CN101270371A - 一种生物质预处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质预处理的方法，其可替代酸、碱和汽爆的预处理方法，利用酒精厂、造纸厂和啤酒厂的现有设备，减少成本和环境污染。本发明采用的技术方案为：用糖蜜和淀粉原料发酵前的糖化液、糖蜜和各种单糖以及其发酵后生成的乙醇、二氧化碳及余热对生物质进行木质素、纤维素和半纤维素三者分离的预处理，预处理后获得的纤维素和半纤维素水解为可发酵为乙醇的单糖，用于乙醇和其它产物的发酵。

Description

一种生物质预处理的方法

一、技术领域：

本发明涉及一种生物质能源的方法，尤其是涉及一种生物质预处理的方法。

二、背景技术：

生物质中的木质素能溶于乙醇，纤维素、半纤维素不溶于乙醇，利用这一差别，单独使用40-50％乙醇水溶液，适当高温下即可实现生物质中木质素和其它组分之间的分离，这就是造纸工业的乙醇法制浆原理。造纸工业最终需要的是纤维素，乙醇法制浆所需的乙醇需要另行购买或生产，为了节约成本，通常回收和重复使用添加的乙醇。造纸工业为了实现高效木质素分离，在利用酒精溶解木质素的同时，添加适量的无机酸，形成了低酸乙醇法制浆工艺。造纸厂采用乙醇法制浆，无疑减少了对环境的污染，而其获得的是原木质素，但消耗蒸馏后获得的乙醇和高温高压增加了生产成本。

传统酒精发酵原料为淀粉的糖化液和糖蜜，最终产物是乙醇和二氧化碳，伴随着产生多余热量。酒精厂出厂的二氧化碳通常用在二氧化碳饮料和消防，在面对全球呼吁克服二氧化碳引发温室气体效应的今天，重复利用二氧化碳是当务之急。

以淀粉、糖蜜为原料的传统酒精发酵厂家，为了多生产汽油中添加的酒精，因此已经引发粮食危机恐慌，国家不得不关闭部分酒精厂。

啤酒厂生产通常有季节性，冬季一般停产检修，糖化和发酵设备大都闲置，这些设备和酒精厂同类设备类同。

在缓解石油短缺危机的措施中，用乙醇减少石油的生物质乙醇发酵研究历经近一个世纪，至今没有取得根本突破，无论是酸碱、溶剂处理，还是汽爆、微生物法生物质预处理，核心问题是成本高居不下，污染问题比比皆是。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种生物质预处理的方法，其可替代酸、碱和汽爆的预处理方法，利用酒精厂、造纸厂和啤酒厂的现有设备，减少成本和环境污染。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种生物质预处理的方法，其特征在于：用糖蜜和淀粉原料发酵前的糖化液、糖蜜和各种单糖以及其发酵后生成的乙醇、二氧化碳及余热对生物质进行木质素、纤维素和半纤维素三者分离的预处理，预处理后获得的纤维素和半纤维素水解为可发酵为乙醇的单糖，用于乙醇和其它产物的发酵。生成的乙醇、二氧化碳及余热对生

上述步骤包括：在乙醇发酵的同时预处理生物质，在乙醇发酵罐内，除了糖化液和酵母菌外，另外添加洗净和粉碎后的秸秆、木片等生物质，糖化液中的组分以及产生的乙醇、杂醇类、有机酸和二氧化碳以及热量不断被加入的生物质吸收利用，生物质中的木质素不断得以分离，分离后的木质素溶解在乙醇发酵醪液中，纤维素、半纤维素沉淀于在发酵罐的固体部分中，过滤后获得的滤液进入蒸馏阶段，实现乙醇和木质素的分离，滤渣部分进入纤维素酶糖化阶段，糖化后获得的单糖再进入乙醇发酵，如此循环。

上述步骤包括：将洗净的小麦秸秆切碎后放入到乙醇发酵罐中，通入已经糖化的糖化醪液，搅拌均匀后加热灭菌，冷却后接入酵母菌发酵，待发酵结束后，取出上清液保存在收集罐内等候酒精蒸馏，滤渣加入到糖化锅内，加入纤维素酶水解纤维素，得到的纤维素水解液用作随后的乙醇发酵，水解液过滤后的滤渣作为饲料。

上述乙醇发酵和生物质预处理同步或非同步、在同一反应器或不在同一反应器进行。

上述乙醇包括蒸馏乙醇和非蒸馏乙醇。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1.可直接发酵和糖化后的物料的乙醇发酵和生物质预处理同时进行，不单独添加分离生物质所需的乙醇，不需要另外生物质预处理的设备；

2.充分利用了乙醇发酵过程释放的二氧化碳和余热以及其它有助于木质素分离的物质和条件，有利于减少能耗和污染，降低了生物质预处理的成本；

3.减少了生物质纤维素乙醇发酵需要添加的酵母菌所需的营养物；

4.添加的生物质，减少了发酵生成的乙醇对酵母菌的负反馈抑制发酵作用，提高了传统乙醇发酵的乙醇得率；

5.纤维素吸附酵母菌，具有酵母细胞固定化作用；

6.避免了酸、碱和汽爆预处理生物质产生的抑制乙醇发酵的物质的产生。

四、具体实施方式：

本发明旨在将低酸乙醇法制浆和传统乙醇发酵工艺结合起来，建立新的生物质乙醇发酵工艺。从而将造纸厂和酒精厂以及啤酒厂的设备和技术结合起来，充分发挥这些设备和技术的作用。形成一个不需要添加多余设备，三方面技术联手解决世界急需的用秸秆、草和木材生产乙醇面临的难题，彻底扭转对石油的依赖，克服秸秆燃烧的污染，促进三方面技术、生产人员的就业。

本发明是在原有的酒精厂设备基础上，在糖化后的物料进入乙醇发酵罐时和接入酵母之后，加入生物质，例如洗净、粉碎后的秸秆，充分搅拌均匀后开始乙醇发酵。为了提高发酵罐乙醇的浓度，加大糖化料的糖度和接入酵母的数量，或者随后补加。待乙醇浓度不再上升时，取出一部分发酵液为后续发酵提供所需的酵母菌，对罐内留下的部分密闭加热。在乙醇、碳酸、有机酸和杂醇、无机盐以及压力的促使下，实现再次脱木质素。随后进入过滤，过滤后的液体部分为溶解有木质素的乙醇发酵液，根据乙醇的实际含量，要么直接进入蒸馏提取乙醇，要么暂时保存，随后进行集中浓缩，酒精蒸馏后获得原木质素。过滤后的木质素可以用先前获得的酒精进行再分离。过滤后的滤渣为酵母菌、纤维素和半纤维素，收集到一定量后打入糖化罐内，接入纤维素酶进行糖化。滤渣糖化后再次进行过滤，滤液进入乙醇发酵罐，滤渣作为饲料和燃料。

对生物质进行木质素、纤维素和半纤维素三者分离的预处理液，除用于酵母菌乙醇发酵外，也可以用于细菌乙醇发酵和其它微生物(工程菌)的其它发酵。

本发明的原理在于，干燥后秸秆、草和木屑等表面通常有疏水的类似于蜡的物质，单纯的醇和水在短期内不容易进入其中，这类似于干燥的海带在食用加工前用淘米水浸泡溶胀比单纯用清水浸泡效果好得多。在白兰地和葡萄酒保存时使用的橡木桶，橡木的木质素在酒液组分的作用下，逐渐融入酒中，带来了酒的特色风味。待发酵的糖化液和发酵后的发酵液，不仅含有乙醇、二氧化碳，而且有剩余的单糖、非乙醇的醇类、有机酸和无机盐，这些物质对生物质的溶胀吸水都是有益的。由此降低了乙醇法分离木质素所需要的乙醇浓度，减轻了对温度和压力的要求。

用生物质的发酵产物--------乙醇和淀粉糖化后的其它产物，反过来预处理生物质，从而将生物质的预处理和最终的乙醇发酵结合、联系起来，这无疑会降低生产成本和减少对环境的污染。

实施例1：在1L的三角瓶中，加入常规淀粉糖化液500ml，另外加入洗净切碎的小麦秸秆0.1kg，煮沸加热灭菌至无菌即可，冷却至室温后加入预先扩大培养的市售酒精酵母菌种子液50ml，保温(保温温度按实际酵母菌需要温度确定)条件下发酵。发酵结束后(发酵时间以乙醇浓度不再增加为止)，移去2/3的上清液，并保留在烧瓶内供蒸馏，对发酵三角瓶余下的部分进行再煮沸加热(加热时间、温度根据发酵罐类型确定，可加压则适当加压，不能加压则延长加热时间)，促使木质素进一步分离后再过滤。滤液并入上述供蒸馏的烧瓶内，留下的固体部分在加入适量纤维素酶后，其中的纤维素水解。

实施例2：在实施例1基础上，再增加2个1L的三角瓶，形成连续发酵。各自分别加入灭菌、烘干的小麦秸秆0.1kg，三个三角瓶相互用乳胶管连通，让第一个三角瓶发酵时溢出物进入第二个三角瓶，第二个三角瓶溢出物进入第三个三角瓶，第一个三角瓶的乙醇发酵进入主发酵期后，向瓶内不断补加糖化液，由此形成一个连续发酵过程。待生物质软化后停止发酵。其余步骤同上。

Claims (6)

1、一种生物质预处理的方法，其特征在于：用糖蜜和淀粉原料发酵前的糖化液、糖蜜和各种单糖以及其发酵后生成的乙醇、二氧化碳及余热对生物质进行木质素、纤维素和半纤维素三者分离的预处理，预处理后获得的纤维素和半纤维素水解为可发酵为乙醇的单糖，用于乙醇和其它产物的发酵。

2、根据权利要求1所述的一种生物质预处理的方法，其特征在于：在乙醇发酵的同时预处理生物质，在乙醇发酵罐内，除了糖化液和酵母菌外，另外添加洗净和粉碎后的秸秆、木片等生物质，糖化液中的组分以及产生的乙醇、杂醇类、有机酸和二氧化碳以及热量不断被加入的生物质吸收利用，生物质中的木质素不断得以分离，分离后的木质素溶解在乙醇发酵醪液中，纤维素、半纤维素沉淀于在发酵罐的固体部分中，过滤后获得的滤液进入蒸馏阶段，实现乙醇和木质素的分离，滤渣部分进入纤维素酶糖化阶段，糖化后获得的单糖再进入乙醇发酵，如此循环。

3、根据权利要求2所述的一种生物质预处理的方法，其特征在于：将洗净的小麦秸秆切碎后放入到乙醇发酵罐中，通入已经糖化的糖化醪液，搅拌均匀后加热灭菌，冷却后接入酵母菌发酵，待发酵结束后，取出上清液保存在收集罐内等候酒精蒸馏，滤渣加入到糖化锅内，加入纤维素酶水解纤维素，得到的纤维素水解液用作随后的乙醇发酵，水解液过滤后的滤渣作为饲料。

4、根据权利要求1所述的一种生物质预处理的方法，其特征在于：乙醇发酵和生物质预处理同步或非同步、在同一反应器或不在同一反应器进行。

5、根据权利要求1所述的一种生物质预处理的方法，其特征在于：乙醇包括蒸馏乙醇和非蒸馏乙醇。

6、根据权利要求1所述的一种生物质预处理的方法，其特征在于：对生物质进行木质素、纤维素和半纤维素三者分离的预处理液，除用于酵母菌乙醇发酵外，也可以用于细菌乙醇发酵和其它微生物的其它发酵。