专利名称：利用提取色素后的紫甘薯薯渣制取无水酒精的方法
技术领域：
本发明涉及天然色素与酒精领域，具体地说就是利用提取色素后的紫甘薯薯渣，通过脱酸后加入黑曲酶、淀粉酶，经蒸汽喷射液化，使紫甘薯薯渣充分液化，彻底消除生成甲醇的物质基础和条件，从而达到节能、高效率地生产符合国家标准的无水酒精的目的。
背景技术：
近年，随着紫甘薯红色素的日趋走俏，紫甘薯种植面积以每年10％的速度递增。紫甘薯红色素由于具有很好的光、热稳定性和在人体内较强的抗氧化作用，现广泛应用于色酒、化妆品调色和功能食品的天然营养添加剂。
用膜分离技术提取紫甘薯色素有较高的经济价值，提取率约为130∶1。一个年产100吨天然色素的工厂，仅薯渣就有13000吨。用紫甘薯提取色素，要用15％的拧檬酸溶液浸提紫甘薯碎片2次。充分酸化的薯渣，一般企业只能脱酸、烘干打粉后充做饲料。然而，薯渣脱酸需要添加大量纯碱和充分水洗。由此带来的环保问题，是企业不能忽视的。企业也因此加大了生产成本。所以薯渣的处理一直是紫甘薯色素生产企业必须面对的难题。虽然薯渣的处理在酒精生产中也必须解决，但生产酒精毕竟是高附加值的产品，处理薯渣产生的成本就可以略去不计。
用紫甘薯薯渣生产符合国家(GB10343-2002)标准的无水酒精，首先必须解决甲醇超标的问题。甲醇在人体内代谢产物为甲醛和甲酸，甲醛严重危害人体健康。上世纪九十年代全国各地屡发酒精中毒的恶性事件，究其原因就是用甘薯、马铃薯等为原料生产的劣质酒精中的甲醇含量严重超标造成的。甲醇不是酒精发酵过程中酵母菌的代谢产物，它是甘薯、马铃薯原料在蒸煮过程中，由甘薯、马铃薯等原料中的果胶质、甲基戊糖在高温作用下生成的甲氧基(-OCH3)还原而成。所以用果胶含量高的薯渣生产无水酒精，甲醇含量明显高于用谷物生产无水酒精的甲醇含量。生产工艺中，可以在精馏塔后再加一组甲醇分离塔把甲醇分离掉。但乙醇和甲醇的沸点十分接近，分离塔要求极高。所以脱甲醇塔投资大，生产工艺复杂，一般中小企业不敢问津。一般传统工艺生产甘薯酒精时，用锥型压力锅蒸煮甘薯要求温度达135～140℃，蒸汽压力2.0～2.5×105pa。蒸煮时间60～85分钟，每隔15分钟排气一次，希望把已经生成的甲醇随蒸气排出锅外。但每次排气后，要恢复温度和压力，就要耗费大量能源。因此，为了降低能耗，这种排气也是十分有限的，大量生成的甲醇还是留在料液中。
甘薯的果胶含量约占2-3％。果胶是甘薯细胞壁的主要结构多糖组分，含量最多的是同聚半乳糖醛酸(homogalacturonan)、鼠李糖半乳糖醛酸聚糖(rhamnogalacturonans)I和II，这些链状化合物长时间受热生成甲氧基，再还原为甲醇。紫甘薯提取色素后除损失部分淀粉外，果胶、甲基戊糖基本不变。
技术内容本发明是根据黑曲酶裂解果胶和甲基戊糖长链结构组分的原理，在液化工序中加入黑曲酶、耐高温a-淀粉酶和采用蒸气喷射液化技术，以较低的温度在瞬间完成薯渣液化的全过程。避免了传统工艺中，因高温长时间蒸煮薯渣使果胶和甲基戊糖长链结构组分生成甲醇的因素。仅此工艺改变，本发明将比传统工艺节约近40％的能源。采用本发明能迅速解决中小企业因用甘薯、马铃薯等为原料，生产的酒精甲醇含量超标的问题。同时本发明因采用势能梯度连续发酵系统、三级酒精精馏塔与PV渗透蒸发膜组合的酒精蒸馏脱水技术系统，可降低35～50％的设备投资，节约近40％的热能。
为实现上述目的，本发明选用的黑曲酶(Aspergillusniger)，主要含有阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectin methylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)等七种内切PG、两种外切PG和七种PL同功酶。为了使用方便，也可以采用已经商品化的阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectin methylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)。
本发明所述紫甘薯薯渣是指采用专利申请号200610010637.4“膜分离提取紫甘薯红色素的方法”中，浸提紫甘薯红色素后的紫甘薯碎片。本发明也适用于普通薯类作物。
本发明所述的黑曲酶(Aspergillusniger)加量为1％。商品化的阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶甲基脂化酶(pectin methylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)的加量以购买的酶活性使用量为准。温度50～55℃，PH 4.0～5.0保持时间1～2小时。单位为质量百分数。
本发明所述的耐高温a-淀粉酶(E.C.3.2.1.1)，加量为5～10ug/g(薯渣)，温度90～95℃，pH 5.0～8.0保持时间30分钟。单位为质量百分数。
本发明所述的蒸气喷射液化技术，为酒精行业近年推广使用的一项高效节能新技术。使用时先用蒸汽将喷射系统预热至90～95℃，再用泵将薯渣粉浆送入喷射器。蒸汽压力为0.4～0.6Mpa。
本发明的优点在于1、本发明最大限度地减少了生成甲醇的因素，使不能投资贵重设备的中小甘薯酒精生产企业，也能生产出符合国家标准的无水酒精。2、本发明仅液化工序就可节约能源达40％。3、本发明充分利用了浸提紫甘薯红色素后的紫甘薯薯渣，为生产天然色素的企业提供了一个资源综合利用的范例。4、本发明使用黑曲酶后，薯渣充分水解液化，原生成甲醇的甲基化的a-1，4同聚半乳糖醛酸在酶作用下，形成C4-C5不饱和寡糖醛苷，直接参与料液糖化，因此，在同等条件下，使酒精产量增加了1-2％。5、本发明使用黑曲酶的重要作用还在于，在多酶的作用下，一部分未完全水解的带负电荷的果胶质与带正电荷的蛋白质、鞣酸等微粒结合絮积沉淀，在卧式沉降式离心机固液分离时与其它没有糖化的固体物质一起分离出去，减少了发酵液蒸馏时的能源负担，提高了发酵液的出酒率。
图1是发酵工艺中的势能梯度连续发酵系统图2是3级酒精精馏塔与PV渗透蒸发酒精脱水系统，及酵母MF微滤回收和RO反渗透水处理系统。
具体实施例方式
紫甘薯薯渣前处理将紫甘薯薯渣加碱液中和，充分水洗，把pH调至4.0～5.0。
液化工艺在薯渣粉碎时加入黑曲酶1％(薯渣)，用50～55℃的温水浸泡，加水量为1∶0.25～0.3，气体搅动1～2小时。把料液泵入粉浆罐，pH5.0～7.5，温度90～95℃，加入耐高温a-淀粉酶(E.C.3.2.1.1)，加量5～10ug/g(薯渣)，保持时间30分钟。把粉浆泵入液化喷射器，温度100～105℃，粉浆瞬间液化。进入平板换热器，将温度降至40～55℃，泵入糖化醪罐。
糖化工艺糖化醪罐液位90％，pH4.0～4.5，加糖化酶(E.C.3.2.1.3)，加量30～50U/g(薯渣)，糖化时间1.5小时。泵入卧式沉降式离心机进行固液分离，分离出来的固体含有较多蛋白质和纤维素，经沸腾干燥器干燥粉碎后，可做饲料。糖液进入发酵罐，外观糖22～25Bx，糖化率45～55％。
发酵工艺经平板换热器将温度降至30～31℃，调pH3.5～3.8，发酵醪液进入势能剃度连续发酵系统的1#发酵罐，液位95％。加入TH-AADY酵母菌，酵母数0.8～1.2亿/ml，挥发酸0.1～0.2，酒精含量5～6％(体积分数)；2#发酵罐32～33℃，pH3.9～4.2，挥发酸0.15～0.2；3～4#发酵罐温度控制在37℃以内，总酸不超过3.5～4.0。发酵成熟标准酒精含量11～12.5％，外观糖0.5～1.0Bx以下，残总糖2.0％以下。发酵醪液泵入MF微滤系统，糖液与酵母菌母液分离，酵母菌母液全部回用至1#发酵罐。势能剃度连续发酵系统罐间更换发酵醪液的速度为每小时5～8％。连续发酵系统的总发酵时间比间隙发酵少10小时，平均总发酵时间为55小时。
蒸馏工艺；发酵醪液经过微滤MF分离后，过滤液经与三级精馏塔底产物换热后进入1#精馏塔。1#精馏塔底用一次蒸汽(140～150℃)作再沸器的热源，而塔顶产物则作2#精馏塔的再沸器热源；而2#精馏塔的塔顶产物再作3#精馏塔的再沸器的热源。3#精馏塔的塔顶产物(94～95％酒精)经再沸器加热后，进入渗透蒸发PV膜组件，渗余液为无水酒精(99.5％酒精)，渗透液则返回1#精馏塔。3#精馏塔的塔顶产物经再沸器加热至60～100℃后进入渗透蒸发PV膜组件，膜后压力为500～2000pa冷凝器温度为-15～20℃；各塔底物流经热回收后进入另一组PV组件，渗余液经热回收后进入1#精馏塔，渗透液则经反渗透RO处理后得到可以循环使用的工艺水。酒精单位为体积百分数，其它单位为质量百分数。
权利要求
1.利用提取色素后的紫甘薯薯渣制取无水酒精的方法，其特征是在粉碎薯渣时，加入的黑曲酶(Aspergillus sp)是含有阿聚糖酶(Arabanases)、果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)和果胶甲基脂化酶(pectinmethylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)等七种内切PG、两种外切PG和七种PL的同功酶。
2.按权利要求1所述的方法，其特征是也可以使用已经商品化的果胶裂解酶(pectin lysase，pl，E.C.4.2.2.10)、果胶阿聚糖酶(Arabanases)和果胶甲基脂化酶(pectin methylesteraes，PMF，E.C.3.1.1.11)。
3.按权利要求1所述的方法，其特征是制取无水酒精的原料是提取紫甘薯红色素后的紫甘薯薯渣，也可以是普通的薯类作物。
4.按权利要求1所述的方法，其特征是液化工艺采用的是蒸汽喷射液化技术。
5.按权利要求1所述的方法，其特征是发酵醪液的酒精蒸馏脱水技术，是三级精馏塔与PV渗透蒸发膜的组合蒸馏脱水技术系统。
全文摘要
本发明是利用黑曲酶分解果胶和甲基戊糖分子结构的原理，在加工紫甘薯薯渣无水酒精的液化工序中，采用加入黑曲酶、耐高温a－淀粉酶结合蒸气喷射的液化技术，以较低的温度在瞬间完成紫甘薯薯渣液化的全过程。避免传统工艺中因高温长时间蒸煮薯渣生成甲醇的因素。仅此工艺改变，本发明将比传统工艺节约近40％的能源。应用本发明能迅速解决用薯类为原料，生产无水酒精时甲醇含量超标的问题。同时本发明因同时采用势能梯度连续发酵系统、三级酒精精馏塔与PV渗透蒸发膜组合的酒精蒸馏、脱水加工技术，较大地降低了设备投资和能耗。
文档编号C07C29/80GK101074445SQ200610010898
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月17日 优先权日2006年5月17日
发明者杨蕴力 申请人:杨蕴力