本发明专利技术涉及一种化学发酵技术领域，具体涉及一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法，该方法包括实验设计、酵母活化、同步糖化发酵工艺、乙醇得率测定、统计分析和验证性实验，将木薯粉和水在发酵瓶中混合，并加入耐高温α‑淀粉酶、糖化酶和活化后的酵母，充分混匀，置于恒温摇床中，在固定的发酵温度下培养，设置恒温摇床的发酵时间，然后取出测定乙醇得率。分别建立乙醇得率和原料转化率与发酵时间、发酵温度、水料质量比三因素的二次回归方程并检验，利用最大似然法规划求解出最优参数。本发明专利技术利用统计分析求出最佳合理经济有效的工艺参数，技术简单、投资低、科学可行、高效经济利用木薯发酵生产燃料乙醇的方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种化学发酵
，具体涉及一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法。
技术介绍
目前，液体燃料的来源主要是石油资源，石油是不可再生能源，世界上大多数国家包括我国在内都存在着能源紧张问题，生物质能源作为新的可再生的能源受到广泛关注。我国燃料乙醇的生产最初的原料是陈化粮，但是粮食危机的出现让以粮食为原料生产燃料乙醇的产业受到巨大冲击和舆论的压力，燃料乙醇走上了非粮化的道路。目前的非粮原料主要有木薯、甜高粱、甘蔗、以及木质纤维素等。以小麦玉米秸秆为原料生产燃料乙醇就目前来讲成本过于高，不具有市场竞争力，还有很长一段路要走。我国南方盛产木薯，木薯淀粉含量高，且易种、耐干旱贫瘠，可不与粮食作物争耕地，价格便宜，开发木薯生产燃料酒精，具有广阔的前景。20世纪70年代，一些学者在研究纤维素发酵转化乙醇的过程中，为了防止糖积累和最终产物抑制，从而提高纤维素酶的催化水解效率，提出了同步糖化发酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)模式，受到了广泛的重视，各国学者进行了大量研究表明，SSF模式比先糖化后发酵(Separate Hydrolysis and Fermentation,SHF)模式更经济。采用SSF模式发酵淀粉原料生产酒精，省略了糖化工段，能耗降低；糖化和发酵在同一个反应器中进行，设备投资省；另外糖化和发酵同时进行，糖化生产的葡萄糖一经产生就被酵母利用，可保持较低的水平，有利于防止染菌。以木薯干为原料，同步糖化发酵生产乙醇，采用响应面分析法对工艺参数优化，目前尚属空白。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法，利用统计分析求出最佳合理经济有效的工艺参数，技术简单、投资低、科学可行、高效经济利用木薯发酵生产燃料乙醇的方法。综上所述，本专利技术提供了一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：实验设计：选定发酵时间、发酵温度、水料质量比三个工艺参数为优化对象，设置三个因素的工艺参数并编码，按照二次回归正交组合设计实验方案。步骤二：酵母活化：干酵母、水、葡萄糖，按照质量比为100：1000：1的比例混匀，30℃水浴30min即可作为酒母使用。步骤三：同步糖化发酵工艺：将木薯干粉碎过筛备用，称取50g木薯粉，按水料质量比加水于500ml发酵瓶中混合，加入耐高温α-淀粉酶15U/g混匀，加入糖化酶200U/g和活化后的酵母5×107cell/mL，充分混匀。初始pH调整为4.5，然后封口，然后置于恒温摇床中在固定的发酵温度下培养，设置恒温摇床的发酵时间，然后取出测定乙醇得率。所述水料质量比，按照下星号臂、下水平、零水平、上水平、上星号臂依次为0.39、2、2.11、2.5、2.89、3；同样的，恒温摇床的发酵温度依次为6.2℃、24℃、25.8℃、32℃、38.2℃、40℃；恒温摇床的发酵时间依次为18.6h、72h、77.7h、96h、114.6h、120h；依据二次回归正交组合设计表确定水料质量比、发酵温度和发酵时间各水平的组合方案，依据组合方案进行实验。步骤四：乙醇得率测定等比例取100mL发酵好的料液和100mL水置于500mL蒸馏瓶中，蒸馏并收集蒸馏液100mL，采用比重法测量蒸馏液的乙醇浓度及温度，然后查阅表格，也即胡嗣明主编的《酒精生产分析检验》第219-229页，酒精浓度、温度更正表(20℃)，校正后得到发酵醪乙醇得率。原料转化率的测定：步骤五：统计分析：建立乙醇得率y1与发酵时间、发酵温度、水料质量比三因素的二次回归方程并检验，建立原料转化率y2与发酵时间、发酵温度、水料质量比三因素的二次回归方程并检验，利用最大似然法规划求解出最优参数。步骤六：验证性实验：在求得的最优参数条件下，进行多次实验，将获得的实验结果与理论结果进行T检验，比较理论结果与实际结果的差异，对最优参数可靠性进行评价。进一步，所述步骤五中最优参数为：发酵温度为32℃、发酵时间为92h，水料质量比为2.5：1。本专利技术所产生的有益效果如下：本专利技术利用科学的数学方法对木薯同步糖化发酵生产燃料乙醇工艺参数进行优化，利用数学模型及统计分析法求解最优参数，是一种技术简单、投资低、科学可行、高效经济地利用木薯同步糖化发酵生产燃料乙醇的方法。该方法优点在于：优于目前文献中木薯同步糖化发酵生产燃料乙醇参数优化中实验次数少而且分布不均衡的方案，使实验因素水平参数组合更科学、均衡、高效；克服了目前文献对实验结果直接统计分析的局限，提高了对实验结果分析的可靠性；克服了目前文献中对三因素参数水平仅限于实验水平本身的不足，通过建立
有效数学模型而求得实验水平以外的更合理高效的水平，扩大实验本身的范围，能显著提高经济效益。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细描述，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法，包含以下步骤：步骤一：酵母活化：干酵母、水和葡萄糖按100：1000：1的比例混匀，30℃水浴30min即可作为酒母使用。步骤二：单因素实验：1)水料质量比：将木薯干粉碎，过0.38mm筛备用，称取50g木薯粉，分别按照质量比为1：1.5、1：2、1：2.5、1：3.0、1：3.5的比例分别加水于500ml发酵瓶中混合，组成5个实验组，每个实验组加入耐高温α-淀粉酶15U/g混匀，然后分别加入糖化酶200U/g和活化后的酵母，酵母按5×107cell/mL的添加，充分混匀。将5个实验组的初始pH均调为4.5，后然用纱布或滤膜封口置于32℃恒温摇床中发酵培养，96h后取出蒸馏，测定乙醇含量。乙醇得率测定：等比例取100mL发酵好的料液和100mL水于500mL蒸馏瓶中混合均匀，蒸馏并收集蒸馏液100mL，利用比重法测量此溶液的乙醇浓度及温度，然后查阅表格，也即胡嗣明主编的《酒精生产分析检验》第219-229页，酒精浓度、温度更正表(20℃)，校正后得到发酵醪乙醇得率。原料转化率测定：2)发酵温度：将木薯干粉碎，过0.38mm筛备用，称取50g木薯粉和125ml水于500ml发酵瓶中混合，加入耐高温α-淀粉酶15U/g混匀，加入糖化酶200U/g和活化后的酵母5×107cell/mL，充分混匀，初始pH调为4.5，等分为5实验组，用纱布或滤膜封口，然后分别置于28℃、30℃、32℃、34℃、36℃恒温摇床中发酵培养，96h后取出蒸馏，测定乙醇含量和原料转化率。3)发酵时间：将木薯干粉碎，过0.38mm筛备用，称取50g木薯粉和125ml水于500ml发酵瓶中混合，加入耐高温α-淀粉酶15U/g混匀，加入糖化酶200U/g和活化后的酵母5×107cell/mL，充分混匀，初始pH调为4.5，等分为5实验组，用纱布或滤膜封口，然后置于32℃恒温摇床中发酵培养，依次按照56h、76h、96h、116h、136h后取出蒸馏，测定乙醇含量和原料转化率。步骤三、二次回归正交组合设计实验方案的确定1)实验因素水平及水平编码依据前期的单因素实验结果以及相关文献(刘振、王金鹏等，木薯干原料同步糖化发酵生本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：实验设计：选定发酵时间、发酵温度、水料质量比三个工艺参数为优化对象，设置三个因素的工艺参数并编码，按照二次回归正交组合设计实验方案。步骤二：酵母活化：干酵母、水、葡萄糖，按照质量比为100：1000：1的比例混匀，30℃水浴30min即可作为酒母使用。步骤三：同步糖化发酵工艺：将木薯干粉碎过筛备用，称取50g木薯粉，按水料质量比加水于500ml发酵瓶中混合，加入耐高温α‑淀粉酶15U/g混匀，加入糖化酶200U/g和活化后的酵母5×107cell/mL，充分混匀。初始pH调整为4.5，然后用纱布或滤膜封口，然后置于恒温摇床中在固定的发酵温度下培养，设置恒温摇床的发酵时间，然后取出测定乙醇得率。所述的水料质量比为体积比，按照下星号臂、下水平、零水平、上水平、上星号臂依次为0.39、2、2.11、2.5、2.89、3；同样的，恒温摇床的发酵温度依次为6.2℃、24℃、25.8℃、32℃、38.2℃、40℃；恒温摇床的发酵时间依次为18.6h、72h、77.7h、96h、114.6h、120h；依据二次回归正交组合设计表确定水料质量比、发酵温度和发酵时间各水平的组合方案，依据组合方案进行实验。步骤四：乙醇得率测定等比例取100mL发酵好的料液和100mL水置于500mL蒸馏瓶中，蒸馏并收集蒸馏液100mL，采用比重法测量蒸馏液的乙醇浓度及温度，然后查阅表格，校正后得到发酵醪乙醇得率。原料转化率的测定：步骤五：统计分析：建立乙醇得率y1与发酵时间、发酵温度、水料质量比三因素的二次回归方程并检验，建立原料转化率y2与发酵时间、发酵温度、水料质量比三因素的二次回归方程并检验，利用最大似然法规划求解出最优参数。步骤六：验证性实验：在求得的最优参数条件下，进行多次实验，将获得的实验结果与理论结果进行T检验，比较理论结果与实际结果的差异，对最优参数可靠性进行评价。...
【技术特征摘要】
1.一种基于响应面分析法对木薯燃料乙醇工艺参数的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：实验设计：选定发酵时间、发酵温度、水料质量比三个工艺参数为优化对象，设置三个因素的工艺参数并编码，按照二次回归正交组合设计实验方案。步骤二：酵母活化：干酵母、水、葡萄糖，按照质量比为100：1000：1的比例混匀，30℃水浴30min即可作为酒母使用。步骤三：同步糖化发酵工艺：将木薯干粉碎过筛备用，称取50g木薯粉，按水料质量比加水于500ml发酵瓶中混合，加入耐高温α-淀粉酶15U/g混匀，加入糖化酶200U/g和活化后的酵母5×107cell/mL，充分混匀。初始pH调整为4.5，然后用纱布或滤膜封口，然后置于恒温摇床中在固定的发酵温度下培养，设置恒温摇床的发酵时间，然后取出测定乙醇得率。所述的水料质量比为体积比，按照下星号臂、下水平、零水平、上水平、上星号臂依次为0.39、2、2.11、2.5、2.89、3；同样的，恒温摇床的发酵温度依次为6.2℃、24℃、25.8℃、32℃、38.2℃、40℃；恒温摇床...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜瑞卿，夏敏，张征田，张虎成，刘喜军，李来福，
申请(专利权)人：南阳师范学院，
类型：发明
国别省市：河南;41
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