吉林化工学院--科学研究
吉林化工科学技术管理处

以菊芋为原料同步糖化发酵生产燃料乙醇的研究

[日期:2012-11-06] 来源:  作者: [字体: ]

1、课题来源与背景  菊芋与当前燃料乙醇生产使用的粮食类淀粉质原料相比,具有明显的竞争优势,所以菊芋是一种最具有发展前景的第二代生物乙醇原料。以菊芋块茎干粉为原料,同步糖化发酵生产燃料乙醇,利用菌体自产菊粉酶,糖化和发酵同时进行,原料不需蒸煮和预先糖化,节省能源及设备投资,降低了生产成本,同时还减少了因蒸煮而造成的可发酵性糖的损失,解除底物抑制现象,有利于维持较高的乙醇生产强度。发酵不易染菌,发酵过程平稳,温度容易控制。但在生料同步糖化菊芋发酵乙醇的过程中,由于菊芋干粉吸水溶胀,当底物浓度加大以后,料液黏度增大,流动混合困难,影响传质传热,料液黏度限制着发酵固形物质的浓度,目前乙醇发酵菊芋干粉浓度一般在200-250g/L,由于菊芋干粉浓度达到一定浓度(大于250g/L)后,醪液黏度比较大,一般大于1.0×105mPa.s,属于高粘度的非牛顿流体,而一般淀粉质或糖基质的原料发酵液粘度小于1.0×102 mPa.s,高粘度料液影响发酵过程中的传热与传质效果,发酵过程产生的CO2也会因排出不畅而积累,导致发酵速度减缓,发酵时间长,反应不完全,乙醇收率明显低于目前玉米乙醇行业的收率,一般在80%左右,发酵时间在60h以上。如果增加料水比,又会产生发酵效率降低、后期废水处理增加负荷等一系列问题。因此如何提高发酵菊芋干粉浓度,同时降低菊芋醪液的粘度,使菊芋发酵乙醇浓度达到或超过目前乙醇的行业水平,这也是菊芋原料发酵产业化过程中面临的关键问题。

2、技术原理及性能指标 本研究使用具有分泌菊粉酶能力且乙醇发酵性能优良的马克斯克鲁维酵母Kluyveromyces marxianus,主要从添加酶制剂,改变拌料水温和补料方式等方面进行研究,提高发酵液糖浓度,缩短发酵时间,提高乙醇浓度和收率。

3、成果的创造性与先进性  通过添加辅助酶制剂及改变拌料水温及补料方式等方法,降低发酵醪液黏度,提高发酵液菊芋干粉的浓度,缩短发酵时间,提高发酵终点的乙醇浓度。最佳工艺条件改变拌料水温度,添加酒精复合酶补料,菊芋干粉终浓度可达到305 g/L,发酵48h乙醇浓度为92.0g/L

4、成果的进展情况、成熟程度,使用范围和安全性

利用通用式发酵罐进行菊芋乙醇的发酵目前受料液粘度的限制,目前仅能达到305 g/L,在此浓度下乙醇收率较高乙醇对糖的得率为0.4641,为理论值的91%

5、成果应用情况及存在的问题

    由于有物料浓度的限制,目前正在进行固体发酵罐或半固体发酵罐的发酵研究。采用仿生学原理模拟牛瘤胃工作情况设计构建了一个高效利用生物质资源的人工系统。使用仿生厌氧发酵罐可以实现同步糖化发酵过程中原位的发酵和产物分离耦合,进而实现生物质的乙醇高效转化,为我国生物质能源理论和技术突破,供新的科技驱动力。

6、转化条件

本技术转化可为我省生物能源的开发与利用提供一个新的生物乙醇原料,并保护脆弱的生态环境。

菊芋有很强的适应性、耐贫瘠、耐寒、耐旱、种植简易、产量高等。可在我省的盐碱地,滩涂,半沙漠化土地进行菊芋的种植,大面积芋种植可以利用滩涂地、盐碱地或荒漠,不仅可以为生物能源产品生产开辟新的原料来源,而且有助于保护脆弱的生态环境。在2007年在国务院办公厅转发的国家发改委《生物产业发展十一五规划》中明确提出“支持以甜高粱、木薯和菊芋等非粮原料生产燃料乙醇”,所以菊芋是一种具有发展前景的第二代生物乙醇原料。



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