[发明专利]一种利用菊芋原料糖化和发酵同步进行生产乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种新的乙醇生产方法。

背景技术

由于化石类资源有限且呈枯竭之势，能源短缺已是当今社会面临的一个重大问题。发展可再生的生物质能源是解决日趋紧张的能源供应的有效途径。生物质能源是利用能源植物或农林业有机废弃物生产出来的一种清洁能源产品，其中燃料乙醇是发展生物质能源的首选产品。目前全球燃料乙醇年产规模近3000万吨，而我国燃料乙醇生产能力仅150万吨左右，主要以玉米、小麦等粮食作物为原料。鉴于我国人多地少、粮食生产压力大，以玉米、小麦等粮食作物为原料的燃料乙醇发展空间受到极大限制，难以长久支撑我国燃料乙醇产业持续发展，因此必须走原料多元化道路。据统计原料成本占燃料乙醇生产成本的70％-80％。因此，开发价廉、产量高、综合利用价值高的能源作物势在必行。菊芋等经济作物成为可供选择的原料。

菊芋(Jerusalem artichoke)系多年生草本植物，地下块茎型如生姜，俗称“洋姜”。菊芋的特点是适应性和抗病能力极强，耐干旱、贫瘠和严寒，在不适宜粮食作物生长的废弃土地(如盐碱、滩涂地)上也能良好生长，且种植简便，管理粗放，产量高(地下块茎3-4吨/亩，地上茎杆产量也可达3吨/亩)。菊芋含糖量高，其块茎糖含量达到鲜重的11-20％。菊芋中的糖70-90％以菊粉(inulin)形式存在，菊粉是一种多聚果糖，每个菊粉分子含有30-35个果糖残基，经β-2，1糖苷键脱水聚合而成，成线型排列，果糖链末端为一个葡萄糖分子。除菊芋外，菊苣(chicory)和大丽花(dahlia)中也富含菊粉糖。因此，菊芋作为一种果糖含量丰富的非粮型能源作物是理想的乙醇生产原料。

菊芋发酵生产乙醇的关键是菊粉中的多聚果糖水解成单糖(主要为果糖)，然后被酵母等微生物利用。水解菊粉成为单糖的酶为外切型菊粉酶(inulinase)，该酶能够从菊粉分子的末端逐一水解单糖残基。能够分泌菊粉酶的微生物主要为真菌，包括黑曲霉(Aspergillus niger)、脆壁克鲁维酵母((Kluyveromyces fragilis)、马科斯克鲁维酵母(Kluyveromyces marxianus)等。日本Kazuyoshi Ohta等(Applied andEnvironmental Microbiology，59(3)：729-733，1993)将黑曲霉(Aspergillus niger817)与发酵性能优良的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae 1200)混合培养，利用来源于菊苣和大丽花的纯菊粉发酵生产乙醇，乙醇浓度达到了20％(v/v)。Katarzyna Szambelan等(Biotechnology Letters 26：845-848，2004)利用分泌菊粉酶的脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)分别与Zymomonas mobilis、Saccharomyces cerevisiae混合，发酵菊芋粉生产乙醇，乙醇浓度分别达到9.9％(v/v)、9.4％(v/v)。他们还试验了先用菊粉酶水解菊芋粉，然后利用Zymomonas mobilis或Saccharomyces cerevisiae发酵生产乙醇，乙醇浓度分别达到9.7％(v/v)、9.1％(v/v)。吕跃钢等(食品与发酵工业，29(5)：66-68，2003)曾将酿酒酵母与菊粉酶共固定，利用补加了蔗糖的菊芋抽提液发酵生产乙醇，当初始糖浓度为20％(w/v)时，发酵醪液乙醇含量可达11.98％(v/v)。