糖化生产的葡萄糖一经产生就被酵母利用，有利于防止染菌。但同步糖化发酵使纤维素酶和酵母不能同时在各自适宜的温度下工作，此外酵母菌由于与部分未糖化生物质混合在一起，无法通过循环提高发酵效率。
[0005]分步糖化发酵技术是指先将淀粉基生物质在α -淀粉酶和糖化酶的作用下低温蒸煮糖化，然后收集酶解后的糖液，再利用酵母发酵生产乙醇，这种方法的优点使糖化过程和发酵过程均在最优的条件下进行，缺点是淀粉水解后产生的葡萄糖将抑制α -淀粉酶和糖化酶的活性，酶解效率降低，造成水解后的葡萄糖浓度较低，降低了乙醇产量，增加了发酵成本和乙醇回收成本。
[0006]目前需要一种技术能够克服分步糖化发酵技术的缺点，解决淀粉水解后产生的葡萄糖抑制α -淀粉酶和糖化酶的活性，酶解效率降低，造成水解后的葡萄糖浓度较低，降低了乙醇产量，增加了发酵成本和乙醇回收成本的问题。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有分步糖化发酵技术中淀粉基生物质糖化过程受抑制的问题，提出了一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的方法，包括如下步骤:
[0008]取机械粉碎后经高温灭菌的淀粉，加入一定量的α -淀粉酶和糖化酶，然后按一定比例的加水比与无菌水混合均匀后，进料至糖化釜，在一定的条件下进行糖化。同时部分糖化液由离心泵输送至膜分离装置，经过滤后固相(主要是未完全糖化的淀粉质)返回至糖化釜。富含单糖的澄清液输送至含耐高温酵母菌培养物的发酵釜，为保持糖化釜及发酵釜内体积恒定，同时将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜。反应完毕后，所得液体为富含乙醇的发酵液体。同步糖化过滤发酵由糖化、过滤、发酵三部分组成。
[0009]α -淀粉酶的加入量优选为5~25U/g。糖化酶的加入量优选为100~250U/g。[0010]灭菌后的淀粉固体和无菌水的比例优选为Ig:1g~Ig:5go
[0011]优选的糖化条件为50~90°C，pH=4~7。
[0012]膜分离装置的分离膜孔径优选为0.2 μ m，过滤方式优选为错流。
[0013]酵母菌培养物优选为琼脂、蛋白胨和酵母粉，其中琼脂浓度为10~30g/L，蛋白胨浓度为10~20g/L，酵母粉浓度为5~15g/L。
[0014]优选的发酵条件为20~50°C，pH=4~7。
[0015]淀粉基生物质优选玉米、小麦、木薯。
[0016]本发明还提供了一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的装置，依次包括:用于使淀粉基生物质糖化的糖化釜；用于从糖化釜中抽出部分糖化液的离心泵；用于对离心泵输送来的糖化液进行过滤的过滤装置；用于从过滤装置抽出液相的离心泵；用于对过滤装置抽出的液相进行发酵的发酵釜；以及用于将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜的离心泵。
[0017]上述过滤装置为膜分离装置，并且分离膜的孔径为0.2μπι。
[0018]本发明带来以下技术效果:
[0019]使糖化过程和发酵过程均在最优的条件下进行，大大提高了糖化和发酵效率，减少了酶和酵母的用量，降 低了成本；
[0020]将部分澄清的水解液输送至发酵罐发酵，避免了分步糖化发酵过程中，由于水解液中葡萄糖的累积，对α-淀粉酶和糖化酶产生的抑制作用，减少了酶用量，降低了成本；[0021 ] 糖化釜和发酵釜之间的过滤装置，避免了同步发酵糖化过程中酵母菌由于与部分未糖化淀粉混合降低发酵效率的不利影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1示出了本发明的工艺流程。
【具体实施方式】
[0023]下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
[0024]下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0025]实施例1
[0026]一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的方法，所述方法具体包括如下步骤:
[0027]取粉碎粒度为0.3~0.6mm的玉米淀粉，经高温灭菌后，加入15U/g的α -淀粉酶和150U/g糖化酶,然后按Ig:3g的比例与无菌水混合均匀后,进料至糖化爸,在温度为80°C，pH=4.5的条件下进行糖化。同时部分糖化液由离心泵输送至过滤装置，分离膜孔径为
0.2 μ m，过滤方式为错流。经过滤后固相(主要是未完全糖化的淀粉质)返回至糖化釜。富含单糖的澄清液输送至含耐高温酵母菌培养物的发酵釜，发酵温度为30°C，pH=5。同时为保持糖化釜及发酵釜内体积恒定，同时将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜。整个过程进行96h后，所得液体为富含乙醇的发酵液体，其中乙醇含量为154.5g/L，为理论值的83.8%。
[0028]实施例2
[0029]一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的工艺，所述方法具体包括如下步骤:[0030]取机械粉碎后经高温灭菌的小麦淀粉，加入20U/g的α -淀粉酶和120U/g糖化酶，然后按Ig:2.8g的比例与无菌水混合均匀后，进料至糖化釜，在温度为80°C，pH=4.5的条件下进行糖化。同时部分糖化液由离心泵输送至过滤装置，分离膜孔径为0.2 μ m，过滤方式为错流。经过滤后固相(主要是未完全糖化的淀粉质)返回至糖化釜。富含单糖的澄清液输送至含耐高温酵母菌培养物的发酵釜，发酵温度为30°C，pH=5。同时为保持糖化釜及发酵釜内体积恒定，同时将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜。整个过程进行96h后，所得液体为富含乙醇的发酵液体，其中乙醇含量为159.lg/L，为理论值的85.2%。
[0031]实施例3
[0032]一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的工艺，所述方法具体包括如下步骤:
[0033]取机械粉碎后经高温灭菌的木薯淀粉，加入12U/g的α -淀粉酶和120U/g糖化酶，然后按Ig:2.5g的比例与无菌水混合均匀后，进料至糖化釜，在温度为80°C，pH=4.5的条件下进行糖化。同时部分糖化液由离心泵输送至过滤装置，分离膜孔径为0.2 μ m，过滤方式为错流。经过滤后固相(主要是未完全糖化的淀粉质)返回至糖化釜。富含单糖的澄清液输送至含耐高温酵母菌培养物的发酵釜，发酵温度为30°C，pH=5。同时为保持糖化釜及发酵釜内体积恒定，同时将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜。整个过程进行96h后，所得液体为富含乙醇的发酵液体，其中乙醇含量为146.7g/L，为理论值的78.3%。
[0034]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离 本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的方法，包括:在糖化釜中利用α-淀粉酶和糖化酶对淀粉基生物质进行糖化；收集酶解后的糖化液；以及在发酵釜中利用酵母菌培养物对糖化液进行发酵得到含有乙醇的发酵液；其特征在于:糖化的同时从糖化釜收集部分糖化液并输送至过滤装置，经过滤后的固相返回至糖化釜，而经过滤后的液相输送至发酵釜，同时将相同体积的发酵液循环返回至糖化釜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述过滤装置为膜分离装置，并且分离膜的孔径为0.2 μ m。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:过滤方式为错流。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:所述淀粉基生物质选自玉米、小麦、木薯中的一种或多种。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:所述α-淀粉酶的加入量为5~25U/g，所述糖化酶的加入量为100~250U/g。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:糖化的温度为50~90°C，pH为4~7。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:在糖化之前，淀粉基生物质经过高温灭菌，并与无菌水混合，灭菌后的淀粉基生物质与无菌水的混合比例以质量计为1:1 ~1:5。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:所述酵母菌培养物为琼脂、蛋白胨和酵母粉，其中琼脂浓度为10~30g/L，蛋白胨浓度为10~20g/L，酵母粉浓度为5~15g/L。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于:发酵的温度为20~50°C，pH为4~7。
10.一种淀粉基生物质同步糖化发酵生产乙醇的装置，依次包括:用于使淀粉基生物质糖化的糖化釜；用于从糖化釜中抽出部分糖化液的离心泵；用于对离心泵输送来的糖化液进行过滤的过滤装置；用于从过滤装置抽出液相的离心泵；用于对过滤装置抽出的液相进行发酵的发酵釜；以及用于将相同体积的发酵液循环返回至糖化爸的离心泵。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述过滤装置为膜分离装置，并且分离膜的孔径为0.2 μ m。
【文档编号】C12P7/06GK103898165SQ201410043618
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2014年1月29日
【发明者】祝涛, 张慧, 艾衍林, 周江沛, 丁旭, 杨昌南, 张军, 郭华, 苑文博, 郭晓宇, 张洪刚, 潘磊 申请人:中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院