一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種燃料乙醇的生產(chǎn)方法，尤其是涉及一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]乙醇是一種重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥衛(wèi)生和軍事等領(lǐng)域，當(dāng)前乙醇的生產(chǎn)原料主要為淀粉、糖類等糧食和經(jīng)濟農(nóng)作物，包括玉米、小麥和甘蔗等；在當(dāng)今世界面臨能源需求不斷增加而環(huán)境污染日益加重的嚴(yán)峻形勢下，乙醇越來越多地成為補充汽油的液體燃料，但在耕地面積不足或有限的國家，這類乙醇的生產(chǎn)勢必形成“與糧爭地、與人爭糧”的危險局面，用糧食或經(jīng)濟作物來解決能源問題顯然是不可持續(xù)的。
[0003]纖維乙醇利用農(nóng)業(yè)廢棄物或者生產(chǎn)于邊際性土地的第二代能源作物為原料，被視為可部分替代汽油的理想液體燃料，具有可再生和清潔能源雙重優(yōu)勢，已成為許多國家新能源戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向，其產(chǎn)業(yè)化對社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。芒草(Miscanthus)作為第二代能源作物的代表，原產(chǎn)中國，已受到世界各國的青睞，其具有生物質(zhì)產(chǎn)量大，纖維素含量高，而且具有耐寒、抗旱和耐鹽堿貧瘠等特點，可在不適合糧食生產(chǎn)的邊際性土地上大規(guī)模種植，為纖維素乙醇的生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)原料。
[0004]纖維乙醇的轉(zhuǎn)化涉及兩個關(guān)鍵技術(shù)，即木質(zhì)纖維材料的有效預(yù)處理和纖維素酶的優(yōu)化利用。木質(zhì)纖維原料中的木質(zhì)素、半纖維素緊密地包裹著纖維素，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此需要對木質(zhì)纖維素進行預(yù)處理來改變纖維素的天然結(jié)構(gòu)，降低纖維素的結(jié)晶度和聚合度，從而有利于纖維素酶與底物的結(jié)合及水解。預(yù)處理工藝中試驗較多的為稀酸或稀堿處理，如專利號200910250006中提到的使用添加酸、堿等化學(xué)物對秸桿進行高溫預(yù)處理生產(chǎn)燃料乙醇方法。在纖維素酶的選擇和使用方面，目前使用的纖維素酶大多購買于少數(shù)酶制劑公司。因此目前纖維乙醇的生產(chǎn)會存在以下問題:(1)對木質(zhì)纖維素進行酸堿預(yù)處理不可避免地產(chǎn)生大量易造成環(huán)境污染的廢液，以及抑制后續(xù)發(fā)酵的毒性物質(zhì)，(2)纖維素酶的購買不僅大大地提高了生產(chǎn)成本，而且為優(yōu)化酶解效率造成了困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，該方法具有無污染，酶解效率高，成本低的特點。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，包括如下步驟:
(1)酵母種子液準(zhǔn)備:將釀酒酵母接種于YEro平板，于35-37°C恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)2-3天，用接種針挑取一環(huán)接于釀酒酵母種子液體培養(yǎng)基中，于35-37°C，轉(zhuǎn)速ISOrpm的恒溫?fù)u床中震蕩培養(yǎng)12h，得到一級種子液，再轉(zhuǎn)接入2L的二級種子培養(yǎng)罐中，35-37°C，轉(zhuǎn)速180rpm，通氣速率12h ；
(2)芒草預(yù)處理:將粗粉至l-2cm的芒草與自來水按1.5:10的比例混合后，放入高溫高壓水熱反應(yīng)釜中，加熱至220-225°C，維持10-15min，降溫后取出芒草，壓榨脫水過濾；
(3)同步糖化發(fā)酵:在發(fā)酵罐中加入0.4%KH2P04，0.4% (NH4)2SO4,0.2%MgS04，1%酵母粉，0.02%MnS04，2.5g/L吐溫-20，步驟(I)中的酵母種子液和步驟(2)中的芒草的同時按照每Ig預(yù)處理后的芒草加入20FPU的比例加入自產(chǎn)纖維素酶，在35-37°C下以150rpm的轉(zhuǎn)速攪拌培養(yǎng)96h，發(fā)酵結(jié)束，測定發(fā)酵液中乙醇濃度。
[0007]其中，步驟(I)所用酵母為耐高溫釀酒酵母。
[0008]步驟(3)中加入的纖維素酶是以芒草為底物自產(chǎn)的纖維素酶。
[0009]步驟(3)中加入15%預(yù)處理后的芒草，釀酒酵母種子接種量為10%。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點是:芒草材料的無污染水熱預(yù)處理方法，不添加任何酸堿等化合物，毒性物質(zhì)少，設(shè)備要求簡單；同時，利用以芒草為底物自產(chǎn)的纖維素酶，具有酶解效率高、成本低等特點。
【具體實施方式】
[0011]下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，以下實施例是為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠更好的理解本發(fā)明，但并不對本發(fā)明作任何限制。
[0012]實施例1:
Cl)耐高溫釀酒酵母種子液準(zhǔn)備:將耐高溫釀酒酵母接種于YEro平板，于35°C恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)3d，待形成菌落后，用接種針挑取一環(huán)(約5X106個)，接于10mL耐高溫釀酒酵母種子培養(yǎng)基中，于35°C，轉(zhuǎn)速180rpm的恒溫?fù)u床中震蕩培養(yǎng)12h，將培養(yǎng)好的一級種子液按10%接種量再轉(zhuǎn)接入2L的二級種子培養(yǎng)罐中(裝液量1L)，35-370C，轉(zhuǎn)速180rpm，通氣速率lvvm，擴培12h。耐高溫釀酒酵母種子培養(yǎng)基組成:5%葡萄糖，0.4% KH2PO4,0.4% (NH4)2SO4,0.2% MgSO4,1% 酵母粉，0.02%MnS04，PH 值為 5.0 ；
(2)芒草預(yù)處理:將粗粉至l-2cm的芒草與自來水按1.5:10 (w/v)的比例混合后，放入水熱反應(yīng)釜中，加熱至220°C，維持lOmin，降溫后取出芒草，壓榨脫水過濾，芒草含水量約為60%，預(yù)處理后的芒草中纖維素含量約60% ；
(3)同步糖化發(fā)酵:在1L機械攪拌發(fā)酵罐中(裝液量7L)加入0.4%KH2P04，0.4%(NH4) 2S04，0.2%MgS04，1% 酵母粉，0.02%MnS04，2.5g/L 吐溫-20，步驟(I)中的酵母種子液，步驟(2)中的芒草和自制纖維素酶，其中，釀酒酵母種子接種量10%，芒草總加入量為15% (w/V，按干重計)，即1050g，纖維素酶按照每Ig預(yù)處理后的芒草加入20FPU的比例加入，在35°C下以150rpm的轉(zhuǎn)速攪拌培養(yǎng)96h，發(fā)酵結(jié)束，乙醇的含量測定是取發(fā)酵液離心，將得到的上清液稀釋后進高效液相色譜進行檢測。乙醇濃度40.5g/L，為理論轉(zhuǎn)化率的78.4%。
[0013]實施例2:
Cl)耐高溫釀酒酵母種子液準(zhǔn)備:將耐高溫釀酒酵母接種于YEro平板，于36°C恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)3d，待形成菌落后，用接種針挑取一環(huán)(約5X106個)，接于10mL耐高溫釀酒酵母種子培養(yǎng)基中，于36°C，轉(zhuǎn)速180rpm的恒溫?fù)u床中震蕩培養(yǎng)12h，將培養(yǎng)好的一級種子液按10%接種量再轉(zhuǎn)接入2L的二級種子培養(yǎng)罐中(裝液量1L)，35-370C，轉(zhuǎn)速180rpm，通氣速率lvvm，擴培12h。耐高溫釀酒酵母種子培養(yǎng)基組成:5%葡萄糖，0.4% KH2PO4,0.4% (NH4)2SO4,0.2% MgSO4,1% 酵母粉，0.02%MnS04，PH 值為 5.0 ；
(2)芒草預(yù)處理:將粗粉至l-2cm的芒草與自來水按1.5:10 (w/v)的比例混合后，放入水熱反應(yīng)釜中，加熱至220°C，維持15min，降溫后取出芒草，壓榨脫水過濾，芒草含水量約為60%，預(yù)處理后的芒草中纖維素含量約為65% ；
(3)同步糖化發(fā)酵:在1L機械攪拌發(fā)酵罐中(裝液量7L)加入0.4%KH2P04，0.4%(NH4) 2S04，0.2%MgS04，1% 酵母粉，0.02%MnS04，2.5g/L 吐溫-20，步驟(I)中的酵母種子液，步驟(2)中的芒草和自制纖維素酶，其中，釀酒酵母種子接種量10%，芒草總加入量為15% (w/V，按干重計)，即1050g，纖維素酶按照每Ig預(yù)處理后的芒草加入20FPU的比例加入，在36°C下以150rpm的轉(zhuǎn)速攪拌培養(yǎng)96h，發(fā)酵結(jié)束，乙醇的含量測定是取發(fā)酵液離心，將得到的上清液稀釋后進高效液相色譜進行檢測。乙醇濃度47.2g/L,為理論轉(zhuǎn)化率的85.1%。
[0014]實施例3:
Cl)耐高溫釀酒酵母種子液準(zhǔn)備:將耐高溫釀酒酵母接種于YEH)平板，于37°C恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)3d，待形成菌落后，用接種針挑取一環(huán)(約5X106個)，接于10mL耐高溫釀酒酵母種子培養(yǎng)基中，于37°C，轉(zhuǎn)速180rpm的恒溫?fù)u床中震蕩培養(yǎng)12h，將培養(yǎng)好的一級種子液按10%接種量再轉(zhuǎn)接入2L的二級種子培養(yǎng)罐中(裝液量1L)，35-370C，轉(zhuǎn)速180rpm，通氣速率lvvm，擴培12h。耐高溫釀酒酵母種子培養(yǎng)基組成:5%葡萄糖，0.4% KH2PO4,0.4% (NH4)2SO4,
0.2% MgSO4,1% 酵母粉，0.02%MnS04，PH 值為 5.0 ；
(2)芒草預(yù)處理:將粗粉至l-2cm的芒草與自來水按1.5:10 (w/v)的比例混合后，放入水熱反應(yīng)釜中，加熱至225°C，維持15min，降溫后取出芒草，壓榨脫水過濾，芒草含水量約為60%，預(yù)處理后的芒草中纖維素含量約為69% ；
(3)同步糖化發(fā)酵:在1L機械攪拌發(fā)酵罐中(裝液量7L)加入0.4%KH2P04，0.4%(NH4) 2S04，0.2%MgS04，1% 酵母粉，0.02%MnS04，2.5g/L 吐溫-20，步驟(I)中的酵母種子液，步驟(2)中的芒草和自制纖維素酶，其中，釀酒酵母種子接種量10%，芒草總加入量為15% Cw/V，按干重計)，即1050g，纖維素酶按照每Ig預(yù)處理后的芒草加入20FPU的比例加入，在37°C下以150rpm的轉(zhuǎn)速攪拌培養(yǎng)96h，發(fā)酵結(jié)束，乙醇的含量測定是取發(fā)酵液離心，將得到的上清液稀釋后進高效液相色譜進行檢測。乙醇濃度52.4g/L，為理論轉(zhuǎn)化率的88.7%。
[0015]本發(fā)明通過優(yōu)化預(yù)處理條件和同步糖化發(fā)酵溫度，使纖維酶解效率和乙醇轉(zhuǎn)化效率都明顯提高，最終纖維素轉(zhuǎn)化效率接近90%，加之使用以芒草為原料生產(chǎn)纖維素酶，提高了酶解效率，大大地降低了纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。
【主權(quán)項】
1.一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)酵母種子液準(zhǔn)備:將釀酒酵母接種于YEro平板，于35-37°C恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)2-3天，用接種針挑取一環(huán)接于釀酒酵母種子液體培養(yǎng)基中，于35-37°C，轉(zhuǎn)速ISOrpm的恒溫?fù)u床中震蕩培養(yǎng)12h，得到一級種子液，再轉(zhuǎn)接入2L的二級種子培養(yǎng)罐中，35-37°C，轉(zhuǎn)速180rpm，通氣速率12h ； (2)芒草預(yù)處理:將粗粉至l-2cm的芒草與自來水按1.5:10的比例混合后，放入高溫高壓水熱反應(yīng)釜中，加熱至220-225°C，維持10-15min，降溫后取出芒草，壓榨脫水過濾； (3)同步糖化發(fā)酵:在發(fā)酵罐中加入0.4%KH2P04，0.4% (NH4)2SO4,0.2%MgS04，1%酵母粉，0.02%MnS04，2.5g/L吐溫-20，步驟(I)中的酵母種子液和步驟(2)中的芒草，同時按照每Ig預(yù)處理后的芒草加入20FPU的比例加入自產(chǎn)纖維素酶，在35-37°C下以150rpm的轉(zhuǎn)速攪拌培養(yǎng)96h，發(fā)酵結(jié)束，測定發(fā)酵液中乙醇濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，步驟(3 )中加入的纖維素酶是以芒草為底物自產(chǎn)的纖維素酶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，步驟(3)中加入15%預(yù)處理后的芒草。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，步驟(3)中釀酒酵母種子接種量為10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，步驟(I)所用酵母為耐高溫釀酒酵母。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用芒草同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，包括如下步驟：準(zhǔn)備酵母種子液；芒草預(yù)處理；同步糖化發(fā)酵。本發(fā)明的優(yōu)點是：芒草材料的無污染水熱預(yù)處理方法，不添加任何酸堿等化合物，毒性物質(zhì)少，設(shè)備要求簡單；同時利用以芒草為底物自產(chǎn)的纖維素酶，具有酶解效率高、成本低等特點。
【IPC分類】C12P7-10, C12R1-865
【公開號】CN104561128
【申請?zhí)枴緾N201410847568
【發(fā)明人】楊文慧, 牛堃
【申請人】江蘇迪因生物科技有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月29日