一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法技术

本发明专利技术涉及一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法，属于生物质水解、发酵领域。本发明专利技术将真空膜蒸馏应用在菊芋发酵的过程中，与菊芋产醇的“产酶、水解和发酵三耦合工艺”进一步结合，对所产生物质乙醇进行原位分离，实现产酶‑水解‑发酵‑原位分离“四耦合工艺”，降低体系中乙醇浓度，从而减少乙醇对发酵过程所产生的种种抑制作用，最终达到在不终止体系发酵的前提下进行乙醇原位分离的目的，以期获得提高糖醇转化效率和乙醇产率的效果。

Method for separating ethanol in situ by membrane distillation in producing ethanol by enzymolysis fermentation of Jerusalem artichoke

The invention relates to a method for separating ethanol in situ by membrane distillation in the process of producing ethanol by enzymolysis of Jerusalem artichoke, which belongs to the field of hydrolysis and fermentation of biomass. The application of vacuum membrane distillation process in the fermentation of Jerusalem artichoke, and the ethanol production from Jerusalem artichoke \production, enzymatic hydrolysis and fermentation of three coupling process\ further combined in situ separation of substances produced by ethanol, realize the enzyme production hydrolysis fermentation in situ separation \four coupling process, the concentration of alcohol in the system. In order to reduce all kinds of inhibitory effects of ethanol produced on the fermentation process, and ultimately achieve the purpose of separation of ethanol in situ without end system fermentation, improve the conversion efficiency and the ethanol yield of sugar alcohol in order.

【技术实现步骤摘要】
一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法
本专利技术涉及一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法，属于生物质水解、发酵领域。
技术介绍
在菊芋发酵的过程中，生成的乙醇通过以下三种方式对发酵体系产生抑制：对酵母细胞生长的抑制、对糖发酵产醇反应的抑制(即产物抑制)、对酵母细胞的毒害作用。将膜分离技术应用在发酵液中抑制物质的提取已有一些报道，在进行发酵液中丁醇的分离时，一般采用渗透汽化技术，因为丁醇的沸点要高于水，采用真空膜蒸馏技术只能进行丁醇溶液的浓缩，馏出液中水的浓度是高于丁醇浓度的。而对于发酵液中生物质乙醇的分离多采用膜蒸馏的方式来进行，虽然与渗透汽化相比，真空膜蒸馏对乙醇的分离因子往往较低，但是通量却更大。Antonia等在2014年时对真空膜蒸馏及气扫式膜蒸馏进行乙醇原位分离的研究进行了比较，采用乙醇和水配比成模拟发酵液。实验结果表明，真空膜蒸馏对乙醇的分离具有更高的通量，这是因为真空膜蒸馏的气相通过膜孔的驱动力更高，真空膜蒸馏及气扫式膜蒸馏对乙醇的分离因子相当，但气扫式膜蒸馏被认为更易操作和能耗更低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了对菊芋发酵液中的乙醇进行分离以便减小抑制作用，从而提高糖醇转化率的问题，提供一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种实现快速菊芋酶解的方法，将酵母直接接种至菊芋料液中，得到混合溶液，本方法将产酶和水解环节耦合，能够实现快速菊芋酶解。(二耦合)所述混合溶液中的水解液或料渣作为种子植入新一批次的菊芋料液中进行第二批次产酶水解耦合；重复此过程，即再取第二批次的水解液/料渣做为种子植入下一批次的菊芋料液中进行第三批次的耦合过程，实现连续接种的多批次产酶水解耦合工艺。所述酵母为该酵母发酵后产生的酶能够对菊芋进行水解的酵母；所述酵母包括克鲁维酵母；所述菊芋料液的制备方法为将菊芋粉末溶解在水中。当酵母处于对数成长期的，取混合溶液中的固态物质(料渣)直接接种至新的待水解的菊芋料液中，即可继续对菊芋进行水解。所述对数成长期为酵母接种至菊芋料液中12-28h时。固态物质的最佳接种量为1-10％(v/v)。一种菊芋酶解耦合酿酒酵母发酵制备乙醇的方法，酶解耦合发酵工艺(SSF)：将酵母直接接种至菊芋料液中，实现产酶水解耦合，得到料液；在产酶水解耦合工艺进行一段时间后，将料液移入发酵罐，再向发酵罐中加入复水活化后的酿酒酵母。(三耦合)耦合发酵开启时间为8-20h。一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法，将酵母直接接种至菊芋料液中，实现产酶水解耦合，得到料液；在产酶水解耦合工艺进行一段时间后，将料液移入发酵罐，再向发酵罐中加入复水活化后的酿酒酵母，进行发酵产醇，定时取样检测发酵液中还原糖、总糖和乙醇浓度的变化；当所产乙醇达到预定浓度时，开启真空膜蒸馏操作，进行乙醇的原位分离。(四耦合)实现所述一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法的装置，包括：料液罐1、进料泵2、流量计3、膜组件4、冷凝管5、馏出液收集瓶6、缓冲瓶7、真空泵8、温度传感器9、压力传感器10、真空表11和测控柜12；装有菊芋发酵液的料液罐1置于控温的水浴锅中，当进料泵2开启时，发酵液通过进料泵2先后流经控制阀和转子流量计3进入膜组件4，再流回料液罐1中。流量计3和膜组件4之间的管路上设置有温度传感器9和压力传感器10；料液在经过膜组件4时，受膜两侧各组分压差的推动，挥发性组分以气体的形式通过膜孔，到达渗透侧，继而经过冷凝管5，被冷凝并流至馏出液收集瓶6。在膜组件4的入口处设有温度传感器9，进行温度的检测和控制；膜组件4的出口处装有一个温度传真空表11，能够观察到膜蒸馏渗透侧的真空度并进行调节。在冷凝管5与馏出液收集瓶6的连接处装有一个带有真空阀的玻璃燕尾，通过此燕尾可以在不影响膜蒸馏真空条件的情况下进行馏出液的连续取样。真空泵8与膜组件4蒸汽透过侧连接产生真空条件，并通过连接在真空泵8与膜组件4蒸汽透过侧之间的缓冲瓶7的真空阀调节真空度；测控柜12用于采集温度传感器9和压力传感器10传递的数据，并调节水浴锅的温度。所述管路均用保温材料包裹，以减小管路散热导致的热量损失。所述复水活化后的酿酒酵母包括安琪酿酒酵母；当产酶水解的乙醇含量到3-8wt％时开启膜蒸馏体系。所述菊芋料液的浓度为5wt％至40wt％；有益效果1、菊芋发酵产乙醇的膜蒸馏原位分离方法，首次构建了产酶-水解-发酵-原位分离“四耦合工艺”，利用真空膜蒸馏技术将菊芋发酵料液中的乙醇进行原位分离，降低乙醇浓度，减弱抑制作用，推动发酵反应的快速进行。研究着重讨论了各步骤之间的耦合时间对发酵产醇的影响，结果表明，对于18wt％的菊芋料液，开启耦合膜蒸馏较佳时间为23.5h，在连续两次开启膜蒸馏进行乙醇原位分离后，体系的乙醇收率可达到98.9％，远高于不耦合真空膜蒸馏时的84.8％，整个“四耦合工艺”的运行周期也由传统发酵所需的上百小时缩短为为34h。并且所构建的利用菊芋高效产醇的四耦合工艺生产全程无污染，不产生环境负担，所有原料最终均可回归自然，属清洁生产技术。2、所述装置可以进行菊芋发酵液中乙醇的有效分离，对于15wt％的菊芋发酵清液其最大通量和最佳分离因子可分别达到10.5kgh-1m-2和6.5；3、菊芋发酵液的中固形物组分虽然导致膜蒸馏通量的降低，却能够增加料液湍动、减弱浓差极化、提高分离选择性，使分离因子由6.5提高到8；4、膜蒸馏过程产生的膜污染为可逆膜污染，不会带来分离膜的大量消耗。附图说明图1为不同浓度菊芋水解液的发酵曲线，菊芋浓度：10wt％(a)，15wt％(b)，20wt％(c)；图2为18wt％菊芋料液的四耦合曲线；图3为真空膜蒸馏设备示意图；图4为实施例1的菊芋料液发酵制乙醇的四耦合工艺路线；图5为耦合时间不同的15wt％菊芋料液产醇曲线；10h-3％(a)，10h-4％(b)，14h-3％(c)，14h-4％(d)：其中10h-3％代表在产酶水解过程进行至第10h时开始耦合发酵，当测定到发酵液乙醇浓度达3wt％时再开启膜蒸馏。其中，1—料液罐；2—进料泵；3—流量计；4—膜组件；5—冷凝管；6—馏出液收集瓶；7—缓冲瓶；8—真空泵；9—温度传感器；10—压力传感器；11—真空表；12—测控柜；具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1真空膜蒸馏对发酵产乙醇的原位分离：当菊芋料液的“二耦合”过程进行至一定时间，加入复水活化的安琪酿酒酵母，移入发酵罐，进行发酵产醇，定时取样检测发酵液中还原糖、总糖和乙醇浓度的变化。当所产乙醇达到一定浓度时，开启真空膜蒸馏操作，进行乙醇的原位分离。每次膜蒸馏的操作时间为2h，每隔30min更换馏出液收集瓶，测量渗透通量和馏出液中的乙醇浓度，膜蒸馏操作完毕后，将通过计算得到的馏出液中水的质量补加至体系中，测定补水后料液中的糖含量和乙醇浓度。如图4所示。在采用15wt％的菊芋料液作为原料时，分别在产酶水解耦合进行至10h，14h时开始发酵耦合，并分别在体系中乙醇达到3wt％，4wt％时开启膜蒸馏操作，测样和补水后继续进行发酵。并对不同耦合工艺下体系中的各项参数进行了比较。结果如图5所示，耦合了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法，其特征在于：将产菊粉酶酵母直接接种至菊芋料液中，实现产酶水解耦合，得到料液；在产酶水解耦合工艺进行一段时间后，向料液中加入复水活化后的酿酒酵母，进行发酵产醇，定时取样检测发酵液中还原糖、总糖和乙醇浓度的变化；当所产乙醇达到预定含量时，开启真空膜蒸馏操作，进行乙醇的原位分离。

【技术特征摘要】
1.一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法，其特征在于：将产菊粉酶酵母直接接种至菊芋料液中，实现产酶水解耦合，得到料液；在产酶水解耦合工艺进行一段时间后，向料液中加入复水活化后的酿酒酵母，进行发酵产醇，定时取样检测发酵液中还原糖、总糖和乙醇浓度的变化；当所产乙醇达到预定含量时，开启真空膜蒸馏操作，进行乙醇的原位分离。2.实现所述一种菊芋酶解发酵产乙醇过程中膜蒸馏原位分离乙醇的方法的装置，其特征在于：包括：料液罐(1)、进料泵(2)、流量计(3)、膜组件(4)、冷凝管(5)、馏出液收集瓶(6)、缓冲瓶(7)、真空泵(8)、温度传感器(9)、压力传感器(10)、真空表(11)和测控柜(12)；装有菊芋发酵液的料液罐(1)置于控温的水浴锅中，当进料泵(2)开启时，发酵液通过进料泵(2)先后流经控制阀和转子流量计(3)进入膜组件(4)，再流回料液罐(1)中；流量计(3)和膜组件(4)之间的管路上设置有温度传感器(9)和压力传感器(10)；料液在经过膜组件(4)时，受膜两侧各组分压差的推动，挥发性组分以气体的形式通过膜孔，到达渗透侧，继而经过冷凝管(5)，被冷凝并流至馏出液收集瓶(6)；在膜组件(4)的入口处设有温度传感器(9)，进行温度的检测和控制；膜组件(4)的出口处装有一个温度传真空表(11)，能够观察到膜蒸馏蒸汽渗透侧的真空度并进行调节；在冷凝管(5)与馏出液收集瓶(6)的连接处装有一个带有真空阀的玻璃燕尾，通过此燕尾可以在不影响膜蒸馏真空条件的情况下进行馏出液的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵之平，赵昭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11