[發明專利]一種以菊芋為原料同步發酵生產燃料乙醇的方法

在審

• 申請號: 201310719416.4
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN104711297A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 高鵬
• 申請（專利權）人: 高鵬
• 主分類號: C12P7/06
• 分類號: C12P7/06;C07C31/08;C07C29/76;C12R1/645
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

本發明提供一種菊芋發酵生產燃料乙醇的方法。菊芋屬于多年生菊科向日葵屬，是食用地下塊莖的薯芋類蔬菜。菊芋地下塊莖內含豐富的菊粉(菊糖)，菊粉為天然果糖多聚物，是由多個果糖通過β-2，1-果糖苷鍵連接成的多聚果糖，呈直鏈結構。菊芋是生產乙醇的良好糖源，其關鍵是菊粉(多聚果糖)在菊粉酶(Inulinase)作用下水解成為由果糖和少量葡萄糖組成的混合單糖，隨后果糖等單糖經過酵母等微生物的發酵作用生成乙醇。

乙醇作為食品、化工原料，一直以來都是發酵行業的主導產品。長期以來，乙醇都由微生物發酵生產，原料多以農作物如：玉米、小麥、甜高粱、木薯、紅薯等為主。近年來，隨著全球人口的增加和全球糧食危機的出現，在不與人爭口糧與土地的情況下，菊芋以其耐寒耐旱、對環境適應性強、繁殖力強、并且菊芋是中等耐堿植物，種植菊芋不占用耕地，可充分利用荒地、坡地、產量極高等特點，在乙醇發酵方面具有很高的利用價值。

菊芋的產量較高，在中等肥力的土壤上，每畝可收獲塊莖2000～4000千克，可采收莖葉2000千克。一次種植，多年收獲。菊芋塊莖的糖類產量很高，幾乎是玉米糖類含量的2倍，與甜菜類含糖幾乎一樣。菊芋塊莖的組成為：含水量約80％，剩下的20％干物質中，糖類占85％，含氮物(非蛋白氮)占1.45％～1.55％，還有1％～5％的灰分，10％-13％是纖維素和半纖維素。塊莖中的糖類主要以菊粉的形式存在，糖類的總含量可以達85％-95％，這取決于塊莖的生長和貯存期的處理。

菊芋作為一種極具開發潛力的非糧資源，與其他方法相比，以菊芋為原料發酵生產燃料乙醇具有巨大的原料和生產優勢，因此也受到世界各國的廣泛關注。國外研究始于20世紀50年代，80年代做了大量工作，目前發酵菊芋生產乙醇的研究主要集中在發酵君主的篩選和適于工業生產發酵工藝的研究兩個方面。

傳統的葡萄糖轉化成酒精的工藝很簡單。由于菊粉的水解產物主要有葡萄糖、果糖、低聚糖等，這些單糖濃度過高會對菊粉酶的合成起反饋抑制作用，所以將單糖及時轉化為酒精成為菊芋高效率發酵酒精的關鍵步驟。目前，菊芋發酵

生產酒精工藝主要有分步水解發酵法和一步發酵法。菊芋中存在的菊粉先通過酸或酶水解轉化為可發酵性糖，再被酵母或細菌所發酵產生乙醇，這個過程通常被稱為分步水解發酵法(Separate?Hydrolysis?and?Fermentation?SHF)或兩步法發酵。SHF的工藝特點是菊粉水解和發酵分別在不同的反應器中進行，菊粉水解常用酸法或酶法。一些具有菊粉酶活性的酵母菌種，它們既可水解菊粉也可發酵還原性糖，因此利用這些酵母可在一個容器中發酵菊芋生產酒精，而無需事先水解或糖化，這個過程叫一步法發酵，(Simultaneous?Saccharification?and?Fermentation?SSF)。與先酸解或酶解菊粉，再發酵生成乙醇的兩步法工藝相比，同步糖化發酵工藝不僅省去了菊粉酶制備、菊粉酸解或酶解過程，降低了過程成本，而且同步糖化發酵可以有效防止菊粉水解后單糖的過度積累對菊粉酶產生的反饋抑制現象，同時由于系統中沒有糖的大量積累，雜菌污染得以有效控制。

本發明在前人研究的基礎上，選取菊芋生產乙醇的各個最優條件，結合疏水吸附劑免蒸餾節能工藝制取菊芋燃料酒精的方法提純生產的乙醇，得到了菊芋生產高純度乙醇的新工藝。在此基礎上，經過乙醇的變性操作，得到變性燃料乙醇。

新鮮的菊芋收獲以后清洗切片，晾干或者在40～50℃下烘干貯存。在此基礎上，經發酵菌種的發酵，將菊芋內的糖分轉化成“粗乙醇”，然后再經過疏水吸附制備成99.5％以上的無水乙醇。無水乙醇經過變性，得到變性燃料乙醇。

本發明中關于菊芋干粉的粒度選擇說明如下：在料水比相同的條件下，干粉粒度越小，料液粘度越低，流動性越好，但是粒度越小，工藝成本越大，考慮工藝成本，80±10目為宜。

本發明中關于菊芋發酵液制備說明如下：料水比1∶4,80±2℃熱水浸提1h，抽濾得上清液。

本發明中關于菌種的活化培養基及活化步驟說明如下：菌種活化培養基：葡萄糖20g／L，酵母浸粉5g／L，蛋白胨3g／L，KH₂PO₄2g／L，(NH₄)₂SO₄2g／L，pH5.0。活化步驟：挑取斜面保藏菌種1～2環接種到活化培養基中，于30±1℃、200r/min搖床恒溫培養12h。