发明专利转让：一种木薯生料发酵产酒精的新工艺

【专利名称】一种木薯生料发酵产酒精的新工艺

【专利号】2018100835112

【申请日】2018年01月29日

【法律状态】专利权维持

【专利权人】罗绍庆

【专利摘要】本发明提供一种木薯生料发酵产酒精的新工艺，通过负载离子液体生物炭处理木薯粉，提高木薯淀粉溶出率，再利用反胶束‑酶进行淀粉水解，然后接种酵母进行发酵产酒精；生物炭负载离子液体提高了其反应效率，降低了成本，同时降低了浓醪对酵母的抑制作用，反胶束能提高酶活性和酶稳定性，同时反胶束能提高离子液体的回收率。本发明的酒精生产工艺革新了传统的高温蒸煮，降低了能耗，提高了酒精产量，具有很好发展前景。

【发明内容】

技术领域

本发明属于酒精生产技术领域，特别涉及一种木薯生料发酵产酒精的新工艺。

背景技术

随着能源危机的到来，利用可再生资源(粮食或植物纤维)发酵生产乙醇，作为生物能源来代替或部分代替石油被提上了日程。燃料乙醇作为清洁能源，在日益重视环保的今天，更是倍受关注。木薯是世界三大薯类之一，全球年产量在1.3亿吨以上。干木薯的淀粉含量超过80%，是酒精生产的理想原料。随着全球能源危机的加剧，以木薯为原料发酵生产酒精的行业正逐步扩大。

目前，以淀粉质原料作为底物，美国的酒精厂可以达到12％(V/V，下同)。而我国的燃料乙醇生产技术主要是以淀粉质为原料的酒精生产技术，发酵液中乙醇含量为8％～10％，低于世界水平，乙醇发酵效率为88％～90％。该生产技术能耗高，废水多，COD负荷大。高浓度酒精发酵(Very High Gravity，简称VHG)，可以降低能耗、提高产率，降低蒸馏费用，从而有效降低成本。高浓度酒精发酵技术将是酒精发酵工艺的重大技术进步之一。

发明专利CN200610022209.3，一种高浓度酒精发酵的方法，该方法克服了现有酒精发酵中存在的发酵效率低、发酵时间长等缺点。采用前期通入无菌空气，发酵至8～30h时补料和添加发酵促进剂，经25～35℃、振荡或搅拌转速为10～500r/min、时间50～66h发酵，得到高浓度乙醇，发酵液中乙醇的体积比浓度达16％～18％。本发明能快速、高效地生产高浓度酒精。

发明专利CN200810073402.9，利用木薯渣的酒精生产方法，木薯渣经蒸煮和糖化后进行渣水分离，固渣直接作为饲料或肥料，分离的木薯渣糖化滤液用作生木薯或木薯干片的调浆用液，调浆后经蒸煮，糖化，进入发酵罐发酵生产酒精。本方法生产周期短，能耗低，操作简便，产品稳定性高，有效地解决了生产木薯渣酒精的能耗高，污染严重的问题，提高了木薯渣的经济效益，解决目前木薯渣废弃物的利用问题，提高了木薯酒精厂的经济效益。

发明专利CN201010197893.5，酶制剂生产发酵废液应用于木薯原料生产酒精的方法，利用木薯为原料，通过添加淀粉酶和糖化酶的生产发酵废液生产酒精的方法。酶制剂生产发酵废液应用于木薯原料生产酒精的方法，包括木薯粉粉浆、液化、糖化和发酵，其特征在于，在液化过程中不添加淀粉酶只单独添加淀粉酶发酵废液，或在添加淀粉酶的同时添加淀粉酶发酵废液；和/或在糖化过程中不添加糖化酶只单独添加糖化酶发酵废液，或在添加糖化酶的同时添加糖化酶发酵废液。经实际生产表明，本方法可提高木薯原料出酒精率，减少淀粉酶用量，减少糖化酶用量，减少营养盐用量，降低了酶制剂生产的废液处理成本，提高了酒精生产效益。

现有技术中，酒精发酵多以同步糖化发酵法进行酒精生产，耗能大，设备要求高，同时原料利用率低，不符合国际节能减排的要求。

发明内容

针对现有技术中酒精发酵生产能耗大，酒精产率和原料利用率低的现状，本发明提供一种木薯生料发酵产酒精的新工艺。

本发明的新工艺是通过以下技术方案实现的：

一种木薯生料发酵产酒精的新工艺，包括以下步骤：

A.将无病害的木薯干片进行粉碎，过40~100目，得到木薯粉，然后将木薯粉与0.4~0.6g/L酵母膏、0.10~0.14g/L尿素、1.4~1.6g/L蛋白胨、20~30mg/L硫酸钙在60~80℃温水中混合，配置成25~35%（W/V）的木薯粉溶液；

B.在木薯粉溶液中加入5~10倍量的负载离子液体生物炭进行反应2~3h，然后加入反胶束-酶，在45~55℃下进行生料水解30~60min，2000~2500r/min下离心分离，取上相溶液，得到淀粉糊；

所述反胶束-酶组成为：214~264IU/g木薯粉的α-淀粉酶和392~694IU/g木薯粉的糖化酶；

C.在淀粉糊中加入硫酸铵4.0~6.0g/L、磷酸二氢钾2.5~3.5g/L、硫酸镁0.4~0.6g/L制备成发酵培养基，调节初始pH为5.5~6.0，然后接种8%~10%的酵母菌种子液，于27~30℃、125~150rpm下进行发酵42~68h，得到成熟醪液；

D.按照酒精蒸馏工艺，将上述成熟醪液送去蒸馏，得到成品酒精；

步骤B所述负载离子液体生物炭的制备方法如下：

（1）将粒度为250~420μm的生物炭分别与乙醇溶液、1mol/L盐酸溶液、去离子水按固液比1:2在20℃下磁力搅拌反应4h，过滤除去有机物及可溶性杂质，再用去离子水将生物炭洗至中性，烘干，得到处理后的生物炭；

（2）按质量份数比，称取10~15份离子液体1-乙基咪唑磷酸三甲酯盐（[EMIM][DMP]）于锥形瓶中，加入20~25份 PEG4000混合均匀，再加入30~45份处理后的生物炭，置于恒温振荡箱中，于20℃下振荡反应10~12h，过滤，置于85℃烘箱中干燥8~9h，得到负载离子液体生物炭；

步骤B所述反胶束-酶溶液的制备方法如下：

（1）取0.1~0.4mol/L的丁二酸二异辛盐磺酸钠AOT于烧杯中，按浓度比1:1加入0.1~0.4mol/L的异辛烷溶解至粉末完全消失，在磁力搅拌器上搅拌30min，定容制备成反胶束溶液；

（2）称取α-淀粉酶和糖化酶，按体积比1:1:1加入到柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中混合，得到酶缓冲液；

（3）将酶缓冲液和反胶束溶液按体积比1：（100~150）进行混合，振荡至澄清，即可得到反胶束-酶溶液。

利用生物炭负载离子液体代替传统高温蒸煮工艺，能有效提高淀粉溶出率，通过反胶束处理后的淀粉酶和糖化酶活力和酶的稳定性更高，两者结合提高了发酵液中葡萄糖的含量，生物炭降低了浓醪发酵对酵母的抑制作用，同时其多孔、比表面积大和表面活性官能团多的特点，能促进酵母细胞繁殖，加速酵母进入对数生长期，从而提高了酵母产乙醇的效率，缩短发酵周期。

在45~55℃时，淀粉酶和糖化酶在反胶束中的活力和稳定性最大，能最大效率的降解淀粉和葡糖糖供酵母发酵产以乙醇。

少量钙离子能提高糖化酶的稳定性，降低酶活力消耗速度，钙离子还能分解木薯粉中的磷，提供给酵母使其繁殖速度加快。

离子液体对纤维素具有很好的溶解能力， 但离子液体价格昂贵，难以回收，因此将离子液体负载于多孔、比表面积大的生物炭上，降低成本，提高离子液体反应界面，同时生物炭易于回收；PEG4000能提高磷酸盐离子液体水解木质素产糖率，阻止了纤维素再结晶，从而提高酶解产率。

作为本发明的进一步改进，步骤C所述酵母种子液接种量为15×106cell/ml，种子活性为98%以上；

所述酵母种子液制备方法如下：

（1）将酵母菌在活化培养基上划线，于37℃下培养72h长出单菌落，然后将平板单菌落接种含50ml活化培养基的100ml三角瓶中，在26~30℃下，250rpm摇床振荡培养24~28h，得到种子酵母；

（2）将种子酵母接入含30ml种子培养基的250ml三角瓶中，接种量为10%，在33℃下，250rpm摇床中培养24~36h，培养至菌体OD值为8.0，且菌体活性为95%以上，得到酵母种子液；

所述活化培养基为麦芽汁培养基：称取1kg市售麦芽粉，加入60~65℃温水3500~4000ml，于55~60℃保温糖化4h，然后过滤，除去残渣，滤液3000rpm离心20min，煮沸用脱脂棉再过滤一次，即得到澄清、透明的麦芽汁，将麦芽汁稀释至10~12Brix，自然pH，121℃灭菌20min即可；平板固体培养基中加入2%琼脂；

所述种子培养基含有以下物质：酵母膏1%，蛋白陈2%，葡萄糖2%，121℃下高压灭菌，即可得到种子培养基；固体葡萄糖培养基中加入2%琼脂。

作为本发明的进一步改进，步骤B所述离心分离后，中相和下相为负载离子液体生物炭，回收用于再次水解，使用次数为4~5次。

作为本发明的进一步改进，步骤B所述的负载离子液体生物炭制备方法，所述离子液体与处理后生物炭质量比为1:（2~3）；所述PEG4000与[EMIM][DMP]比为1%（w/w）。

离子液体负载率随着离子液体浓度的增大而增大，但到一定比时负载率达到饱和，经过研究发现，离子液体和生物炭质量比为1:（2~3）时，离子液体负载率最高；低浓度的表面活性剂PEG4000能与反胶束液中的有机物协同提高酶解效率，过高浓度的PEG4000浓度会增加离子液体降解能力而抑制酶活性，破坏酶的稳定性，经过试验发现PEG4000与离子液体的质量浓度比为1%时，糖化酶和淀粉酶活力和稳定性最好，同时不影响酵母发酵。

作为本发明的进一步改进，步骤B所述的反胶束溶液的容水量ω0为32~40。

相同表面活性剂浓度下，随着反胶束容水量的增大，酶活性相比于水中增大；相同容水量情况下，酶活力随着表面活性剂浓度变化先增大后降低，是因为表面活性剂和酶之间的静电作用使酶失活。因而，以酶活最大为目的，确定最佳表面活性剂浓度为0.1~0.4mol/L和容水量为32~40。

作为本发明的进一步改进，步骤B所述的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液的pH为4.2~4.4。

反胶束容水量和pH均会影响酶的活性，容水量标示反胶束溶液中水与有机溶剂的摩尔质量比，过多的有机溶剂会抑制酶的活力，当容水量在32~40时，淀粉酶和糖化酶的活力呈上升趋势，在pH4.2~4.4时淀粉酶和糖化酶活力持续增长；反胶束还可以提高离子液体的表面张力，降低纤维素的结晶度，从而提高淀粉溶出率，协同双酶水解糖化提高糖含量，从而提高酒精产率。

本发明的有益效果：

1、本发明利用离子液体和反胶束-酶进行木薯生料发酵产酒精，革新了传统高温蒸煮工艺，减少了能耗；

2、本发明提高了淀粉溶出率、糖产率和酵母发酵效率，大大缩短了酒精发酵周期，提高酒精产率；

3、本发明降低了设备成本和能量消耗，提高了原料利用率和酒精产率，具有很好的经济效益。

【附图】无

【合作方式】专利权转让

【价格】面议