蔗渣-糖蜜混合原料发酵乙醇联产沼气的方法
阅读说明：本技术 蔗渣-糖蜜混合原料发酵乙醇联产沼气的方法 (Method for co-producing biogas by fermenting ethanol with bagasse-molasses mixed raw material ) 是由 谢君 樊美杉 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种蔗渣-糖蜜混合原料发酵乙醇联产沼气的方法,包括如下步骤：S1.甘蔗渣预处理：将甘蔗渣粉碎,加入碱溶液,水洗、干燥,得到预处理后甘蔗渣；S2.混合发酵：取预处理后甘蔗渣和糖蜜,加入酵母活化液和纤维素酶,进行同步糖化发酵；所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为12％～48％称取；S3.厌氧发酵：同步糖化发酵后,移除乙醇,接入厌氧污泥,进行沼气发酵。本发明提供的以甘蔗渣和废糖蜜为原料联产乙醇和沼气的方法,提高了乙醇的产率、有效利用废液产生沼气。糖蜜减小了废液的粘度,使混合发酵后的废液能够进行高效厌氧发酵产沼气。不仅解决了乙醇发酵产率不高和废液难处理的问题,而且实现了废弃物资源利用化。(The invention discloses a method for co-producing biogas by fermenting ethanol with bagasse-molasses mixed raw materials, which comprises the following steps: s1, bagasse pretreatment: crushing bagasse, adding an alkali solution, washing with water, and drying to obtain pretreated bagasse; s2, mixed fermentation: taking the pretreated bagasse and molasses, adding yeast activation solution and cellulase, and performing simultaneous saccharification and fermentation; weighing the pretreated bagasse and molasses according to the solid-liquid ratio of 12-48%; s3, anaerobic fermentation: after synchronous saccharification and fermentation, removing ethanol, inoculating anaerobic sludge, and performing biogas fermentation. The method for co-producing ethanol and methane by using bagasse and waste molasses as raw materials improves the yield of ethanol and effectively utilizes waste liquid to produce methane. The molasses reduces the viscosity of the waste liquid, so that the waste liquid after mixed fermentation can be subjected to efficient anaerobic fermentation to produce methane. Not only solves the problems of low ethanol fermentation yield and difficult waste liquid treatment, but also realizes the utilization of waste resources.)
技术领域
本发明涉及生物质能源领域，更具体地，涉及一种使用甘蔗渣和废糖蜜作为混合发酵原料联合产乙醇和沼气的方法。
背景技术
生物乙醇作为汽油的一种添加剂或替代品，是一种非常可观的再生能源。沼气是一种理想的清洁生物燃料，用沼气代替传统化石燃料有效避免环境污染问题。生物乙醇和沼气可以用作汽车燃料、电力或热能，以取代化石燃料。目前常用于生产生物乙醇的方法主要是以木质纤维素生物质为原料，通过与玉米粉或小麦粉等淀粉类物质混合发酵，来提高乙醇的浓度和产率。在这个过程中，会用到人类赖以生存的粮食类物质。
甘蔗渣和废糖蜜都属于制糖工业的副产品。甘蔗渣是甘蔗经破碎压榨提取蔗汁后的甘蔗茎的纤维性残渣，属于农业固体废弃物，甘蔗渣中含有大量的纤维素、半纤维素和木质素等。糖蜜含有大量可发酵糖，是很好的发酵原料。
单独使用甘蔗渣等木质纤维素发酵时，随着底物浓度的增加，会出现质量转移的限制，造成搅拌上的困难，使得乙醇产率不高，且发酵后的废液粘度较大。该废液制约了生物质燃料的发展，使得化学需氧量(COD)较高，污染问题较为严重。
因此，需要寻求一种提高乙醇产率且可以有效处理后续废液的新发酵方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有单独使用甘蔗渣发酵产乙醇时乙醇产率不高且废液难处理的缺陷，提供一种以甘蔗渣和废糖蜜作为混合发酵原料联产乙醇和沼气的方法，该方法不仅提高了乙醇的产率，还可有效利用后续废液产生沼气，实现了废弃物资源利用化。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种联产乙醇和沼气的方法，包括如下步骤：
S1.甘蔗渣预处理：将甘蔗渣粉碎，加入碱溶液，水洗、干燥，得到预处理后甘蔗渣；
S2.混合发酵：取预处理后甘蔗渣和糖蜜，加入酵母活化液和纤维素酶，进行同步糖化发酵产乙醇；所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为12％～48％称取；
S3.厌氧发酵：同步糖化发酵后，移除乙醇，接入厌氧污泥，进行沼气发酵。
本发明提出了将甘蔗渣和糖蜜混合使用作为发酵原料，联产生物燃料乙醇和沼气的方法。甘蔗渣酶解液中，除了糖分及少量的无机盐，成分较为单一；而糖蜜中含有丰富的氮、磷及维生素等营养成分，能为酵母发酵提供足够的营养源，且改善了体系的流动性，提高了乙醇的产率，减小了废液的粘度。将混合发酵废液中的乙醇回收后，发酵浓糟继续进行厌氧发酵产沼气，不仅解决了废液难处理的问题，而且实现了废弃物资源利用化。此外，糖蜜发酵不需要预处理和预糖化，减少了混合发酵产乙醇的工艺流程，降低了生产成本。
优选地，步骤S2中所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为28％～48％称取。
更优选地，步骤S2中所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量以固液比为36％～44％称取。
在较低的固液比下，即甘蔗渣和糖蜜的质量较少，甘蔗渣和糖蜜混合发酵比甘蔗渣的单独发酵优势不明显；在较高的固液比条件下，甘蔗渣和糖蜜混合发酵比甘蔗渣的单独发酵所产生乙醇的浓度及产率明显提高了，并且较高固液比的乙醇发酵后的废液可以进一步产沼气，使得废弃物资源的再度被利用。
优选地，步骤S2中所述预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量比为(0.3～3)∶1。
随着糖蜜比例的增加，乙醇的浓度和产率也相对增加，因为糖蜜可以改善体系的流动性，并为酵母生长提供足够的营养。与糖蜜和甘蔗渣的质量比为1:1相比，糖蜜和甘蔗渣的质量比为3:1的优势并不明显，因此优先选择糖蜜和甘蔗渣的质量比为1:1的发酵体系。
优选地，步骤S2中所述糖蜜为制糖工业的废糖蜜。
优选地，步骤S2中所述酵母活化液为酿酒酵母活化液。
优选地，步骤S2中所述酿酒酵母活化液的酵母浓度为2.5～5g/L。
更优选地，步骤S2中所述酿酒酵母活化液的酵母浓度为3.3g/L。
优选地，步骤S2中所述纤维素酶用量为10～30FPU/g处理后甘蔗渣。
更优选地，步骤S2中所述纤维素酶用量为15FPU/g处理后甘蔗渣。
优选地，步骤S2.中所述同步糖化发酵的温度为30～38℃，转速为100～200rpm，时间为48～144h。
更优选地，步骤S2中所述同步糖化发酵的温度为34℃，转速为120rpm，时间为120h。
优选地，步骤S3中所述厌氧发酵是在高负荷同步糖化发酵后进行。
优选地，步骤S3中所述厌氧污泥是按照接种物与底物中挥发性固体的比值为(1～2)∶1接入。
更优选地，步骤S3中所述厌氧污泥是按照接种物与底物中挥发性固体的比值为1∶1接入。
优选地，步骤S1中所述水洗为水洗至中性。
优选地，步骤S1中所述干燥为干燥至恒重。
优选地，步骤S2中所述糖蜜为废糖蜜。
优选地，步骤S1中所述碱溶液为NaOH溶液。
优选地，步骤S1中所述NaOH溶液的浓度为2％。
优选地，步骤S1中所述NaOH溶液是按照固液比1∶20添加。
优选地，步骤S1中所述NaOH溶液加入后，置于80℃中2h。
优选地，步骤S1中所述粉粹是将甘蔗渣粉粹至40～60目。
上述联产乙醇和沼气的方法的具体步骤如下：
(1)蔗渣原料预处理：称取绝干的甘蔗渣原料，按照固液比1∶20添加2％的NaOH溶液，80℃下处理2h，然后用水洗涤至中性，得到预处理后甘蔗渣；
(2)混合发酵：按照固液比12％～48％(W/V)，以(0.3～3)∶1的比例称取预处理后甘蔗渣和废糖蜜，加入起始酵母细胞浓度为3.3g/L的酵母活化液以及按照每克预处理后甘蔗渣的量加入15FPU的纤维素酶，控制反应体系的温度为34℃、转速为120rpm，进行同步糖化发酵产乙醇；
(3)厌氧发酵产沼气：同步糖化发酵结束后，将乙醇移除，按照接种物与底物中挥发性固体的比值为1∶1接入厌氧污泥，进行沼气发酵。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的以甘蔗渣和糖蜜为原料联产乙醇和沼气的方法，提高了乙醇的产率，糖蜜减小了废液的粘度，使混合发酵后的废液能够进行高效厌氧发酵产沼气，有效去除VS和COD。不仅解决了乙醇发酵产率不高和废液难处理的问题，而且实现了废弃物资源利用化。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例中的原料均可通过市售得到；除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
甘蔗渣预处理：称取绝干的甘蔗渣原料，按照固液比1∶20添加2％的NaOH溶液，80℃下处理2h，然后用水洗涤至中性，得到预处理后甘蔗渣。
所用糖蜜为废糖蜜，所用纤维素酶购自上海源叶生物科技有限公司，所用酿酒酵母购自安琪酵母股份有限公司，反应液中乙醇含量用高效液相色谱法分析，甲烷含量用AMPTS-II-全自动甲烷潜力测试系统分析。
酵母活化液制备：称取2g葡萄糖溶于100mL去离子水中，接入6.6g酵母粉，在摇床上160rpm进行活化：①36℃，10min；②34℃，1h。
乙醇产率的计算方法如下：
实施例1
以固液比为12％(w/v)，制备甘蔗渣与糖蜜的质量比不同(3:1、1:1、1:3)的发酵体系。具体地，分别称取9g预处理后甘蔗渣、3g糖蜜和95mL去离子水；6g预处理后甘蔗渣、6g糖蜜和95mL去离子水；3g预处理后甘蔗渣、9g糖蜜和95mL去离子水；将上述发酵体系的原料分别放置在250mL锥形瓶中(所称原料均以绝干质量计算)，分别用H2SO4调pH至4.5，放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min，然后在超净工作台上加入5mL的酵母活化液和计算好的纤维素酶(15FPU/g预处理后甘蔗渣)，在34℃，120rpm摇床上反应，发酵120h后，用高效液相测定反应液中乙醇含量。
固液比为甘蔗渣和/或糖蜜的质量与总液体的体积之比。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是以固液比为16％(w/v)，制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比不同(3:1、1:1、1:3)的发酵体系。具体地，分别称取12g预处理后甘蔗渣、4g糖蜜和95mL去离子水；8g预处理后甘蔗渣、8g糖蜜和95mL去离子水；4g预处理后甘蔗渣、12g糖蜜和95mL去离子水；其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是以固液比为20％(w/v)，制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比不同(3:1、1:1、1:3)的发酵体系。具体地，分别称取15g预处理后甘蔗渣、5g糖蜜和95mL去离子水；10g预处理后甘蔗渣、10g糖蜜和95mL去离子水；5g预处理后甘蔗渣、15g糖蜜和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是以固液比为24％(w/v)，制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比不同(3:1、1:1、1:3)的发酵体系。具体地，分别称取18g预处理后甘蔗渣、6g糖蜜和95mL去离子水；12g预处理后甘蔗渣、12g糖蜜和95mL去离子水；6g预处理后甘蔗渣、18g糖蜜和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是以固液比为28％(w/v)，制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比不同(3:1、1:1、1:3)的发酵体系。具体地，分别称取21g预处理后甘蔗渣、7g糖蜜和95mL去离子水；14g预处理后甘蔗渣、14g糖蜜和95mL去离子水；7g预处理后甘蔗渣、21g糖蜜和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例是以固液比为32％(w/v)，制备预处理后甘蔗渣与糖蜜的质量比不同(3:1、1:1、1:3)的发酵体系。具体地，分别称取24g预处理后甘蔗渣、8g糖蜜和95mL去离子水；16g预处理后甘蔗渣、16g糖蜜和95mL去离子水；8g预处理后甘蔗渣、24g糖蜜和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例7～10
实施例7～10与实施例1的区别在于，实施例7～10是在预处理后甘蔗渣和糖蜜的质量比为1:1时，依次称取18g预处理后甘蔗渣、18g糖蜜和84.76mL去离子水(固液比为36％)；20g预处理后甘蔗渣、20g糖蜜和95mL去离子水(固液比为40％)；22g预处理后甘蔗渣、22g糖蜜和95mL去离子水(固液比为44％)；24g预处理后甘蔗渣、24g糖蜜和95mL去离子水(固液比为48％)；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例11
按照实施例7，将预处理后甘蔗渣和糖蜜的比例为1:1时，固液比为36％的预处理后甘蔗渣和糖蜜发酵120h后，将富含乙醇的发酵的醪液置于旋转蒸发仪中，60℃减压蒸馏30min，将乙醇单独收集，剩余的发酵浓糟与厌氧污泥以挥发性固体(VS)比值1:1进行沼气发酵。在500mL发酵瓶中，称取污泥382.66g(VS:3.83g)和发酵浓糟17.34g(VS:3.83g)，总的反应体积为400mL，37℃下进行厌氧发酵，当总反应过程中无气体生成时停止反应，用AMPTS-II-全自动甲烷潜力测试系统测定甲烷含量，用标准方法测定反应液中COD含量和VS值。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，是以固液比为12％(w/v)，称取12g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，是以固液比为16％(w/v)，称取16g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于，是以固液比为20％(w/v)，称取20g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于，是以固液比为24％(w/v)，称取24g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于，是以固液比为28％(w/v)，称取28g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
对比例6
对比例6与实施例1的区别在于，是以固液比为32％(w/v)，称取32g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
对比例7
对比例7与实施例1的区别在于，是以固液比为36％(w/v)，称取36g预处理后甘蔗渣和95mL去离子水；
其他原料用量及操作步骤与实施例1和7相同，即以单独甘蔗渣先进行混合发酵产乙醇后，再利用剩余的发酵浓糟与厌氧污泥以挥发性固体(VS)比值1:1进行沼气发酵。
表1为实施例1～10和对比例1～7中甘蔗渣和糖蜜的固液比与发酵条件的设置及乙醇的浓度和产率。
表1实施例1～10和对比例1～7的固液比与发酵条件的设置和结果
注：A、B、C分别表示甘蔗渣与糖蜜的比值为3:1、1:1、1:3。
实施例1～6为固液比12％～32％的甘蔗渣和糖蜜的混合发酵，对比例1～6为固液比12％～32％的甘蔗渣的单独发酵。由表1可知，在不同固液比下，随着糖蜜比例的增加，乙醇的浓度和产率也相对增加；在固液比为12％～24％时，加入糖蜜的混合发酵比甘蔗渣的单独发酵的优势不明显；但在固液比为28％～32％时，加入糖蜜的混合发酵比甘蔗渣的单独发酵的优势较为明显。
糖蜜的加入增加了发酵体系中的流动性，提高了混合发酵时乙醇的产率，并减小了废液的粘度，使混合发酵后的废液能够进行厌氧发酵产沼气；此外，糖蜜发酵不需要预处理和预糖化，减少了混合发酵产乙醇的工艺流程，降低了生产成本。
对于甘蔗渣的单独发酵，随着固液比的增加，由于物质转移的限制，使得原料的粘度太大，且甘蔗渣单独对酵母生长提供的营养有限，在32％固液比下，甘蔗渣单独发酵的乙醇产率降低至64.10％，比混合发酵的产率降低了十几个百分点。因此，相比于甘蔗渣的单独发酵，糖蜜和甘蔗渣的混合发酵提高了乙醇的产率，减小了废液的粘度。
实施例7～10是在糖蜜和甘蔗渣的质量比为1:1时，不断增加混合发酵的固液比。随着固液比的增加，乙醇的浓度先增加后减小，乙醇的产率逐渐降低。当固液比增加到44％时，乙醇的浓度达到最大值94.20g/L；随后固液比继续增加到48％，乙醇的浓度下降，这可能是由于固液比过高使得原料太浓，发酵时摇床效率不高，从而影响同步糖化发酵。在固液比为36％时，乙醇的产率最大为79.49％。
实施例11为固液比36％的混合发酵后，将废液中的乙醇旋转蒸发回收，醪液中继续进行沼气发酵，最终得到甲烷312.14mL/g VS，VS和COD去除率分别为95.93％和85.9％。高的COD和VS去除率表明了在乙醇发酵醪液中进行沼气发酵的可行性。将混合发酵后的废液进行厌氧发酵产沼气，不仅解决了废液难处理的问题，而且实现了废弃物资源利用化。
而对比文件7得到的甲烷225.63mL/g VS，VS和COD去除率分别为63.28％和61.36％。由于对比例7为单独使用甘蔗渣作为发酵原料，其发酵后的废液中不能发酵的木质素含量较高且营养成分远不及糖蜜，因此导致其无法有效进行厌氧发酵产沼气。
由此可知，本发明提供的联产乙醇和沼气的方法，提高了乙醇的产率、有效利用废液产生沼气。解决了乙醇发酵产率不高和废液难处理的问题，实现了废弃物资源利用化。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。