CN104372032B - 一种曲酒糟发酵生产燃料乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲酒糟发酵生产燃料乙醇的方法，自行配制复合酶系，即耐高温α‑淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶，分解切割能力的作用大大提高了，有效地把酒糟中的纤维素、木质素、粗淀粉、粗蛋白、果胶进行分解。用曲酒糟生产燃料乙醇，既解决了固体废弃物对环境的污染，同时又增加公司能源燃料的需求。在同一容器内连续进行非等温同时液化、糖化、发酵。很好地解决了纤维素、酸水解与酶水解有机地结合，再次将生物质转化为乙醇。生产过程产生的渣，可以作为饲料发展畜牧业，微生物发酵生产沼气、有机肥、种植食用菌、发展种植业。
Description
技术领域
本发明主要涉及燃料领域，尤其涉及一种曲酒糟发酵生产燃料乙醇的方法。
背景技术
曲酒生产过程中会产生大量的废弃物曲酒糟，而这些废弃物虽然可以作为某些家畜的部分饲料源，但因其纤维素含量高，故营养价值较低，只能利用一部分，而大部分仍作废弃物处理了；近年来，由于科技的发展及饲料质量水平的提高，酒糟中的营养结构已不能满足饲养业科学喂养的要求及规模发展的需要。开辟新的酒糟利用，已成为白酒行业的工作重点。针对以上原因及曲酒生产的实际情况，以曲酒糟作为新型生物质原料生产乙醇的思路涌现出来。燃料乙醇是目前世界上可替代石油的一种清洁的、可再生的能源，而白酒生产企业的固体废弃物—曲酒糟处理费用极高，是白酒企业比较头痛的一件事。
发明内容
本发明的目的，是用发酵方法，利用复合酶水解曲酒糟中各种成分，生成新型能源燃料乙醇，实现副产物的综合利用，解决了固体废物对环境的污染问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种曲酒糟发酵生产燃料乙醇的方法，包括以下步骤：
(1)取酒糟480-500g，烘干、粉碎，过0.8-1.0mm筛板孔，置于3L发酵瓶中，加入1400-1500ml、32-34℃的温水调浆，加入尿素13-15g、硫酸铵10-15g，搅拌均匀后滴加硫酸，调节PH至3.5-4.0，用三层纱布包扎封口；
(2)放入蒸汽灭菌器内，在0.1-0.105MPa，120-122℃下进行高温灭菌110-130分钟，降压降温，取出，至温度冷却到48-50℃时，加入体系物料重量1.8-2.5％的复合酶进行水解、液化、糖化处理；所述的复合酶是由质量比为1：1:1:0.5-1的耐高温α-淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶混合组成的，处理60-65分钟后冷却到31-33℃，加入上述同等质量的酸性蛋白酶和复活的干酵母活化液，所述的复活的干酵母活化液是将酵母用温度35-40℃、浓度2-3％的糖水复水15-20分钟，然后降温至32-33℃时活化1-2小时制备的，复活的干酵母活化液的接种量为体系物料重量的12-15％，置于无菌室内100r/min的回旋振荡器中摇瓶恒温培养，用两层毛布或三层纱布封口培养8-10h，取样镜检酵母细胞数和出芽率，然后放入32-36℃的无菌生化培养箱中进行发酵，按4h、8h、12h各振荡搅拌一次，以后每隔7-8h搅拌一次，40h后进入中后期发酵，每隔12h搅拌一次，72h发酵结束，取出发酵成熟醪，再通过蒸馏既得到燃料乙醇。
本发明的优点是：
1、自行配制复合酶系，即耐高温α-淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶，分解切割能力的作用大大提高了，有效地把酒糟中的纤维素、木质素、粗淀粉、粗蛋白、果胶进行分解。
2、用曲酒糟生产燃料乙醇，既解决了固体废弃物对环境的污染，同时又增加公司能源燃料的需求。
3、在同一容器内连续进行非等温同时液化、糖化、发酵。很好地解决了纤维素、酸水解与酶水解有机地结合，再次将生物质转化为乙醇。
4、生产过程产生的渣，可以作为饲料发展畜牧业，微生物发酵生产沼气、有机肥、种植食用菌、发展种植业。
5、蒸煮温度控制不高，在120-122℃范围内，而酒精生产蒸煮温度要求在136-138℃，大大降低蒸汽用量。
6、该技术能够很好地利用了固体废弃物—曲酒糟中的多种成分，而且出率较好，生产出24％的95.5°乙醇。
7、酒糟中的稻壳经过多次重复发酵酿造，高温蒸馏，糠壳软化纤维素、半纤维素再经预处理加硫酸调PH值，高温水解，可以有效地破坏纤维素的晶体结构，使糠壳变得疏松有效地水解半纤维素，从而使糠壳得到充分利用
附图说明
图1为本发明的乙醇发酵曲线；
具体实施方式
实施例1
一种曲酒糟发酵生产燃料乙醇的方法，包括以下步骤：
酒糟常规检测成分结果单位g/100g
1、曲酒糟预处理：
酒糟烘干粉碎，至于3L发酵瓶中，达到浓醪发酵工艺中原料粉碎润浆浓度要求。同时搅动均匀，放入蒸汽灭菌器内进行高温水解后降压。降温取出冷却至50℃加入复合酶进行酶解糖化。
2、复合酶解、液化、糖化：
酶的协同作用，犹如“接力赛”，例如粗淀粉在耐高温α-淀粉酶的作用下生成大量糊精。需由糖化酶进行分解。纤维素，需由纤维素酶进行水解。蛋白质需由酸性蛋白酶进行降解。否则影响半成品质量、发酵速度以及出酒率。
每一种酶只能在一定的PH值范围内才能表现出最大酶活性，即酶的最适PH值。复合酶的最适PH为3.5–4.0。通过在润浆时加入硫酸调PH至3.5–4.0之间是复合酶的最适PH值。进一步提高酶分解反应速度。缩短糖化时间，提高酶利用率。
糖化中的酶活性对提高粗淀粉和纤维素利用率极为重要。由于复合酶分解、液化、糖化作用，用量的大小将是一个直接关系到糖化反应是否彻底的关键问题。
复合酶对原料中的植物细胞，纤维界限糊精及残余淀粉产生水解、液化、糖化作用强。复合酶最适温度为48–52℃，作用时间60min左右。此条件下酶分解反应最适。可充分发挥水解、液化、糖化作用。可与几种酶同时使用加入，因此酶有专一性，互不干扰。同时由于多酶体系的协同作用，其效果更佳。
复合酶的性能特点：
1、纤维素酶是一种复合酶，主要由外切β-葡萄糖，内切β-葡萄糖酶和β-1,4-葡萄糖苷键等组成。使纤维素变为纤维二糖和葡萄糖。能将天然纤维素分解为短链纤维素，能将直链纤维素内部切断，分解成葡萄糖分子寡糖及小分子聚合物。能把羧甲基纤维素水解为纤维二糖，并且将纤维二糖水解为葡萄糖。它也能破坏植物细胞壁。使细胞裂解得以被充分利用。促进淀粉释放和纤维素的简介，提高发酵率。
2、耐高温α-淀粉酶作用于直链淀粉，将α-1,4-糖苷键不规则地切割为短链糊精后，糊精被继续酶解而对纤维素的β-1,4-糖苷键不起作用。它也作用于支链淀粉(又称淀粉胶)，同样切割α-1,4-糖苷键，不能切割α-1.6-糖苷键。
3、糖化酶能将来自淀粉的还原性末端葡萄糖单位一个个切割下来，生成葡萄糖。同时又能水解支链淀粉中的分支点。一般将α-1,4-键断开，再继续水解切开α-1,6–糖苷键和α-1,3–糖苷键。最终能把直链淀粉和支链淀粉全部水解为葡萄糖。
4、酸性蛋白酶：该酶与动物的胃蛋白酶和凝乳酶的性质相似。该酶的最适PH为2.5–5.5之间。PH升高时，酶活力很快消失。最适温度为30–45℃。温度升高时酶失活。该酶在粗淀粉发酵前期充分水解原料中的蛋白质，提高酵母菌可吸收性氮、α-氨基酸、碳源、使酵母菌增殖速度加快。
5、酶的协同作用，犹如“接力赛”，例如粗淀粉在耐高温α-淀粉酶的作用下生成大量糊精。需由糖化酶进行分解。纤维素，需由纤维素酶进行水解。蛋白质需由酸性蛋白酶进行降解。否则影响半成品质量、发酵速度以及出酒率。
据1979年福住俊郎报道，木质素可在微生物产生的酚氧化酶(漆酶)的作用下变为可溶性成分，再在细胞色素有关的氧化酶类的作用下，进一步生成阿魏酸、香草醛、香草酸、香豆酸等产物。均可由酵母和细菌发酵而进行。故物质变化是错综复杂的，很难说的非常清楚。
6、酶促反应一般都在比较温和的温度、PH值等条件下进行，对于反应设备的要求也较低。现已了解复合酶系共同作用将粗淀粉、纤维素、蛋白质分解转变成葡萄糖酵母才能把葡萄糖变成乙醇。
3、酒糟酸水解与酶水解液的乙醇发酵：
1、好氧培养期温度31–33℃，时间8–10h。在酸水解与酶水解液接入酵母后，置于无菌室内31–33℃，100r/min的回旋振荡器中的摇瓶内恒温供氧培养。促进酵母的繁殖，使细胞活性增强，密度增加。使发酵液翻动增强，促进了酸水解与酶水解。达到边酶解糖化边进行发酵的并行复式发酵法。发酵达到最佳效果，提高纤维素和残淀粉的利用率。减少酵母絮凝，释放更多的酵母细胞参与反应。提高了酵母的接触表面积，细胞数可达1.4–1.6亿/ml以上。
2、前期发酵温度调控在33–35℃，时间在12–14h，培养期8–10h。结束后停止回旋振荡器中摇瓶，无菌供氧培养，置入生化培养箱。进行厌氧法发酵期。这时的酵母细胞健壮、肥大、整齐。
3、主发酵期温度调控在35–36℃，时间26–30h，是产乙醇的关键时期。在酸水解与酶水解液中存在好氧酵母细胞的抑制物。而且这部分抑制物有一小部分是小分子脂肪酸，水解液中也产生一定量的抑制物，但是其具体为何物及含量多少未知。这些抑制物都是低分子量的物质，对主发酵期影响较小。复合酶对水解液的水解和酵母发酵生成乙醇在统一容器连续进行。这样复合酶水解的产物——葡萄糖。由于酵母的发酵不断地被利用，消除了葡萄糖浓度过高对复合酶的反馈抑制，提高了发酵速度。
4、后发酵期温度从35–36℃慢慢地下降到31–33℃，时间为18–20h。随着发酵时间的到期(发酵期72h)残还原糖浓度减少，酒精度和酒精产率均达到最大值，成熟发酵醪上清液呈金黄色，并得到了满意的结果。
5、酒糟酸水解与酶水解液成熟发酵醪还原糖浓度在0.32g/g以下，酒精度在80.2g/L以上，出酒率为24％。发酵成熟醪液中乙醇浓度测定结果如图1；
由图可知耐高温酿酒高活性酵母，主要集中在中期24h-64h发酵基本上结束。此时发酵液中参与还原糖浓度仅为0.32g/g，乙醇浓度达80.2g/L。酒精转化率为240g/kg酒糟。
由此可知，酒糟酸水解液经高温与处理后加复合酶，水解与酶解后加耐高温高温酿酒高活性酵母完全可以生产燃料乙醇，且每4.2kg酒糟可生产1.0kg燃料乙醇。
Claims (1)
1.一种曲酒糟发酵生产燃料乙醇的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）取酒糟480-500g，烘干、粉碎，过0.8-1.0mm筛板孔，置于3L发酵瓶中，加入1400-1500mL 、32-34℃的温水调浆，加入尿素13-15g、硫酸铵10-15g，搅拌均匀后滴加硫酸，调节pH 至3.5-4.0，用三层纱布包扎封口；
（2）放入蒸汽灭菌器内，在0.1-0.105MPa，120-122℃下进行高温灭菌110-130分钟，降压降温，取出，至温度冷却到48-50℃时，加入体系物料重量1.8-2.5%的复合酶进行水解、液化、糖化处理；所述的复合酶是由质量比为1:1:1:0.5-1的耐高温α-淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、酸性蛋白酶混合组成的，处理60-65分钟后冷却到31-33℃，加入上述同等质量的酸性蛋白酶、复活的干酵母活化液，所述的复活的干酵母活化液是将酵母用温度35-40℃、浓度2-3%的糖水复水15-20分钟，然后降温至32-33℃时活化1-2小时制备的，复活的干酵母活化液的接种量为体系物料重量的12-15%，置于无菌室内100r/min的回旋振荡器中摇瓶恒温培养，用两层毛布或三层纱布封口培养8-10h，取样镜检酵母细胞数和出芽率，然后放入32-36℃的无菌生化培养箱中进行发酵，按4h、8h、12h各振荡搅拌一次，以后每隔7-8h搅拌一次，40h后进入中后期发酵，每隔12h搅拌一次，72h发酵结束，取出发酵成熟醪，再通过蒸馏即得到燃料乙醇。
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