專利名稱：利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物燃料的生產(chǎn)方法，具體地說(shuō)涉及一種利用甜高粱莖稈生產(chǎn) 乙醇的方法。
技術(shù)背景石油、天然氣、煤炭的過(guò)量開采和使用，使世界面臨嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán) 境危機(jī)，尋找替代的可持續(xù)的環(huán)保的綠色能源，成為世界能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。而 生物燃料乙醇是一種可行的替代途徑，目前中國(guó)主要以陳化糧為原料生產(chǎn)燃料 乙醇，不但與人爭(zhēng)糧爭(zhēng)地，難以廣泛解決交通能源問題，而且從能源利用的整 個(gè)生命周期來(lái)看，糧食乙醇的C02釋放量并沒有降低，不能達(dá)到環(huán)保目的，同 時(shí)利用糧食生產(chǎn)燃料乙醇，不但成本高，還造成糧食的浪費(fèi)。因此需要尋找新 的生產(chǎn)生物燃料的植物原料，甜高粱莖稈富含糖分和纖維，是一種比較理想的 生產(chǎn)燃料乙醇的原料。與其他能夠生產(chǎn)酒精的能源作物相比，甜高粱具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)第一，在生物量能源系統(tǒng)中，甜高粱是第一位的競(jìng)爭(zhēng)者，每公頃能收獲2250 7500千 克的籽粒，莖稈富含糖分，且產(chǎn)量極高， 一般每公頃鮮秸稈的產(chǎn)量在75噸左右。 第二，甜高粱是高能作物。生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，每公頃甜高粱每天合成的碳水化合 物可產(chǎn)48升酒精，而玉米只有15升，小麥為3升，粒用高粱才9升。第三， 甜高粱不僅產(chǎn)量高，而且其適應(yīng)性很廣，抗旱、耐澇、耐鹽堿，是作物中的"駱 駝"。甜高粱在pH值5 8. 5的各種類型的土壤均可栽培，在含鹽量達(dá)到0. 36% 0.53%的鹽堿土地上，甜高粱能正常生長(zhǎng)，產(chǎn)量能達(dá)到4 5.5噸。因?yàn)槲覈?guó)的 可耕地面積有限，所以鹽堿土地，特別是海濱灘涂的鹽堿性土壤，是發(fā)展燃料 酒精產(chǎn)業(yè)最理想的區(qū)域，而甜高粱就是生產(chǎn)燃料酒精最適宜的原料作物之一。目前，利用甜高粱莖稈生產(chǎn)燃料乙醇主要是利用甜高粱莖稈的汁液或者籽 粒加汁液進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，如專利申請(qǐng)《甜高粱莖稈汁液生產(chǎn)乙醇的方法》(申 請(qǐng)?zhí)?00510076833.7)、《利用甜高粱莖稈制造乙醇液體發(fā)酵技術(shù)》(申請(qǐng)?zhí)枮?200410035604.6)、《甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇工藝方法》(申請(qǐng)?zhí)枮?02151719.3)、《一種燃料乙醇及其制取工藝》(申請(qǐng)?zhí)枮?007100022972.4)、《以甜莖玉米 或甜高粱的干秸稈為原料制取乙醇的工藝》(申請(qǐng)?zhí)枮?00610134397.9)等中 主要利用甜高粱莖稈汁液生產(chǎn)乙醇，《利用甜高粱秸稈及其籽粒制取乙醇的方 法》(申請(qǐng)?zhí)枮?00710057584.6)、《用甜高粱秸稈制取乙醇的方法》(申請(qǐng)?zhí)?為200710010720.6)等利用甜高粱莖稈汁液和籽粒生產(chǎn)乙醇，這些發(fā)明利用 莖稈汁液發(fā)酵僅僅利用了甜高粱莖稈中部分可溶性糖，而將甜高粱渣中與可溶 性糖幾乎等量的，以纖維素和半纖維素形式存在的結(jié)構(gòu)糖棄去或燃燒，不但造 成大量浪費(fèi)，原料利用率低，而且造成了空氣和環(huán)境污染。隨著纖維素預(yù)處理 技術(shù)的提高，美國(guó)生物質(zhì)加工應(yīng)用創(chuàng)新聯(lián)合體(CAFI)在酸預(yù)處理，氨爆破預(yù) 處理都取得了很大成果；國(guó)際先進(jìn)酶制劑公司，如諾維信和杰能科將纖維素酶 價(jià)格的降低；使充分利用甜高粱莖稈中的非結(jié)構(gòu)糖和結(jié)構(gòu)糖生產(chǎn)燃料乙醇成為 可能，這將大大提高原料利用率和乙醇得率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的方法，此方法可充分 利用甜高粱莖稈中的非結(jié)構(gòu)糖和結(jié)構(gòu)糖，原料利用率高，且乙醇得率高。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為 利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的方法，包括如下步驟(1 )將成熟的甜高粱莖稈進(jìn)行壓榨，得莖稈汁液和甜高粱渣；(2 )對(duì)甜高粱渣進(jìn)行稀酸爆破預(yù)處理；(3 )用纖維素酶將甜高粱渣酶解糖化；(4 )混合糖液并調(diào)節(jié)糖汁濃度；(5 )酵母活化；(6 )發(fā)酵，即得乙醇。 上述生產(chǎn)乙醇的方法步驟(1 )中所述的壓榨是指將成熟的甜高粱莖稈粉碎切割成10mm 25mm的絲狀小段，然后進(jìn)行壓搾，再向所得甜高粱渣中加 10 20%的水進(jìn)行二次壓榨，得莖稈汁液和甜高粱渣；再將所得莖稈汁液在85 10(TC蒸煮30 45min，然后離心、過(guò)濾，去沉淀，得澄清的莖稈汁液。上述生產(chǎn)乙醇的方法步驟(2)中所述的對(duì)甜高粱渣進(jìn)行稀酸爆破預(yù)處理 是指將上述所得甜高粱渣風(fēng)干或者在30 45t:下烘干，然后將甜高粱渣在0.1 0.5。/。H2S04溶液中浸泡8 12小時(shí)，再置于蒸汽爆破罐中，升壓，在1.3 1.9MPa 壓力下保持6 10min，瞬間泄壓，收集汽爆后所得的甜高粱渣；用水洗滌經(jīng)酸爆破處理后的甜高粱渣，得預(yù)處理漿液和固體回收物，向所得漿液中加入Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值到9.5 10.5，攪拌1 1.5h，沉淀過(guò)濾，得澄清的預(yù)處理漿 液。上述生產(chǎn)乙醇的方法步驟(3)中所述的用纖維素酶將甜高粱渣酶解糖化是 指加水浸沒上述所得固體回收物，調(diào)節(jié)pH值為4.8 5.5，按甜高粱渣干重添加 纖維素酶15 30 FPU/g， P-葡萄糖糖苷酶20 30 CBU/g，于45 5(TC酶解72 108h，期間每隔5 8h攪拌一次，過(guò)濾，獲得酶解糖液。上述生產(chǎn)乙醇的方法步驟(4)中所述的調(diào)節(jié)糖汁濃度是指將上述所得莖 稈汁液、預(yù)處理漿液和酶解糖液混合，然后將混合糖液進(jìn)行蒸煮濃縮，得糖汁 濃度為16 24%的混合糖液。上述生產(chǎn)乙醇的方法步驟(5)中所述的酵母活化是指按照通常的方法制 備酵母菌種子液，即將(C斜面保藏的酵母菌株接種到酵母活化培養(yǎng)基中，于 28 32°C、 100 120rpm條件下恒溫?fù)u床中培養(yǎng)16 20h;然后再按5%的接種 量轉(zhuǎn)接入種子培養(yǎng)基中，于28 32°C、 100 120rpm條件下恒溫?fù)u床中培養(yǎng)18 24h;依次擴(kuò)大培養(yǎng)即可；其中所述的活化培養(yǎng)基的組成成分及其重量百分比為1.5 2%葡萄糖，1.5 2%蛋白胨，0.8 1°/。酵母浸提物，0.15 0.2%KH2PO4， 0.05 0.1% MgS04， pH值5.0;其中所述的種子培養(yǎng)基的組成成分及其重量百 分比為1.5 2%葡萄糖，1.5 2%蛋白胨，0.8 1%酵母浸提物。上述生產(chǎn)乙醇的方法步驟(6)中所述的發(fā)酵是指按照重量百分比向上述 所得混合糖液中加入0.1 0.3%尿素、0.15 0.25% MgS04 7H20和0.25 0.5% CaCl2.2H20，然后在100 120。C下滅菌10 15min，再按汁液體積比5 10% 的接入釀酒酵母種子液，于32 35。C密封發(fā)酵32 48小時(shí)；然后蒸餾收集乙 醇，得乙醇。上述方法步驟(1)中所述的壓榨可通過(guò)壓榨機(jī)進(jìn)行。上述方法步驟(4)中所述的纖維素酶是指耐高溫纖維素酶、P-葡萄糖苷酶 或羥甲基纖維素酶等；所述的纖維素酶均可從市場(chǎng)上購(gòu)買，如從湖南尤特爾生 化有限、杰能科公司、Sigma公司等公司購(gòu)買。上述步驟(6)中所述的釀酒酵母可從市場(chǎng)上購(gòu)買，也可從中國(guó)微生物菌 種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心購(gòu)買，如耐酒精酵母菌(Saccharomyces cerevisiae 2.119)。上述方法步驟(6)中所述的尿素的作用是作為氮源。上述方法步驟(6)中所述的MgS04 7H20和0.5% CaCl2 2H20的作用是作為營(yíng)養(yǎng)鹽。上述方法步驟(6)所述的發(fā)酵時(shí)間可根據(jù)發(fā)酵過(guò)程中排放C02引起的失重 控制發(fā)酵時(shí)間。上述方法中沒有具體指出的部分應(yīng)理解為通常所用的方法或者設(shè)備。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明甜高粱秸稈利用率高，可將秸稈中的結(jié)構(gòu)糖和 非結(jié)構(gòu)糖都得到充分的利用；(2)本發(fā)明乙醇產(chǎn)率高，由于利用了甜高粱的汁 液和纖維素，因此其乙醇產(chǎn)率可達(dá)每100千克秸稈產(chǎn)7.3千克左右的乙醇；(3) 本發(fā)明纖維素酶的糖化效率高，由于采用稀酸爆破處理技術(shù)，使半纖維素，木 質(zhì)素、纖維素結(jié)構(gòu)分離，甜高粱渣結(jié)構(gòu)空隙間隔增大，因此提高了纖維素酶的 糖化效率，將甜高粱渣中以纖維素和半纖維素存在的結(jié)構(gòu)糖最大程度水解，結(jié) 構(gòu)糖轉(zhuǎn)化率可達(dá)85%以上；(4)本發(fā)明采用耐酒精的酒精酵母，可進(jìn)行高密度 發(fā)酵，縮短了發(fā)酵時(shí)間，提高了發(fā)酵效率，也可節(jié)省大量能源，提高設(shè)備利用 率和生產(chǎn)效率；(5)本發(fā)明從根本上改變了以糧食為原料生產(chǎn)乙醇的現(xiàn)狀。


圖1為本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇，包括如下步驟(1) 甜高粱莖稈搾汁將含水量72.8%，含糖量13.9%，粗纖維含量9.6% 的甜高粱莖桿100千克粉碎切割成10mm 25mm的絲狀小段，用壓榨機(jī)進(jìn)行壓 榨，然后向所得甜高粱渣中加水進(jìn)行二次壓搾，得甜高粱汁液和殘?zhí)呛繕O低 的絲狀甜高粱渣；(2) 將甜高粱莖稈汁液IO(TC蒸煮30分鐘，離心過(guò)濾，去沉淀，獲得澄 清的甜高粱汁液。(3) 甜高粱渣稀酸爆破預(yù)處理將甜高粱渣自然風(fēng)干，用0.1% H2S04溶 液浸泡12小時(shí)，置入蒸汽爆破罐關(guān)閉裝置；在1.5MPa壓力下保持6min，瞬 間泄壓，收集汽爆原料；用水洗滌酸爆破處理的甜高粱渣，得預(yù)處理漿液和固 體回收物，向預(yù)處理漿液中加入Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值到10.5，攪拌1 h，沉淀過(guò) 濾，棄沉淀，濾液用H2S04中和到5.0，得澄清的預(yù)處理漿液；(4) 甜高粱渣酶解糖化加水浸沒甜高粱渣預(yù)處理后的固體回收物，Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值到5.5，按甜高粱渣干重添加纖維素酶(湖南尤特爾生化有 限公司生產(chǎn))30FPU/g， (3-葡萄糖糖苷酶(Novozym188，諾維信公司生產(chǎn))30 CBU/g，于5(TC酶解108h，每隔6h攪拌一次，過(guò)濾，得酶解糖液。(5) 酵母培養(yǎng)將在4X:斜面保藏的耐酒精酵母菌(Saccharomyces cerevisiae 2.119，得自中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心)三環(huán)接 種到20mL酵母種子活化培養(yǎng)基中，于32。C、 120 rpm恒溫?fù)u床中培養(yǎng)20h; 然后再按5。/。的接種量轉(zhuǎn)接入100ml的種子培養(yǎng)基中，于32'C、 120 rpm恒溫 搖床中培養(yǎng)20h;依次擴(kuò)大培養(yǎng)；得酵母培養(yǎng)液。(6) 調(diào)節(jié)糖汁濃度將步驟(2 )所得甜高梁汁液、步驟(3 )所得預(yù) 處理漿液和步驟(4)所得酶解糖液混合，得混合糖液，將混合糖液進(jìn)行蒸煮 濃縮，得糖汁濃度為20%的混合糖液。(7) 發(fā)酵向步驟(6)的混合糖液中添加0.3%尿素、0.25% MgS04 7H20 和0.5%CaCl2 2H20，于121。C滅菌15 min，按汁液10%的比例將步驟(5)的 耐酒精的釀酒酵母活化液添加到混合糖液中，然后于32。C密封發(fā)酵32h，發(fā)酵 液中酒精濃度達(dá)8.3% (w/v)，蒸餾收集乙醇，得乙醇7.56Kg。實(shí)施例2利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇，包括如下步驟(1) 甜高粱莖稈榨汁將含水量72.8%，含糖量13.9%，粗纖維含量9.6% 的甜高粱莖稈100Kg粉碎切割成10mm 25mm的絲狀小段，用壓榨機(jī)進(jìn)行壓 榨，然后向所得甜高粱渣中加水并進(jìn)行二次壓榨，得甜高粱汁液和殘?zhí)呛繕O 低的絲狀甜高粱渣。(2) 將步驟(1)所得甜高粱莖稈汁液10(TC蒸煮30分鐘，離心過(guò)濾，去 沉淀，獲得澄清的甜高粱汁液。(3) 甜高粱渣稀酸爆破預(yù)處理將步驟(1)所得甜高粱渣風(fēng)干，用0.5% H2S04溶液浸泡8小時(shí)，置入蒸汽爆破罐中，關(guān)閉裝置；迅速升壓，在1.5MPa 壓力下保持6min，瞬間泄壓，收集汽爆原料；用水洗滌酸爆破處理的甜高粱渣， 得預(yù)處理漿液和固體回收物，槳液中加入Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值到10.5，攪拌1 h， 沉淀過(guò)濾，棄沉淀，濾液用H2S04中和到5.0，得澄清的預(yù)處理漿液。(4)甜高粱渣酶解糖化。加水浸沒甜高粱渣預(yù)處理后的固體回收物，Ca(OH)2 調(diào)節(jié)pH值到5.0，按甜髙粱渣干重添加纖維素酶(Celludastl.5L，諾維信公生產(chǎn))15FPU/g， p-葡萄糖糖苷酶(Novozym 188，諾維信公司生產(chǎn))30 CBU/g， 于50"C酶解72h，每隔6h攪拌一次。獲得酶解糖液。(5) 酵母活化 將4'C斜面保藏的耐酒精酵母菌(Saccharomyces cerevisiae 2.119，得自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心)接種到20ml酵母種 子活化培養(yǎng)基中，于32t:、 120 rpm恒溫?fù)u床中培養(yǎng)20h。然后再按5%的接 種量轉(zhuǎn)接入100ml的種子培養(yǎng)基中，于32。C、 120 rpm恒溫?fù)u床中培養(yǎng)18h。 依次擴(kuò)大培養(yǎng)。(6) 調(diào)節(jié)糖汁濃度將步驟(2 )所得甜高粱汁液、步驟(3 )所得預(yù) 處理漿液和步驟(4)所得酶解糖液混合，，得混合糖液，將混合糖液進(jìn)行蒸煮 濃縮，得糖汁濃度為16%的混合糖液。(7) 發(fā)酵向步驟(6 )所得混合糖液中添加0.3%尿素，添加0.25% MgS04*7H20， 0.5% CaCl2 2H20，于121'C滅菌15 min，再將釀酒酵母活化 液按汁液10%添加到混合糖液中，于35'C密封發(fā)酵32h，發(fā)酵液中酒精濃度為 6.6% (w/v)，蒸餾收集乙醇，得乙醇7.28Kg。
權(quán)利要求
1、利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的方法，包括如下步驟(1)將成熟的甜高粱莖稈進(jìn)行壓榨，得莖稈汁液和甜高粱渣；(2)對(duì)甜高粱渣進(jìn)行稀酸爆破預(yù)處理；(3)用纖維素酶將甜高粱渣酶解糖化；(4)混合糖液并調(diào)節(jié)糖汁濃度；(5)酵母活化；(6)發(fā)酵，得乙醇。
2 、按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于其步驟(1 )中 所述的壓榨是指將成熟的甜高粱莖稈粉碎切割成10mm 25mm的絲狀小段，然 后進(jìn)行壓榨，再向所得甜高粱渣中加10 20%的水進(jìn)行二次壓榨，得莖稈汁液 和甜高粱渣；然后將所得莖稈汁液在85 10(TC蒸煮30 45min，離心、過(guò)濾、 去沉淀，得澄清的莖稈汁液。
3 、按照權(quán)利要求1或2所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于其步驟(2 ) 中所述的對(duì)甜高粱渣進(jìn)行稀酸爆破預(yù)處理是指將上述所得甜高粱渣風(fēng)干或者在 30 45。C下烘干，然后將甜高粱渣在0.1 0.5。/。H2SO4溶液中浸泡8 12小時(shí)， 再置于蒸汽爆破罐中，升壓，在1.3 1.9MPa壓力下保持6 10min，瞬間泄壓， 收集汽爆后所得的甜高粱渣；用水洗滌經(jīng)酸爆破處理后的甜高粱渣，得預(yù)處理 槳液和固體回收物，向所得漿液中加入Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值到9.5 10.5，攪拌1 1.5 h，沉淀過(guò)濾，得澄清的預(yù)處理漿液。
4、 按照權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于其步驟(3)中所 述的用纖維素酶將甜高粱渣酶解糖化是指加水浸沒權(quán)利要求3中所得固體回收 物，調(diào)節(jié)pH值為4.8 5.5，按甜高粱渣干重添加纖維素酶15 30 FPU/g，卩-葡萄糖糖苷酶20 30 CBU/g，于45 5(TC酶解72 108h，期間每隔5 8h攪拌一次，過(guò)濾得酶解糖液。
5、 按照權(quán)利要求4所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于其步驟(4)中 所述的調(diào)節(jié)糖汁濃度是指將權(quán)利要求2中所得的莖稈汁液、權(quán)利要求3中所得 預(yù)處理漿液和權(quán)利要求4中所得的酶解糖液混合，得混合糖液，然后將混合糖 液進(jìn)行蒸煮濃縮，得糖汁濃度為16 24%的混合糖液。
6、 按照權(quán)利要求5所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于其步驟(5)中所述的酵母活化是指按照通常的方法制備酵母菌種子液，即將4"C斜面保藏的 酵母菌株接種到酵母活化培養(yǎng)基中，于28 32。C、 100 120rpm條件下恒溫?fù)u 床中培養(yǎng)16 20h;然后再按5%的接種量轉(zhuǎn)接入種子培養(yǎng)基中，于28 32'C、 100 120 rpm條件下恒溫?fù)u床中培養(yǎng)18 24h;依次擴(kuò)大培養(yǎng)即可；其中所述 的活化培養(yǎng)基的組成成分及其重量百分比為1.5 2%葡萄糖，1.5 2%蛋白 胨，0.8 1%酵母浸提物，0.15 0.2%KH2PO4， 0.05 0.1% MgS04， pH值5.0; 其中所述的種子培養(yǎng)基的組成成分及其重量百分比為1.5 2%葡萄糖，1.5 2%蛋白胨，0.8 1%酵母浸提物。
7、 按照權(quán)利要求6所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于其步驟(6)中 所述的發(fā)酵是指按照重量百分比向權(quán)利要求5中所得的混合糖液中加入0.1 0.3%尿素、0.15 0.25% MgS04 7H20禾卩0.25 0.5% CaCl2 2H20，然后在 100 120。C下滅菌10 15min，再按汁液體積比5 10。/。的接入釀酒酵母種子液， 于32 35。C密封發(fā)酵32 48小時(shí)；然后蒸餾收集，得乙醇。
8、 按照權(quán)利要求6所述的生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于所述的酵母是耐 酒精酵母菌Saccharomyces cerevisiae 2.119。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇的方法，屬于植物燃料領(lǐng)域。本發(fā)明包括如下步驟將甜高粱莖稈汁渣分離，然后對(duì)甜高粱渣進(jìn)行稀酸爆破預(yù)處理，纖維素酶酶解獲得可發(fā)酵糖，再混合甜高粱汁液和高粱渣處理所得發(fā)酵糖液，進(jìn)行濃縮調(diào)節(jié)，最后用釀酒酵母發(fā)酵，即得乙醇。本發(fā)明方法能充分利用甜高粱秸稈，并具有發(fā)酵時(shí)間短，纖維素酶的酶解效率高，乙醇產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C12P7/06GK101220379SQ20081005771
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月5日
發(fā)明者莉 劉, 萍 劉, 孫君社, 康利平, 張京生 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)