採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法

2023-09-19 17:31:15

專利名稱：：採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法
技術領域：
：本發明是關於乙醇的製備方法，更具體地是關於採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法。
背景技術：
：目前，一般的木薯澱粉廠或木薯酒精廠，在生產澱粉或酒精後，都會產生大量的木薯渣廢物，因其含有一定量的澱粉而通常作為飼料使用。例如，"利用木薯渣發酵生產啤酒酵母單細胞蛋白的研究"(湯燕花，謝必峰，福建師範大學生物工程學院，《藥物生物技術》，2006，13(1)，51-54頁)中提到，利用黑麴黴和啤酒酵母在適宜的條件下對木薯渣進行混種發酵，提高木薯渣的蛋白含量，作為一種酵母單細胞蛋白飼料應用於生產和飼養牲畜，並使廢棄物得到資源化處理。"木薯渣固態發酵植酸酶的中試條件"(鍾秋平，周文化，李建娜，李枚秋，蔣芳軍，吳健雄，華南熱帶農業大學工學院食品科學與工程系，《熱帶作物學報》，2004，25(1)，45-48頁)研究了培養條件對木薯渣在箱式固態發酵反應器中用黑麴黴PD菌株發酵生產植酸酶的影響。結果表明單因素試驗最佳條件為水質量分數75%,料層厚度5-10釐米，接種量1.5%，培養溫度32-34°C，培養時間6-8天。在此條件下植酸酶活力最高達4189微摩爾/(分鐘克)。"利用木薯渣進行纖維素分解菌混合發酵工藝研究"(林捷，譚兆贊，羅偉誠，華南農業大學食品學院，華南農業大學資源環境學院，華南農業大學生命科學學院，《安全與環境學報》，2005，5(6)，26-29頁)介紹了從自然界中篩選出6株相互間無拮抗作用的纖維素分解菌進行混合發酵，研究了該混菌以工業廢棄物木薯渣為原料發酵的最佳產酶條件是培養基配方為木薯渣4克，黃豆粉0.75克，磷酸二氫鉀0.2克，氯化鈉0.02克，七水硫酸鎂0.015克，蒸餾水1000毫升；發酵工藝為初始pH7.0，培養溫度4(TC，每250毫升錐形瓶裝培養液140毫升，接種量3%，在140轉/分鐘轉速下發酵72小時。結果表明，混合菌的發酵可大幅度提高纖維素酶活力及對還原糖的耐受力。由上述描述可知，目前木薯渣主要用於生產飼料、植酸酶等。近年來，也有用作酒精生產的原料。例如，CN101195836A公開了一種木薯渣酒精生產新工藝，該方法是將木薯渣與生木薯或木薯乾片分開，分別進行蒸煮和糖化，木薯渣經糖化後進行渣水分離，固渣直接作為飼料或肥料，分離的木薯渣糖化濾液用於作生木薯或木薯乾片的調漿用液；在該方法中，木薯渣的蒸煮和糖化工藝是，木薯渣經篩分，細度為1.8毫米以下，送到酒精車間的貯存池中，加入澱粉生產中產生的廢水——黃漿水，每l千克木薯渣加入黃漿水2-5升，放入調漿罐中，加入耐高溫(x-澱粉酶，酶添加量為5-15U/克，加入換熱器，與蒸煮罐出料進行熱交換，溫度升到90-110。C時進行液化，再進入蒸煮鍋，蒸煮時溫度控制在90-95°C，蒸煮醪液呈淡黃色或淺褐色為最佳，蒸煮醪液經汽液分離後，進入糖化罐中，並在糖化鍋中降溫至55-65"C時加入糖化酶進行糖化，用量為100-150單位/克原料，糖化時間20-60分鐘，除去固渣，將木薯渣糖化濾液進入貯存池中；在該方法中，生木薯或木薯乾片的蒸煮和糖化工藝是，將上述木薯渣的蒸煮和糖化工藝得到的木薯渣糖化濾液加入到經粉碎的生木薯或木薯乾片中，每公斤固體澱粉加入濾液2-4公斤，並加入耐高溫的(x-澱粉酶，攪拌，90-110°C液化後進入蒸煮罐，蒸煮40-60分鐘，溫度卯-95"C，之後進入糖化罐，降溫到55-65"C時加入糖化酶，用量為100-150單位/克原料，糖化時間20-60分鐘，經換熱器降溫到30-35'C，進入發酵罐發酵，時間50-70小時，酒份達到8.5%以上，送進蒸餾車間按常規方法蒸餾。該方法是將木薯渣中所含的殘留澱粉酶解、糖化後並與新鮮的木薯或者幹木薯混合再次糖化、發酵製備乙醇，但是，6該方法中木薯渣的利用率不高，因此，乙醇的產率受到限制。
發明內容本發明的目的是克服現有的採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法中木薯渣的利用率不高，製備得到的乙醇產率較低的缺陷，提供一種木薯渣利用率高，乙醇產率較高的採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法。本發明的發明人發現，木薯渣的主要成分包括水、澱粉(幹基)、纖維素、半纖維素、木質素、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分及無機鹽。(纖維素28-30重量%，半纖維素10-12重量％，木質素30-32重量％，粗蛋白4-6重量％，粗脂肪2-4重量％，澱粉8-10重量％，粗灰份和無機鹽10-15重量％)其中，纖維素、半纖維素和木質素的含量較高。此外，本發明的發明人發現，雖然木薯渣也可以稱為含纖維素的原料，但是與常規的含纖維素的原料如，秸稈不同的是，木薯渣中的木質素與纖維素和半纖維素是處於較鬆散的結合狀態，而非秸稈中的木質素將纖維素緊緊包裹的結構，因此，本發明的發明人試圖酶解木薯渣中的纖維素和半纖維素並發酵酶解產物來製備乙醇並取得了良好的效果，更重要的是，在酶解前無需對木薯渣進行預處理，而可以直接將木薯渣進行酶解和發酵來製備乙醇。此外，本發明的發明人還發現，採用連續補料的方法，即先將一批含木薯渣的原料與酶混合得到混合物，然後將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合，能夠使含木薯渣的原料均勻、快速的與酶接觸、混合併反應，使含木薯渣的原料與酶的反應更均勻、更充分，反應體系更穩定，並且酶的濃度能夠一直保持在較高的水平，從而有效地提高了原料的糖轉化率，而顯著提高了乙醇的產率和木薯渣的利用率。本發明提供了一種採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法，其中，該方法包括將含木薯渣的原料與酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纖維素，得到酶解產物，並發酵該酶解產物，所述將含木薯渣的原料與酶混合的方法包括先將第一批含木薯渣的原料與酶混合得到混合物，然後將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度不高於150克/升；所述與酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量為全部含木薯渣的原料重量的10-30重量％。本發明的方法為先將一批含纖維素的原料與酶混合得到混合物，然後將剩餘的含纖維素的原料連續加入與所述混合物混合，即連續補料的方法，該方法能夠使含纖維素的原料均勻、快速的與酶接觸、混合併反應，使含纖維素的原料與酶的反應更均勻、更充分，反應體系更穩定，並且酶的濃度能夠一直保持在較高的水平，從而有效地提高了原料的糖轉化率，並大大提高了乙醇的產率。此外，所述連續補料的方法還能夠大大縮短酶解時間，提高酶解效率。例如，在實施例1的方法中，每小時酶解的纖維素的量為19.1克，乙醇產率達14.9%，而在對比例1的方法中，每小時酶解的纖維素的量為12.4克左右，乙醇產率僅為11.8%，酶解效率的提高幅度達35.5%，乙醇產率的提高幅度高達54%;在實施例6的方法中，每小時酶解的纖維素的量為23.6克，乙醇產率達18.8%，而在對比例2的方法中，每小時酶解的纖維素的量為16.8克，乙醇產率僅為15.5%，酶解效率的提高幅度達40.5%，乙醇產率的提高幅度達21.3%。具體實施例方式按照本發明，該方法包括將含木薯渣的原料與酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纖維素，得到酶解產物，並發酵該酶解產物，所述將含木薯渣的原料與酶混合的方法包括先將第一批含木薯渣的原料與酶混合得到混合物，然後將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度不高於150克/升；所述與酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量為全部含木薯渣的原料重量的10-30重量%。優選情況下，為了提高生產效率同時能夠保證含木薯渣的原料與酶的充分混合、反應，得到較高的含木薯渣的原料濃度以及較高水平的酶作用速度，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度為100-150克/升。所述含木薯渣的原料在反應體系中濃度的測試方法可以採用各種本領域技術人員公知的方法測定，例如，採用國家標準GB5497《糧食油料快速水分測定法》測定反應體系中含木薯渣的原料的濃度，可以根據測得的濃度值來調整剩餘的含木薯渣的原料的加入速度，以使反應體系中的含木薯渣的原料濃度維持在本發明的範圍內。為了保證酶具有最佳的反應活性，在將第一批含木薯渣的原料與酶混合前，調節含木薯渣的原料的pH值為大於3小於7，優選為4-5.5，以使得含木薯渣的原料與酶混合後，酶具有最佳的反應活性。由於酶解過程中pH值的波動不大，因此所述酶解的pH值可以按照本領域常用的方法在加入酶之前進行調節，所述調節反應物料pH值的方法可以採用本領域技術人員公知的各種方法。例如先將含木薯渣的原料與水或培養基(加酶一般與水混合，加入產酶微生物一般與該微生物的培養基)混合，根據所得混合物的pH值，在該混合物中加入酸性物質或鹼性物質。例如，所述酸性物質可以是硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或幾種；所述鹼性物質可以是氫氧化鈉和/或氫氧化鉀。優選情況下，在將第一批含木薯渣的原料與酶混合之後，將剩餘的含木薯渣的原料連續加入之前，還包括時間間隔，為了使第一批含木薯渣的原料充分與酶接觸並充分水解，提高糖的轉化率，所述時間間隔優選為10-30分鐘。所述酶解時間從將酶與含木薯渣的原料混合時開始計算，g卩，所述酶解時間指將含木薯渣的原料與酶混合開始至將含木薯渣的原料轉化為糖後糖的含量不再增加時所用的時間，所述將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合的時間佔酶解時間的15-35%，優選為20-30%。此外，按照本發明，所述在將第一批含木薯渣的原料與酶混合之後，將剩餘的含木薯渣的原料連續加入之前的時間間隔也包括在所述酶解時間之內。為了使酶與反應物料混合的更均勻，所述含木薯渣的原料的酶解優選在水存在的條件下進行，更優選在含有水與含木薯渣的原料的懸浮液中進行，即在將第一批含木薯渣的原料與酶混合時，該方法還包括加入水。也就是說，本發明優選先將第一批含木薯渣的原料與水混合製備懸浮液後，再將酶解所需全部酶與懸浮液混合，然後再按照本發明的方法繼續連續的加入剩餘的含木薯渣的原料。加入的水的量的可調節範圍較寬，優選情況下，所述水的加入量與全部含木薯渣的原料的重量比為2-5:1。更優選情況下，以第一批含木薯渣的原料、水和酶混合後得到的混合物為基準，以含木薯渣的原料的乾重計，含木薯渣的原料的含量至少為1重量％，優選為1-20重量％，更優選為1.2-10重量％。本發明的發明人發現，在酶解時，控制第一批含木薯渣的原料、酶和水的混合物中含木薯渣的原料的濃度，以第一批含木薯渣的原料、水與酶混合後得到的混合物為基準，以含木薯渣的原料的乾重計，使含木薯渣的原料的含量至少為1重量％，優選為1-20重量％，更優選為1.2-10重量％，既能夠保證酶解的周期短，同時進一步保證具有高的生產效率，即單糖的產率高。按照本發明，所述含木薯渣的原料在反應體系中的濃度是指，未被液化(未與酶反應)的含木薯渣的原料的重量與反應體系中固液總重量的比值X100X。按照本發明，所述含木薯渣的原料可以是木薯渣也可以是木薯渣與其它含纖維素的原料的混合物，例如，木薯渣與秸稈的混合物，用於酶解、發酵製備乙醇的木薯渣與秸稈的混合物中木薯渣與秸稈的重量比可以在較寬的範圍內調整，優選情況下，以木薯渣和秸稈的混合物的總重量為基準，所述木薯渣的含量為40-90重量％，所述秸稈的含量為10-60重量％;更優選情況下，所述木薯渣的含量為50-70重量％，所述秸稈的含量為30-50重量％。按照本發明的方法，為了能夠與酶充分接觸，所述木薯渣的顆粒直徑優選為0.3-5毫米，更優選為0.5-3毫米。使木薯渣的顆粒直徑為0.3-5毫米，更優選為0.5-3毫米的方法可以採用本領域技術人員公知的各種方法，例如，可以採用乾式粉碎或溼式粉碎，兩種粉碎方式之間的差別主要在於是否將木薯渣與水混合。溼式粉碎包括將木薯渣與水混合，然後進行一次或多次粉碎。木薯渣與水的重量比可以為1:0.2-5，優選為1:0.5-2。可以使用常規的各種粉碎機，例如SFSP系列錘片式粉碎機。本發明對採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法的其它步驟沒有特別的限制，可以參考採用含纖維素的原料製備乙醇的方法。由於木薯中的纖維素、半纖維素和木質素的結構不像秸稈那樣緊密堅固，而且木薯渣一般是木薯生產酒精過程的最終副產物，在其產生過程中己經過高溫處理，從而使得木薯渣中的木質素不再將纖維素緊緊包裹，而是與纖維素和半纖維素是處於較鬆散的結合狀態，因而在酶解之前無需進行使纖維素、半纖維素和木質素分離開的預處理，因此，在採用木薯渣為原料發酵、製備乙醇時可以直接將木薯渣進行酶解和發酵製備乙醇。所述酶解使用的酶包括纖維素酶。所述纖維素酶可以通過各種方式獲得，例如商購得到，或者通過使用產酶微生物分泌得到。由於使用產酶微生物分泌得到的酶會含有各種副產物，因此優選直接加入酶。所述酶的用量越多越好，出於成本考慮，優選以每克含木薯渣的原料的乾重計，所述纖維素酶的用量為10-25酶活力單位，更優選為15-18酶活力單位。本發明所述纖維素酶的酶活力按照美國國家可再生能源實驗室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)提供的標準方法——纖維素酶活力測定NRELLAP-006測定，所述纖維素酶的酶活力單位為在該標準方法規定的測定條件下，1分鐘內將1克WhatmanNo.1濾紙轉化為葡萄糖所需酶的微克數。所述酶解的溫度可以為纖維素酶的任何最適作用溫度，一般為45-55°C，更優選為48-52°C。所述酶解的時間理論上越長越好，考慮到設備利用率，優選所述酶解的時間為25-48小時，更優選為30-40小時。按照本發明的一個優選的實施方式，所述將含木薯渣的原料酶解的方法包括先將第一批含木薯渣的原料與水混合後加入酶解罐中，調節含木薯渣的原料的pH值為大於3至小於7，並升溫至45-55t:，更優選為48-52°C以達到酶的最佳反應活性條件，然後，在攪拌下，向酶解罐中加入酶，攪拌10-30分鐘後，再連續加入剩餘的含木薯渣的原料，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度不高於150克/升。所述水的量與全部含木薯渣的原料的重量比優選為2-5:1;所述與酶混合的第一批含木薯渣的原料的量為全部含木薯渣的原料重量的10-30%。且以第一批含木薯渣的原料、水與酶混合後得到的混合物為基準，以含木薯渣的原料的乾重計，第一批含木薯渣的原料的含量優選為1.2-10重量％。所述纖維素酶為複合酶，至少包括Q型纖維素酶、Cx型纖維素酶和纖維二糖酶三種酶。Q酶可以使結晶的纖維素轉變為非結晶的纖維素。Cx型纖維素酶又分為Cw型纖維素酶和Cx2型纖維素酶兩種。C^型纖維素酶為內切型纖維素酶，可以從水合非結晶纖維素分子內部作用於P-l，4-糖苷鍵，生成纖維糊精和纖維二糖。Cx2型纖維素酶是一種外切型纖維素酶，可以從水合非纖維素分子的非還原端作用於(3-l,4-糖苷鍵，逐一切斷p-l,4-糖苷鍵生成葡萄糖。纖維二糖酶則作用於纖維二糖，生成葡萄糖。優選所述酶解使用的酶還包括半纖維素酶。因為半纖維素酶可以降解半纖維素成為溶於水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纖維素酶，一方面可以更充分地暴露纖維素，增加纖維素與纖維素酶的接觸機率，另一方面半纖維素降解產物木糖能夠被樹幹畢赤酵母發酵生成乙醇，兩方面作用都可以增加乙醇產率。以每克含木薯渣的原料的乾重計，所述半纖維素酶的用量為4-8酶活力單位。本發明所述半纖維素酶的酶活力單位(U)為在5(TC、pH:4.8條件下，每分鐘分解濃度為1重量。^木聚糖溶液產生1微克還原糖(以木糖計)所需的酶本發明所述半纖維素酶的活力指每克半纖維素酶所具有的活力單位。所述半纖維素酶的活力利用半纖維素酶在5(TC、pH為4.8的條件下水解1重量％12木聚糖產生還原糖(以木糖計)，所得還原糖與過量3，5—二硝基水楊酸(DNS)發生顏色反應，用分光光度計測得反應液550納米的光吸收值與還原性糖(以木糖計)的生成量成正比關係測定。具體測定方法如下準確稱取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸-乙酸鈉緩衝溶液溶解，然後用去離子水定容到100毫升，得到1重量％木聚糖溶液；稱取30克四水合酒石酸鉀鈉放入500毫升錐形瓶內，加16克NaOH後，加50毫升去離子水，以5"C/分鐘的速度水浴加熱至固體物質溶解，加入l克3，5-二硝基水楊酸，至溶解，冷卻至室溫，用去離子水定容至100毫升，可得3，5-二硝基水楊酸(DNS)溶液；將木糖8(TC烘乾至恆重，準確稱取1.000克溶於1000毫升水中，加10毫克疊氮化鈉防腐，得到1毫克/毫升的標準木糖溶液；準確稱取1.000克固體半纖維素酶或移取1毫升液體半纖維素酶原液，用0.5毫升pH-4.8的0.1摩爾乙酸-乙酸鈉緩衝溶液溶解，然後用去離子水定容到100毫升，得到稀釋100倍的待測酶液；分別將在5(TC水浴加熱60分鐘的2毫升木糖梯度標準溶液(0.1毫克/毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0..5毫克/毫升，所述木糖梯度標準溶液用去離子水與1毫克/毫升的標準木糖溶液混合製備)或去離子水(木糖空白對照)，與2毫升DNS混合沸水浴5分鐘，冷卻，去離子水定容15毫升後，用分光光度計在550納米下分別測定反應後木糖梯度標準溶液的光吸收值，以光吸收值為橫坐標，木糖濃度為縱坐標繪製標準曲線。由該標準曲線可得回歸方程y-bx+a，其中，x為光吸收值，y為木糖濃度，a為所得直線方程的截距，b為所得直線方程的斜率；取0.2毫升待測酶液與1.8毫升所述1重量％木聚糖溶液或pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸一乙酸鈉緩衝溶液(木聚糖空白對照)，按照與上述木糖梯度標準溶液相同的步驟測試光吸收值。並按照下式計算半纖維素酶的活力半纖維織的活力=一+"):通ou/克(毫升)式中x為待測酶液的光吸收值，b和a與木糖濃度對光吸收值的回歸方程中的b和a—致，n為酶的稀釋倍數，60表示為酶促反應的時間為60分鐘，5為取樣倍數(這裡從1毫升待測酶液中取出了0.2毫升進行測試)。根據上述方法可以測定出具體的半纖維素酶的活力，進而計算出半纖維素酶的用量。能夠發酵戊糖和/或己糖的微生物都可以用於本發明的發酵過程，由於釀酒酵母是釀酒工業上普遍應用的耐酒精、副產物少、乙醇產率高的發酵己糖的微生物；樹幹畢赤酵母為既可以發酵戊糖也可以發酵己糖的微生物(參見"樹幹畢赤酵母連續發酵戊糖己糖生成酒精"，季更生等，南京林業大學學報自然科學版，第28巻第3期，第9-13頁，2004年)，因此優選所述發酵所使用的酵母為樹幹畢赤酵母和/或釀酒酵母。以每克酶解產物計，所述發酵所使用的酵母的接種量為103-108菌落形成單位，更優選104-106菌落形成單位。本發明發酵所使用的酵母可以為商購酵母固體製劑(比如乾酵母粉)或酵母菌種(比如ATCC編號2601的啤酒酵母)。所述酵母的菌落形成單位可以通過本領域公知的方法測定，比如亞甲基藍染色活菌計數法。亞甲基藍染色活菌計數法的具體方法如下將1克乾酵母粉溶於10毫升無菌水中，或將1毫升菌種活化液用無菌水稀釋至10毫升，加入0.5毫升0.1重量Q^亞甲基藍，在35'C下保溫30分鐘。在10倍光學顯微鏡下，用血球計數板計數保溫後的溶液中活菌的數目(死菌染色，活菌不染色)，可得1克乾酵母或1毫升菌種活化液中活菌的數目，即菌落形成單位數。所述酵母可以採用常規的方法接種，例如向酶解產物中加入5-15體積°%的種子液。所述種子液可以為乾酵母的水溶液或培養基溶液，也可以為乾酵母或商購菌種的活化種子液。所述發酵的溫度可以為任何適於酵母生長的溫度，優選為30-36°C，更優選為32-35°C。所述發酵的時間可以為從接種開始至酵母生長的衰亡期出現(即發酵時間為遲滯期、對數期加上穩定期)的時間，優選發酵的時間為32-48小時，更優選32-40小時。發酵產物乙醇可以用常規的方法，根據不同工業產品的要求(比如燃料酒精要求乙醇的純度達99%以上)分離並精製，比如蒸餾、濃縮、除水。此外，木薯渣的含水量可以通過各種方式測得。除非特殊說明，本發明所述木薯渣的含水量均是指木薯渣的初始重量Wl與在70-10(TC下烘乾至恆重的木薯渣的幹計重量W2之差，與木薯渣的初始重量W1的重量百分比，即含水量(重量％)=(Wl-W2)/W1X100%。按照本發明，優選情況下，所述含木薯渣的原料為木薯渣和秸稈的混合物時，其中，所述秸稈為蒸汽爆破的秸稈和/或酸處理的秸稈。秸稈中的纖維素的結晶結構難以被破壞，秸稈中的木質素是由苯基丙垸聚合而成的一種非多糖物質，由芳香烴的衍生物以-C-C-鍵、-O-鍵縱橫交聯在一起，其側鏈又與半纖維素以共價鍵結合，形成一個十分緻密的網絡結構，將纖維素緊緊包裹在裡面，不利於纖維素酶對纖維素的進攻，使得纖維素酶和半纖維素酶無法接觸底物，因此，需要先對秸稈進行預處理，如對秸稈進行蒸汽爆破或者酸處理後再與纖維素酶和/或半纖維素酶接觸，對纖維素進行水解。所述酸處理或者蒸汽爆破的方法可以採用本領域技術人員所公知的方法。例如，所述酸處理方法包括將秸稈與酸混合以溶解木質素而使之與纖維素和半纖維素分離。所述用於溶解含纖維素原料中的木質素的酸的種類為本領域技術人員所公知，如所述酸可以是本領域常規的各種酸，如，選自硫酸、鹽酸和磷酸中的一種或幾種；所述酸的用量和濃度沒有特別限定，可以根據需要溶解的秸稈中木質素的量控制酸的用量和濃度。所述蒸汽爆破方法包括將秸稈與水混合後進行蒸汽爆破或者直接將秸稈置於蒸汽爆破裝置中進行蒸汽爆破。由於蒸汽爆破方法更有利於破壞秸稈中纖維素、半纖維素和木質素之間的網狀結構，使纖維素能夠被充分分離出來，有利於纖維素酶在纖維素表面的作用，提高纖維素的水解率及糖的產率。因此，本發明優選所述秸稈的預處理方法為蒸汽爆破方法。採用現有技術常規的蒸汽爆破條件進行的蒸汽爆破都能達到本發明的發明目的，例如，所述蒸汽爆破的溫度可以為180-200°C，所述蒸汽爆破的壓力可以為1.4-1.8兆帕，所述蒸汽爆破壓力的維持時間可以為3-7分鐘。更優選所述蒸汽爆破的溫度可以為185-195'C，所述蒸汽爆破的壓力可以為1.4-1.6兆帕，所述蒸汽爆破壓力的維持時間可以為4-5分鐘。另外，蒸汽爆破的壓力和溫度可以滅菌，為防止在酶解過程中雜菌(主要是細菌)汙染產生影響酶活力的毒素，並防止在發酵過程中雜菌汙染影響酵母的生長，優選在酶解之前加入諸如工業青黴素的細菌抗生素，所述抗生素對酵母沒有作用但可以抑制雜菌的生長。以每毫升酶解液或發酵液為基準，所述抗生素的加入量為1-10單位。所述酶解液包括蒸汽爆破產物和木薯渣的混合物、酶以及水，所述發酵液包括酶解產物和接種的酵母。由於在蒸汽爆破的高溫高壓條件下，秸稈中的半纖維素會產生諸如糠醛、呋喃之類的抑制物，所述抑制物會降低酶的活力和發酵菌的活性，因此所述方法還包括在蒸汽爆破秸稈之後，酶解得到的蒸汽爆破產物和木薯渣的混合物之前，水洗所述蒸汽爆破產物。所述水洗是將蒸汽爆破產物與水混合，攪拌，使上述抑制物溶解在水中，然後離心分離蒸汽爆破產物，從而從蒸汽爆破產物中除去抑制物。理論上所述水洗的溫度越高，能夠溶解的抑制物越多，考慮到能耗，優選所述水洗的溫度至少為6(TC，更優選為60-80'C。由於水洗所加入的水越多，則溶解抑制物的溶劑越多，但是考慮到離心分離的能耗，優選以每克秸稈的乾重計，所述水洗的加水量為2-10克，更優選為2-3克。由於秸稈中可能會含有沙石雜質以及鐵雜質，對蒸汽爆破設備會造成損害，還可以包括在蒸汽爆破之前對秸稈進行除石除鐵常規操作，比如以"風送"秸稈並磁鐵吸引的方法進行除石除鐵。沙石由於質量大，不能被風送到蒸汽爆破設備中，鐵雜質由於磁鐵的吸引也不會隨原料進入蒸汽爆破設備中，從而可以完成除石除鐵。此外，由於秸稈本身容易纏結而堵塞設備管路，因此，在進入蒸汽爆破設備前，優選使所述秸稈的大小為0.5-3釐米x0,2-l釐米x0.2-l釐米，更優選使所述秸稈的大小為1-2釐米x0.4-0.6釐米x0.5-1釐米。下面結合實施例對本發明進行更詳細的說明。實施例1本實施例用於說明本發明的採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法。(1)對含木薯渣的原料中纖維素總重量和半纖維素總重量的測定將3000克發酵乙醇後的廢棄木薯渣(含水量為12重量％)進行粉碎，粉碎至顆粒直徑為3毫米，取其中的5克在45。C下烘乾至恆重4.4克，稱量300.0毫克該乾燥後的木薯渣，放置於重80克的IOO毫升乾燥三角燒瓶內。向所述三角燒瓶內加入3.00毫升濃度為72重量％的硫酸溶液，攪拌1分鐘。然後將三角燒瓶在30。C的水浴中放置60分鐘，每隔5分鐘攪拌一次以確保均勻水解。水解結束後，用去離子水使硫酸的濃度稀釋到4重量％，然後用布氏漏鬥過濾，共得到濾液84毫升。將20毫升濾液轉移至乾燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸鈣調節該濾液的pH值至5.5，靜置5小時，收集上層清液。用0.2微米濾膜過濾收集的上層清液，所得濾液用BioradAminexHPX-87P高效液相色譜(HPLC)分析。HPLC條件進樣量20微升；流動相為0.2微米濾膜過濾並且超聲振蕩脫氣的HPLC超純水；流速為0.6毫升/分鐘；柱溫80-85'C;檢測器溫度80-85'C;檢測器為折光率檢測器；運行時間為35分鐘。以IXIO_6-4.0毫克/毫升濃度範圍的0-(+)葡萄糖和1X10—6-4.0毫克/毫升濃度範圍D-(+)木糖作為標準樣品。HPLC分析得到木薯渣酸水解液中葡萄糖濃度為0.00111毫克/毫升，計算可得1克所述木薯渣酸水解能得到重量為0.273克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將木薯渣的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是木薯渣中纖維素重量的1.11倍，即1克所述木薯渣中含纖維素0.246克，則3000克木薯渣中共含纖維素738克。HPLC分17析得到木薯渣酸水解液中木糖濃度為0.00049毫克/毫升，計算可得1克所述木薯渣酸水解能得到重量為0.121克的木糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將木薯渣中的半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是木薯渣中半纖維素重量的1.14倍，即1克所述木薯渣中含半纖維素0.106克，則3000克木薯渣中共含半纖維素318克。(2)酶解向酶解罐中加入水，並在攪拌下，加入第一批步驟(1)取樣測試後剩餘的木薯渣，第一批加入的木薯渣的量為步驟(1)取樣測試後剩餘的全部木薯渣重量的15%，然後調節pH值為4，加熱至52'C後，以每克木薯渣的乾重計，加入20酶活力單位的酶計算，全部木薯渣的乾重為2640克，共加入52800酶活力單位(約310克)的纖維素酶(和氏璧生物技術有限公司)，並在52"C下保溫混合20分鐘；然後連續加入剩餘的木薯渣，所述剩餘的木薯渣的加入速度使木薯渣在反應體系中的濃度為140克/升(採用國家標準GB5497《糧食油料快速水分測定法》測定反應體系中含纖維素的原料的濃度)，加料結束後，在52。C下保溫酶解至加酶後36小時(連續加入剩餘的木薯渣的時間佔酶解時間的30%)，得到酶解產物。所述水的加入量與全部木薯渣的重量比為2:1。將酶解產物用布氏漏鬥過濾，將20毫升濾液轉移至乾燥50毫升的三角瓶中，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的上層清液，按照上述步驟(l)所述高效液相條件，測定並計算出酶解產物中的葡萄糖共761.8克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纖維素的重量共686.3克，按照下式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表l。每小時酶解的纖維素的量為19.1克。(以木薯渣的乾重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批木薯渣的含量為5.9重量％。)纖維素轉化率=100%乂被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量單糖產率-100n/。X酶解得到的葡萄糖重量/木薯渣乾重(3)發酵使酶解產物的溫度降至35。C，以每克酶解產物的重量計，接種105菌落形成單位的釀酒酵母(安琪超級釀酒高活性乾酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在32'C下於發酵罐中攪拌培養40小時。在IO(TC蒸餾所得發酵產物，所得蒸餾餾分在78.3°<(酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/木薯渣和秸稈的總乾重在發酵步驟中，不同的是，使酶解產物的溫度降至32'C，以每克酶解產物的重量計，接種106菌落形成單位的釀酒酵母(安琪超級釀酒高活性乾酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在32'C下於發酵罐中攪拌培養36小時；在IO(TC蒸餾所得發酵產物，所得蒸餾餾分在78.3'C下二次蒸餾可得乙醇574.6克。並按照下述公式計算乙醇產率，計算結果見表l。乙醇產率=100%乂乙醇重量/木薯渣和秸稈的總乾重實施例9本實施例用於說明本發明的採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法。按照實施例6的方法製備乙醇，不同的是，在秸稈的預處理步驟中，採用酸處理秸稈的方法，該方法包括，在140。C、0.06兆帕壓力下，將1203克玉米秸稈(含水量為10%)，與250毫升濃度為2重量％的稀硫酸保溫混合40分鐘，得到酸處理產物。將所得酸處理產物過濾，並與水按照質量比l:3攪拌混合30分鐘，然後用LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機製造有限公司)在900轉/分鐘的轉速下進行固液分離。共得到4330克酸處理含纖維素的原料產物(含水量為75重量％)。按照實施例6所述HPLC分析硫酸水解蒸汽爆破產物的方法，取10克酸處理產物進行測試，得到酸處理產物酸水解液中葡萄糖濃度為1.75毫克/毫升，計算可得1克所述水洗後的酸處理產物酸水解能得到重量為0.120克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將酸處理產物中的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是酸處理產物中纖維素重量的1.11倍，即1克所述水洗後酸處理產物中含纖維素0.108克，則4320克酸處理產物中共含纖維素27490.4克。HPLC分析得到酸處理產物酸水解液中木糖濃度為0.76毫克/毫升，計算可得1克所述水洗後酸處理產物酸水解能得到重量為0.051克的木糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將酸處理產物的半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是酸處理產物中半纖維素重量的1.14倍，即1克所述水洗後酸處理產物中含半纖維素0.045克，則4320克酸處理產物中共含半纖維素217.9克。並按照實施例6的方法進行酶解，加入的原料為1800克實施例1中的木薯渣(含水量10重量％)和1200克玉米秸稈(含水量為10%)經過酸處理後得到的4320克酸處理產物(含水量75重量％)的混合物。將酶解產物用布氏漏鬥過濾，將20毫升濾液轉移至乾燥50毫升的三角瓶中，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的上層清液，按照上述步驟(1)所述高效液相條件，測定並計算出酶解產物中的葡萄糖共904.5克，所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即酸處理產物和木薯渣的混合物中被酶解的纖維素的重量共814.9克，按照實施例6中的公式計算纖維素轉化率和單糖產率，計算結果見表1。每小時酶解的纖維素的量為22.6克。(以第一批酸處理產物和木薯渣的混合物的乾重計，以得到的含有第一批酸處理產物和木薯渣的混合物、酶和水的混合物的總重量為基準，第一批酸處理產物和木薯渣的混合物的含量為6.0重量％。)發酵的方法同實施例6，得到乙醇462.2克，並按照實施例6的公式計算乙醇產率，結果如表l所示。表1tableseeoriginaldocumentpage29從上表1中的數據可以看出，釆用本發明的含木薯渣的原料製備乙醇的方法得到的乙醇的產率以及單糖的產率均較高，說明含木薯渣的原料的利用率得到了顯著的提高。權利要求1、一種採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法，其特徵在於，該方法包括將含木薯渣的原料與酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纖維素，得到酶解產物，並發酵該酶解產物，所述將含木薯渣的原料與酶混合的方法包括先將第一批含木薯渣的原料與酶混合得到混合物，然後將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度不高於150克/升；所述與酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量為全部含木薯渣的原料重量的10-30重量％。2、根據權利要求1所述的方法，其中，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度為100-150克/升。3、根據權利要求1或2所述的方法，其中，將第一批含木薯渣的原料與酶混合時，該方法還包括加入水，以含木薯渣的原料的乾重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批含木薯渣的原料的含量至少為1重量Q/^。4、根據權利要求3所述的方法，其中，以含木薯渣的原料的乾重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批含木薯渣的原料的含量為1.2-10重量％。5、根據權利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纖維素酶，以每克含木薯渣的原料的乾重計，所述纖維素酶的用量為10-25酶活力單位；酶解的溫度為45-55'C，酶解的時間為25-48小時，酶解的pH值為3-7。6、根據權利要求5所述的方法，其中，所述酶解使用的酶還包括半纖維素酶，所述半纖維素酶用於酶解含木薯渣的原料中的半纖維素，以每克含木薯渣的原料的乾重計，所述半纖維素酶的用量為4-8酶活力單位。7、根據權利要求1所述的方法，其中，將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合的時間佔酶解時間的15-35%，所述酶解時間指將含木薯渣的原料與酶混合開始至將含木薯渣的原料轉化為糖後糖的含量不再增加時所用的時間。8、根據權利要求1所述的方法，其中，在將第一批含木薯渣的原料與酶混合之後，將剩餘的含木薯渣的原料連續加入之前，還包括時間間隔，所述時間間隔為10-30分鐘。9、根據權利要求1所述的方法，其中，所述發酵所使用的酵母為樹幹畢赤酵母和/或釀酒酵母；以每克酶解產物計，所述發酵所使用的酵母的接種量為103-108菌落形成單位，發酵的溫度為30-36"C，發酵的時間為32-48小時。10、根據權利要求1所述的方法，其中，所述含木薯渣的原料為木薯渣或木薯渣與秸稈的混合物。11、根據權利要求1或10所述的方法，其中，所述含木薯渣的原料為木薯渣與秸稈的混合物，以木薯渣和秸稈的混合物的總重量為基準，所述木薯渣的含量為40-90重量％，所述秸稈的含量為10-60重量％。12、根據權利要求11所述的方法，其中，以木薯渣和秸稈的混合物的總重量為基準，所述木薯渣的含量為50-70重量％，所述秸稈的含量為30-50重13、根據權利要求ll所述的方法，其中，所述秸稈為蒸汽爆破的秸稈和/或酸處理的秸稈。14、根據權利要求ll所述的方法，其中，所述木薯渣的顆粒直徑為0.3-5筆木o全文摘要一種採用含木薯渣的原料製備乙醇的方法，其中，該方法包括將含木薯渣的原料與酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纖維素，得到酶解產物，並發酵該酶解產物，其中，所述將含木薯渣的原料與酶混合的方法包括先將第一批含木薯渣的原料與酶混合得到混合物，然後將剩餘的含木薯渣的原料連續加入與所述混合物混合，所述剩餘的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反應體系中的濃度不高於150克/升；所述與酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量為全部含木薯渣的原料重量的10-30重量％。採用本發明的方法能夠提高含木薯渣的原料的利用率，製備得到的乙醇的產率較高。文檔編號C12R1/84GK101423849SQ20081022331公開日2009年5月6日申請日期2008年9月25日優先權日2008年9月25日發明者於天楊,劉文信,劉甲申,商成祥,姜開榮,嶽國君,李春玲,王國忠,袁敬偉,魏擁輝申請人:中糧集團有限公司