CN101423849A - 采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法，其中，该方法包括将含木薯渣的原料与酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纤维素，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，其中，所述将含木薯渣的原料与酶混合的方法包括先将第一批含木薯渣的原料与酶混合得到混合物，然后将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述与酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量为全部含木薯渣的原料重量的10－30重量％。采用本发明的方法能够提高含木薯渣的原料的利用率，制备得到的乙醇的产率较高。

Description

采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法
技术领域
本发明是关于乙醇的制备方法，更具体地是关于采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
背景技术
目前，一般的木薯淀粉厂或木薯酒精厂，在生产淀粉或酒精后，都会产生大量的木薯渣废物，因其含有一定量的淀粉而通常作为饲料使用。
例如，“利用木薯渣发酵生产啤酒酵母单细胞蛋白的研究”(汤燕花，谢必峰，福建师范大学生物工程学院，《药物生物技术》，2006，13(1)，51-54页)中提到，利用黑曲霉和啤酒酵母在适宜的条件下对木薯渣进行混种发酵，提高木薯渣的蛋白含量，作为一种酵母单细胞蛋白饲料应用于生产和饲养牲畜，并使废弃物得到资源化处理。
“木薯渣固态发酵植酸酶的中试条件”(钟秋平，周文化，李建娜，李枚秋，蒋芳军，吴健雄，华南热带农业大学工学院食品科学与工程系，《热带作物学报》，2004，25(1)，45-48页)研究了培养条件对木薯渣在箱式固态发酵反应器中用黑曲霉PD菌株发酵生产植酸酶的影响。结果表明：单因素试验最佳条件为水质量分数75％，料层厚度5-10厘米，接种量1.5％，培养温度32-34℃，培养时间6-8天。在此条件下植酸酶活力最高达4189微摩尔/(分钟·克)。
“利用木薯渣进行纤维素分解菌混合发酵工艺研究”(林捷，谭兆赞，罗伟诚，华南农业大学食品学院，华南农业大学资源环境学院，华南农业大学生命科学学院，《安全与环境学报》，2005，5(6)，26-29页)介绍了从自然界中筛选出6株相互间无拮抗作用的纤维素分解菌进行混合发酵，研究了该混菌以工业废弃物木薯渣为原料发酵的最佳产酶条件是：培养基配方为木薯渣4克，黄豆粉0.75克，磷酸二氢钾0.2克，氯化钠0.02克，七水硫酸镁0.015克，蒸馏水1000毫升；发酵工艺为初始pH7.0，培养温度40℃，每250毫升锥形瓶装培养液140毫升，接种量3％，在140转/分钟转速下发酵72小时。结果表明，混合菌的发酵可大幅度提高纤维素酶活力及对还原糖的耐受力。
由上述描述可知，目前木薯渣主要用于生产饲料、植酸酶等。近年来，也有用作酒精生产的原料。
例如，CN101195836A公开了一种木薯渣酒精生产新工艺，该方法是将木薯渣与生木薯或木薯干片分开，分别进行蒸煮和糖化，木薯渣经糖化后进行渣水分离，固渣直接作为饲料或肥料，分离的木薯渣糖化滤液用于作生木薯或木薯干片的调浆用液；
在该方法中，木薯渣的蒸煮和糖化工艺是，木薯渣经筛分，细度为1.8毫米以下，送到酒精车间的贮存池中，加入淀粉生产中产生的废水——黄浆水，每1千克木薯渣加入黄浆水2-5升，放入调浆罐中，加入耐高温α-淀粉酶，酶添加量为5-15U/克，加入换热器，与蒸煮罐出料进行热交换，温度升到90-110℃时进行液化，再进入蒸煮锅，蒸煮时温度控制在90-95℃，蒸煮醪液呈淡黄色或浅褐色为最佳，蒸煮醪液经汽液分离后，进入糖化罐中，并在糖化锅中降温至55-65℃时加入糖化酶进行糖化，用量为100-150单位/克原料，糖化时间20-60分钟，除去固渣，将木薯渣糖化滤液进入贮存池中；
在该方法中，生木薯或木薯干片的蒸煮和糖化工艺是，将上述木薯渣的蒸煮和糖化工艺得到的木薯渣糖化滤液加入到经粉碎的生木薯或木薯干片中，每公斤固体淀粉加入滤液2-4公斤，并加入耐高温的α-淀粉酶，搅拌，90-110℃液化后进入蒸煮罐，蒸煮40-60分钟，温度90-95℃，之后进入糖化罐，降温到55-65℃时加入糖化酶，用量为100-150单位/克原料，糖化时间20-60分钟，经换热器降温到30-35℃，进入发酵罐发酵，时间50-70小时，酒份达到8.5％以上，送进蒸馏车间按常规方法蒸馏。该方法是将木薯渣中所含的残留淀粉酶解、糖化后并与新鲜的木薯或者干木薯混合再次糖化、发酵制备乙醇，但是，该方法中木薯渣的利用率不高，因此，乙醇的产率受到限制。
发明内容
本发明的目的是克服现有的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法中木薯渣的利用率不高，制备得到的乙醇产率较低的缺陷，提供一种木薯渣利用率高，乙醇产率较高的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
本发明的发明人发现，木薯渣的主要成分包括水、淀粉(干基)、纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分及无机盐。(纤维素：28-30重量％，半纤维素：10-12重量％，木质素：30-32重量％，粗蛋白：4-6重量％，粗脂肪：2-4重量％，淀粉：8-10重量％，粗灰份和无机盐：10-15重量％)其中，纤维素、半纤维素和木质素的含量较高。此外，本发明的发明人发现，虽然木薯渣也可以称为含纤维素的原料，但是与常规的含纤维素的原料如，秸秆不同的是，木薯渣中的木质素与纤维素和半纤维素是处于较松散的结合状态，而非秸秆中的木质素将纤维素紧紧包裹的结构，因此，本发明的发明人试图酶解木薯渣中的纤维素和半纤维素并发酵酶解产物来制备乙醇并取得了良好的效果，更重要的是，在酶解前无需对木薯渣进行预处理，而可以直接将木薯渣进行酶解和发酵来制备乙醇。
此外，本发明的发明人还发现，采用连续补料的方法，即先将一批含木薯渣的原料与酶混合得到混合物，然后将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合，能够使含木薯渣的原料均匀、快速的与酶接触、混合并反应，使含木薯渣的原料与酶的反应更均匀、更充分，反应体系更稳定，并且酶的浓度能够一直保持在较高的水平，从而有效地提高了原料的糖转化率，而显著提高了乙醇的产率和木薯渣的利用率。
本发明提供了一种采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法，其中，该方法包括将含木薯渣的原料与酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纤维素，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，所述将含木薯渣的原料与酶混合的方法包括先将第一批含木薯渣的原料与酶混合得到混合物，然后将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述与酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量为全部含木薯渣的原料重量的10-30重量％。
本发明的方法为先将一批含纤维素的原料与酶混合得到混合物，然后将剩余的含纤维素的原料连续加入与所述混合物混合，即连续补料的方法，该方法能够使含纤维素的原料均匀、快速的与酶接触、混合并反应，使含纤维素的原料与酶的反应更均匀、更充分，反应体系更稳定，并且酶的浓度能够一直保持在较高的水平，从而有效地提高了原料的糖转化率，并大大提高了乙醇的产率。此外，所述连续补料的方法还能够大大缩短酶解时间，提高酶解效率。例如，在实施例1的方法中，每小时酶解的纤维素的量为19.1克，乙醇产率达14.9％，而在对比例1的方法中，每小时酶解的纤维素的量为12.4克左右，乙醇产率仅为11.8％，酶解效率的提高幅度达35.5％，乙醇产率的提高幅度高达54％；在实施例6的方法中，每小时酶解的纤维素的量为23.6克，乙醇产率达18.8％，而在对比例2的方法中，每小时酶解的纤维素的量为16.8克，乙醇产率仅为15.5％，酶解效率的提高幅度达40.5％，乙醇产率的提高幅度达21.3％。
具体实施方式
按照本发明，该方法包括将含木薯渣的原料与酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纤维素，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，所述将含木薯渣的原料与酶混合的方法包括先将第一批含木薯渣的原料与酶混合得到混合物，然后将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述与酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量为全部含木薯渣的原料重量的10-30重量％。
优选情况下，为了提高生产效率同时能够保证含木薯渣的原料与酶的充分混合、反应，得到较高的含木薯渣的原料浓度以及较高水平的酶作用速度，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度为100-150克/升。所述含木薯渣的原料在反应体系中浓度的测试方法可以采用各种本领域技术人员公知的方法测定，例如，采用国家标准GB5497《粮食油料快速水分测定法》测定反应体系中含木薯渣的原料的浓度，可以根据测得的浓度值来调整剩余的含木薯渣的原料的加入速度，以使反应体系中的含木薯渣的原料浓度维持在本发明的范围内。
为了保证酶具有最佳的反应活性，在将第一批含木薯渣的原料与酶混合前，调节含木薯渣的原料的pH值为大于3小于7，优选为4-5.5，以使得含木薯渣的原料与酶混合后，酶具有最佳的反应活性。由于酶解过程中pH值的波动不大，因此所述酶解的pH值可以按照本领域常用的方法在加入酶之前进行调节，所述调节反应物料pH值的方法可以采用本领域技术人员公知的各种方法。例如先将含木薯渣的原料与水或培养基(加酶一般与水混合，加入产酶微生物一般与该微生物的培养基)混合，根据所得混合物的pH值，在该混合物中加入酸性物质或碱性物质。例如，所述酸性物质可以是硫酸、盐酸和磷酸中的一种或几种；所述碱性物质可以是氢氧化钠和/或氢氧化钾。
优选情况下，在将第一批含木薯渣的原料与酶混合之后，将剩余的含木薯渣的原料连续加入之前，还包括时间间隔，为了使第一批含木薯渣的原料充分与酶接触并充分水解，提高糖的转化率，所述时间间隔优选为10-30分钟。
所述酶解时间从将酶与含木薯渣的原料混合时开始计算，即，所述酶解时间指将含木薯渣的原料与酶混合开始至将含木薯渣的原料转化为糖后糖的含量不再增加时所用的时间，所述将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合的时间占酶解时间的15-35％，优选为20-30％。此外，按照本发明，所述在将第一批含木薯渣的原料与酶混合之后，将剩余的含木薯渣的原料连续加入之前的时间间隔也包括在所述酶解时间之内。
为了使酶与反应物料混合的更均匀，所述含木薯渣的原料的酶解优选在水存在的条件下进行，更优选在含有水与含木薯渣的原料的悬浮液中进行，即在将第一批含木薯渣的原料与酶混合时，该方法还包括加入水。也就是说，本发明优选先将第一批含木薯渣的原料与水混合制备悬浮液后，再将酶解所需全部酶与悬浮液混合，然后再按照本发明的方法继续连续的加入剩余的含木薯渣的原料。加入的水的量的可调节范围较宽，优选情况下，所述水的加入量与全部含木薯渣的原料的重量比为2-5:1。更优选情况下，以第一批含木薯渣的原料、水和酶混合后得到的混合物为基准，以含木薯渣的原料的干重计，含木薯渣的原料的含量至少为1重量％，优选为1-20重量％，更优选为1.2-10重量％。
本发明的发明人发现，在酶解时，控制第一批含木薯渣的原料、酶和水的混合物中含木薯渣的原料的浓度，以第一批含木薯渣的原料、水与酶混合后得到的混合物为基准，以含木薯渣的原料的干重计，使含木薯渣的原料的含量至少为1重量％，优选为1-20重量％，更优选为1.2-10重量％，既能够保证酶解的周期短，同时进一步保证具有高的生产效率，即单糖的产率高。
按照本发明，所述含木薯渣的原料在反应体系中的浓度是指，未被液化(未与酶反应)的含木薯渣的原料的重量与反应体系中固液总重量的比值×100％。
按照本发明，所述含木薯渣的原料可以是木薯渣也可以是木薯渣与其它含纤维素的原料的混合物，例如，木薯渣与秸秆的混合物，用于酶解、发酵制备乙醇的木薯渣与秸秆的混合物中木薯渣与秸秆的重量比可以在较宽的范围内调整，优选情况下，以木薯渣和秸秆的混合物的总重量为基准，所述木薯渣的含量为40-90重量％，所述秸秆的含量为10-60重量％；更优选情况下，所述木薯渣的含量为50-70重量％，所述秸秆的含量为30-50重量％。
按照本发明的方法，为了能够与酶充分接触，所述木薯渣的颗粒直径优选为0.3-5毫米，更优选为0.5-3毫米。使木薯渣的颗粒直径为0.3-5毫米，更优选为0.5-3毫米的方法可以采用本领域技术人员公知的各种方法，例如，可以采用干式粉碎或湿式粉碎，两种粉碎方式之间的差别主要在于是否将木薯渣与水混合。湿式粉碎包括将木薯渣与水混合，然后进行一次或多次粉碎。木薯渣与水的重量比可以为1:0.2-5，优选为1:0.5-2。可以使用常规的各种粉碎机，例如SFSP系列锤片式粉碎机。
本发明对采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法的其它步骤没有特别的限制，可以参考采用含纤维素的原料制备乙醇的方法。
由于木薯中的纤维素、半纤维素和木质素的结构不像秸秆那样紧密坚固，而且木薯渣一般是木薯生产酒精过程的最终副产物，在其产生过程中已经过高温处理，从而使得木薯渣中的木质素不再将纤维素紧紧包裹，而是与纤维素和半纤维素是处于较松散的结合状态，因而在酶解之前无需进行使纤维素、半纤维素和木质素分离开的预处理，因此，在采用木薯渣为原料发酵、制备乙醇时可以直接将木薯渣进行酶解和发酵制备乙醇。
所述酶解使用的酶包括纤维素酶。所述纤维素酶可以通过各种方式获得，例如商购得到，或者通过使用产酶微生物分泌得到。
由于使用产酶微生物分泌得到的酶会含有各种副产物，因此优选直接加入酶。所述酶的用量越多越好，出于成本考虑，优选以每克含木薯渣的原料的干重计，所述纤维素酶的用量为10-25酶活力单位，更优选为15-18酶活力单位。本发明所述纤维素酶的酶活力按照美国国家可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory，NREL)提供的标准方法——纤维素酶活力测定NREL LAP-006测定，所述纤维素酶的酶活力单位为在该标准方法规定的测定条件下，1分钟内将1克Whatman No.1滤纸转化为葡萄糖所需酶的微克数。
所述酶解的温度可以为纤维素酶的任何最适作用温度，一般为45-55℃，更优选为48-52℃。所述酶解的时间理论上越长越好，考虑到设备利用率，优选所述酶解的时间为25-48小时，更优选为30-40小时。
按照本发明的一个优选的实施方式，所述将含木薯渣的原料酶解的方法包括先将第一批含木薯渣的原料与水混合后加入酶解罐中，调节含木薯渣的原料的pH值为大于3至小于7，并升温至45-55℃，更优选为48-52℃以达到酶的最佳反应活性条件，然后，在搅拌下，向酶解罐中加入酶，搅拌10-30分钟后，再连续加入剩余的含木薯渣的原料，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度不高于150克/升。所述水的量与全部含木薯渣的原料的重量比优选为2-5:1；所述与酶混合的第一批含木薯渣的原料的量为全部含木薯渣的原料重量的10-30％。且以第一批含木薯渣的原料、水与酶混合后得到的混合物为基准，以含木薯渣的原料的干重计，第一批含木薯渣的原料的含量优选为1.2-10重量％。
所述纤维素酶为复合酶，至少包括C1型纤维素酶、Cx型纤维素酶和纤维二糖酶三种酶。
C1酶可以使结晶的纤维素转变为非结晶的纤维素。
Cx型纤维素酶又分为Cx1型纤维素酶和Cx2型纤维素酶两种。Cx1型纤维素酶为内切型纤维素酶，可以从水合非结晶纤维素分子内部作用于β-1，4-糖苷键，生成纤维糊精和纤维二糖。Cx2型纤维素酶是一种外切型纤维素酶，可以从水合非纤维素分子的非还原端作用于β-1，4-糖苷键，逐一切断β-1，4-糖苷键生成葡萄糖。
纤维二糖酶则作用于纤维二糖，生成葡萄糖。
优选所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶。因为半纤维素酶可以降解半纤维素成为溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纤维素酶，一方面可以更充分地暴露纤维素，增加纤维素与纤维素酶的接触几率，另一方面半纤维素降解产物木糖能够被树干毕赤酵母发酵生成乙醇，两方面作用都可以增加乙醇产率。以每克含木薯渣的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4-8酶活力单位。
本发明所述半纤维素酶的酶活力单位(U)为在50℃、pH＝4.8条件下，每分钟分解浓度为1重量％木聚糖溶液产生1微克还原糖(以木糖计)所需的酶量。
本发明所述半纤维素酶的活力指每克半纤维素酶所具有的活力单位。所述半纤维素酶的活力利用半纤维素酶在50℃、pH为4.8的条件下水解1重量％木聚糖产生还原糖(以木糖计)，所得还原糖与过量3，5—二硝基水杨酸(DNS)发生颜色反应，用分光光度计测得反应液550纳米的光吸收值与还原性糖(以木糖计)的生成量成正比关系测定。具体测定方法如下：
准确称取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH＝4.8的0.1摩尔/升乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到1重量％木聚糖溶液；
称取30克四水合酒石酸钾钠放入500毫升锥形瓶内，加16克NaOH后，加50毫升去离子水，以5℃/分钟的速度水浴加热至固体物质溶解，加入1克3，5-二硝基水杨酸，至溶解，冷却至室温，用去离子水定容至100毫升，可得3，5-二硝基水杨酸(DNS)溶液；
将木糖80℃烘干至恒重，准确称取1.000克溶于1000毫升水中，加10毫克叠氮化钠防腐，得到1毫克/毫升的标准木糖溶液；
准确称取1.000克固体半纤维素酶或移取1毫升液体半纤维素酶原液，用0.5毫升pH＝4.8的0.1摩尔乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到稀释100倍的待测酶液；
分别将在50℃水浴加热60分钟的2毫升木糖梯度标准溶液(0.1毫克/毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0..5毫克/毫升，所述木糖梯度标准溶液用去离子水与1毫克/毫升的标准木糖溶液混合制备)或去离子水(木糖空白对照)，与2毫升DNS混合沸水浴5分钟，冷却，去离子水定容15毫升后，用分光光度计在550纳米下分别测定反应后木糖梯度标准溶液的光吸收值，以光吸收值为横坐标，木糖浓度为纵坐标绘制标准曲线。由该标准曲线可得回归方程y＝bx+a，其中，x为光吸收值，y为木糖浓度，a为所得直线方程的截距，b为所得直线方程的斜率；
取0.2毫升待测酶液与1.8毫升所述1重量％木聚糖溶液或pH＝4.8的0.1摩尔/升乙酸—乙酸钠缓冲溶液(木聚糖空白对照)，按照与上述木糖梯度标准溶液相同的步骤测试光吸收值。并按照下式计算半纤维素酶的活力：
Figure A200810223313D00141
式中x为待测酶液的光吸收值，b和a与木糖浓度对光吸收值的回归方程中的b和a一致，n为酶的稀释倍数，60表示为酶促反应的时间为60分钟，5为取样倍数(这里从1毫升待测酶液中取出了0.2毫升进行测试)。
根据上述方法可以测定出具体的半纤维素酶的活力，进而计算出半纤维素酶的用量。
能够发酵戊糖和/或己糖的微生物都可以用于本发明的发酵过程，由于酿酒酵母是酿酒工业上普遍应用的耐酒精、副产物少、乙醇产率高的发酵己糖的微生物；树干毕赤酵母为既可以发酵戊糖也可以发酵己糖的微生物(参见“树干毕赤酵母连续发酵戊糖己糖生成酒精”，季更生等，南京林业大学学报自然科学版，第28卷第3期，第9-13页，2004年)，因此优选所述发酵所使用的酵母为树干毕赤酵母和/或酿酒酵母。以每克酶解产物计，所述发酵所使用的酵母的接种量为103-108菌落形成单位，更优选104-106菌落形成单位。本发明发酵所使用的酵母可以为商购酵母固体制剂(比如干酵母粉)或酵母菌种(比如ATCC编号2601的啤酒酵母)。所述酵母的菌落形成单位可以通过本领域公知的方法测定，比如亚甲基蓝染色活菌计数法。亚甲基蓝染色活菌计数法的具体方法如下：
将1克干酵母粉溶于10毫升无菌水中，或将1毫升菌种活化液用无菌水稀释至10毫升，加入0.5毫升0.1重量％亚甲基蓝，在35℃下保温30分钟。在10倍光学显微镜下，用血球计数板计数保温后的溶液中活菌的数目(死菌染色，活菌不染色)，可得1克干酵母或1毫升菌种活化液中活菌的数目，即菌落形成单位数。
所述酵母可以采用常规的方法接种，例如向酶解产物中加入5-15体积％的种子液。所述种子液可以为干酵母的水溶液或培养基溶液，也可以为干酵母或商购菌种的活化种子液。所述发酵的温度可以为任何适于酵母生长的温度，优选为30-36℃，更优选为32-35℃。所述发酵的时间可以为从接种开始至酵母生长的衰亡期出现(即发酵时间为迟滞期、对数期加上稳定期)的时间，优选发酵的时间为32-48小时，更优选32-40小时。发酵产物乙醇可以用常规的方法，根据不同工业产品的要求(比如燃料酒精要求乙醇的纯度达99％以上)分离并精制，比如蒸馏、浓缩、除水。
此外，木薯渣的含水量可以通过各种方式测得。除非特殊说明，本发明所述木薯渣的含水量均是指木薯渣的初始重量W1与在70-100℃下烘干至恒重的木薯渣的干计重量W2之差，与木薯渣的初始重量W1的重量百分比，即含水量(重量％)＝(W1-W2)/W1×100％。
按照本发明，优选情况下，所述含木薯渣的原料为木薯渣和秸秆的混合物时，其中，所述秸秆为蒸汽爆破的秸秆和/或酸处理的秸秆。秸秆中的纤维素的结晶结构难以被破坏，秸秆中的木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质，由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联在一起，其侧链又与半纤维素以共价键结合，形成一个十分致密的网络结构，将纤维素紧紧包裹在里面，不利于纤维素酶对纤维素的进攻，使得纤维素酶和半纤维素酶无法接触底物，因此，需要先对秸秆进行预处理，如对秸秆进行蒸汽爆破或者酸处理后再与纤维素酶和/或半纤维素酶接触，对纤维素进行水解。
所述酸处理或者蒸汽爆破的方法可以采用本领域技术人员所公知的方法。例如，所述酸处理方法包括将秸秆与酸混合以溶解木质素而使之与纤维素和半纤维素分离。所述用于溶解含纤维素原料中的木质素的酸的种类为本领域技术人员所公知，如：所述酸可以是本领域常规的各种酸，如，选自硫酸、盐酸和磷酸中的一种或几种；所述酸的用量和浓度没有特别限定，可以根据需要溶解的秸秆中木质素的量控制酸的用量和浓度。
所述蒸汽爆破方法包括将秸秆与水混合后进行蒸汽爆破或者直接将秸秆置于蒸汽爆破装置中进行蒸汽爆破。由于蒸汽爆破方法更有利于破坏秸秆中纤维素、半纤维素和木质素之间的网状结构，使纤维素能够被充分分离出来，有利于纤维素酶在纤维素表面的作用，提高纤维素的水解率及糖的产率。因此，本发明优选所述秸秆的预处理方法为蒸汽爆破方法。
采用现有技术常规的蒸汽爆破条件进行的蒸汽爆破都能达到本发明的发明目的，例如，所述蒸汽爆破的温度可以为180-200℃，所述蒸汽爆破的压力可以为1.4-1.8兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间可以为3-7分钟。更优选所述蒸汽爆破的温度可以为185-195℃，所述蒸汽爆破的压力可以为1.4-1.6兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间可以为4-5分钟。
另外，蒸汽爆破的压力和温度可以灭菌，为防止在酶解过程中杂菌(主要是细菌)污染产生影响酶活力的毒素，并防止在发酵过程中杂菌污染影响酵母的生长，优选在酶解之前加入诸如工业青霉素的细菌抗生素，所述抗生素对酵母没有作用但可以抑制杂菌的生长。以每毫升酶解液或发酵液为基准，所述抗生素的加入量为1-10单位。所述酶解液包括蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物、酶以及水，所述发酵液包括酶解产物和接种的酵母。
由于在蒸汽爆破的高温高压条件下，秸秆中的半纤维素会产生诸如糠醛、呋喃之类的抑制物，所述抑制物会降低酶的活力和发酵菌的活性，因此所述方法还包括在蒸汽爆破秸秆之后，酶解得到的蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物之前，水洗所述蒸汽爆破产物。所述水洗是将蒸汽爆破产物与水混合，搅拌，使上述抑制物溶解在水中，然后离心分离蒸汽爆破产物，从而从蒸汽爆破产物中除去抑制物。理论上所述水洗的温度越高，能够溶解的抑制物越多，考虑到能耗，优选所述水洗的温度至少为60℃，更优选为60-80℃。由于水洗所加入的水越多，则溶解抑制物的溶剂越多，但是考虑到离心分离的能耗，优选以每克秸秆的干重计，所述水洗的加水量为2-10克，更优选为2-3克。
由于秸秆中可能会含有沙石杂质以及铁杂质，对蒸汽爆破设备会造成损害，还可以包括在蒸汽爆破之前对秸秆进行除石除铁常规操作，比如以“风送”秸秆并磁铁吸引的方法进行除石除铁。沙石由于质量大，不能被风送到蒸汽爆破设备中，铁杂质由于磁铁的吸引也不会随原料进入蒸汽爆破设备中，从而可以完成除石除铁。此外，由于秸秆本身容易缠结而堵塞设备管路，因此，在进入蒸汽爆破设备前，优选使所述秸秆的大小为0.5-3厘米×0.2-1厘米×0.2-1厘米，更优选使所述秸秆的大小为1-2厘米×0.4-0.6厘米×0.5-1厘米。
下面结合实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
(1)对含木薯渣的原料中纤维素总重量和半纤维素总重量的测定：
将3000克发酵乙醇后的废弃木薯渣(含水量为12重量％)进行粉碎，粉碎至颗粒直径为3毫米，取其中的5克在45℃下烘干至恒重4.4克，称量300.0毫克该干燥后的木薯渣，放置于重80克的100毫升干燥三角烧瓶内。向所述三角烧瓶内加入3.00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌1分钟。然后将三角烧瓶在30℃的水浴中放置60分钟，每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水解结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％，然后用布氏漏斗过滤，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5.5，静置5小时，收集上层清液。用0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得滤液用Biorad Aminex HPX-87P高效液相色谱(HPLC)分析。HPLC条件：进样量20微升；流动相为0.2微米滤膜过滤并且超声振荡脱气的HPLC超纯水；流速为0.6毫升/分钟；柱温80-85℃；检测器温度80-85℃；检测器为折光率检测器；运行时间为35分钟。以1×10-6-4.0毫克/毫升浓度范围的D-(+)葡萄糖和1×10-6-4.0毫克/毫升浓度范围D-(+)木糖作为标准样品。HPLC分析得到木薯渣酸水解液中葡萄糖浓度为0.00111毫克/毫升，计算可得1克所述木薯渣酸水解能得到重量为0.273克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将木薯渣的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是木薯渣中纤维素重量的1.11倍，即1克所述木薯渣中含纤维素0.246克，则3000克木薯渣中共含纤维素738克。HPLC分析得到木薯渣酸水解液中木糖浓度为0.00049毫克/毫升，计算可得1克所述木薯渣酸水解能得到重量为0.121克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将木薯渣中的半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是木薯渣中半纤维素重量的1.14倍，即1克所述木薯渣中含半纤维素0.106克，则3000克木薯渣中共含半纤维素318克。
(2)酶解
向酶解罐中加入水，并在搅拌下，加入第一批步骤(1)取样测试后剩余的木薯渣，第一批加入的木薯渣的量为步骤(1)取样测试后剩余的全部木薯渣重量的15％，然后调节pH值为4，加热至52℃后，以每克木薯渣的干重计，加入20酶活力单位的酶计算，全部木薯渣的干重为2640克，共加入52800酶活力单位(约310克)的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)，并在52℃下保温混合20分钟；然后连续加入剩余的木薯渣，所述剩余的木薯渣的加入速度使木薯渣在反应体系中的浓度为140克/升(采用国家标准GB5497《粮食油料快速水分测定法》测定反应体系中含纤维素的原料的浓度)，加料结束后，在52℃下保温酶解至加酶后36小时(连续加入剩余的木薯渣的时间占酶解时间的30％)，得到酶解产物。所述水的加入量与全部木薯渣的重量比为2:1。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共761.8克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纤维素的重量共686.3克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。每小时酶解的纤维素的量为19.1克。(以木薯渣的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批木薯渣的含量为5.9重量％。)
纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量
单糖产率＝100％×酶解得到的葡萄糖重量/木薯渣干重
(3)发酵
使酶解产物的温度降至35℃，以每克酶解产物的重量计，接种105菌落形成单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在32℃下于发酵罐中搅拌培养40小时。在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇392.8克，按照下式计算乙醇产率，计算结果见表1。
乙醇产率＝100％×乙醇重量/木薯渣干重
对比例1
本对比例说明采用含木薯渣的原料制备乙醇的参比方法。
按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，在酶解步骤(2)中将步骤(1)取样测试后剩余的木薯渣一次全部加入到含水的酶解罐中，然后与酶混合均匀(全部木薯渣与水的重量比为2:1)，酶解时间需要45小时；按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共624.2克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纤维素的重量共562.3克，每小时酶解的纤维素的量为12.4克；二次蒸馏得到乙醇312.8克。
并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率、单糖产率和乙醇产率，计算结果见表1。
实施例2
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，在酶解步骤中，第一批加入的木薯渣的量为取样测试后剩余的全部木薯渣重量的20％，调节pH值为4，加热至52℃后，加入纤维素酶后，连续加入剩余的木薯渣，所述剩余的木薯渣的加入速度使木薯渣在反应体系中的浓度为100克/升，加料结束后，在52℃下保温酶解至加酶后38.5小时(连续加入剩余的木薯渣的时间占酶解时间的13％)，得到酶解产物。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共750.4克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纤维素的重量共676.0克，每小时酶解的纤维素的量为17.6克(以木薯渣的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批木薯渣的含量为7.6重量％)；发酵步骤同实施例1，二次蒸馏得到乙醇383.7克。
并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率、单糖产率和乙醇产率，计算结果见表1。
实施例3
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，在酶解步骤中，第一批加入的木薯渣的量为取样测试后剩余的全部木薯渣重量的30％，调节pH值为5，加热至50℃后，加入纤维素酶后，在50℃下保温混合30分钟后；连续加入剩余的木薯渣，所述剩余的木薯渣的加入速度使木薯渣在反应体系中的浓度为130克/升，加料结束后，在52℃下保温酶解至加酶后37.5小时(连续加入剩余的木薯渣的时间占酶解时间的25％)，得到酶解产物。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共743.8克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纤维素的重量共670.1克，每小时酶解的纤维素的量为17.9克(以木薯渣的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批木薯渣的含量为11.0重量％)；在发酵步骤中，不同的是，使酶解产物的温度降至32℃，以每克酶解产物的重量计，接种106菌落形成单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在32℃下于发酵罐中搅拌培养36小时；在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇380.4克。
并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率、单糖产率和乙醇产率，计算结果见表1。
实施例4
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是，在酶解步骤中，第一批加入的木薯渣的量为取样测试后剩余的全部木薯渣重量的10％，调节pH值为5，加热至50℃后，加入纤维素酶后，在50℃下保温混合20分钟后；连续加入剩余的木薯渣，所述剩余的木薯渣的加入速度使木薯渣在反应体系中的浓度为120克/升，加料结束后，在52℃下保温酶解至加酶后38小时(连续加入剩余的木薯渣的时间占酶解时间的30％)，得到酶解产物。按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共721.7克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纤维素的重量共650.2克，每小时酶解的纤维素的量为17.1克(以木薯渣的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批木薯渣的含量为4.0重量％)；在发酵步骤中，不同的是，使酶解产物的温度降至32℃，以每克酶解产物的重量计，接种106菌落形成单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在32℃下于发酵罐中搅拌培养36小时；在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇369.1克。
并按照实施例1的方法和公式计算纤维素转化率、单糖产率和乙醇产率，计算结果见表1。
实施例5
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
将3250克木薯渣(含水量13.2重量％)，按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解木薯渣的方法，得到木薯渣酸水解液中葡萄糖浓度为0.00112毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的木薯渣酸水解能得到重量为0.272克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是木薯渣中纤维素重量的1.11倍，即1克所述木薯渣中含纤维素0.245克，则3250克木薯渣中共含纤维素796.3克。HPLC分析得到木薯渣酸水解液中木糖浓度为0.00047毫克/毫升，计算可得1克所述木薯渣酸水解能得到重量为0.114克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是木薯渣中半纤维素重量的1.14倍，即1克所述水洗后的木薯渣中含半纤维素0.102克，则3250克木薯渣中共含半纤维素331.5克。
(2)酶解
向酶解罐中加入水，并在搅拌下，加入第一批步骤(1)取样测试后剩余的木薯渣，第一批加入的木薯渣的量为步骤(1)取样测试后剩余的全部木薯渣重量的20％，然后调节反应物料的pH值为5，并加热至50℃后，以每克木薯渣的干重计，加入17.8酶活力单位的纤维素酶，5酶活力单位的半纤维素酶计算，全部木薯渣的干重为2821克，共加入50213酶活力单位(约300克)的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)和14100酶活力单位(约210克)的半纤维素酶(北京化学试剂公司)，并在50℃下保温混合25分钟；然后连续加入剩余的木薯渣，所述剩余的木薯渣的加入速度使木薯渣在反应体系中的浓度为150克/升，加料结束后，在52℃下保温酶解至加酶后38小时(连续加入剩余的木薯渣的时间占酶解时间的20％)，得到酶解产物。所述水的加入量与全部木薯渣的重量比为3:1。并按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共755.7克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即木薯渣中被酶解的纤维素的重量共680.8克，测定并计算出酶解产物中的木糖共282.7克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即木薯渣中被酶解的半纤维素的重量共248.0克，每小时酶解的纤维素和半纤维素的总重量为24.4克(以木薯渣的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批木薯渣的含量为5.2重量％。)；并按照下述公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。
纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量
半纤维素转化率＝100％×被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量
单糖产率＝100％×(酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/木薯渣干重
(3)发酵
使酶解产物的温度降至34℃，以每克酶解产物的重量计，接种为104菌落形成单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)和104菌落形成单位的树干毕赤酵母，所得混合物在33℃下于发酵罐中搅拌培养37小时。在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇386.5克，并按照下述公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
乙醇产率＝100％×乙醇重量/木薯渣的干重
实施例6
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
(1)秸秆的预处理
将1504克没有杂质的玉米秸秆(含水量10％)切成不超过1.2厘米×0.5厘米×1.0厘米的小段，在195℃下维持1.6兆帕的压力5分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破。将所得蒸汽爆破产物与70℃水按照质量比1：3搅拌混合30分钟，然后用LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟的转速下进行固液分离，共得到4510克水洗蒸汽爆破产物(含水量为70重量％)。
所得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素总重量的测定：
取10克上述水洗蒸汽爆破产物在45℃下烘干至恒重3克，称量300.0毫克该干燥后的蒸汽爆破产物，放置于重80克的100毫升干燥三角烧瓶内。向所述三角烧瓶内加入3.00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌1分钟。然后将三角烧瓶在30℃的水浴中放置60分钟，每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水解结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％，然后用布氏漏斗过滤，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5.5，静置5小时，收集上层清液。用0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得滤液用Biorad Aminex HPX-87P高效液相色谱(HPLC)分析。HPLC条件：进样量20微升；流动相为0.2微米滤膜过滤并且超声振荡脱气的HPLC超纯水；流速为0.6毫升/分钟；柱温80-85℃；检测器温度80-85℃；检测器为折光率检测器；运行时间为35分钟。以0.1-4.0毫克/毫升浓度范围的D-(+)葡萄糖和0.1-4.0毫克/毫升浓度范围D-(+)木糖作为标准样品。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中葡萄糖浓度为1.6毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.134克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破产物中纤维素重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破产物中含纤维素0.121克，则4500克蒸汽爆破产物中共含纤维素544.5克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0.4毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.034克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将蒸汽爆破的产物的半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破产物中半纤维素重量的1.14倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破产物中含半纤维素0.029克，则4500克蒸汽爆破产物中共含半纤维素130.5克。
(2)酶解
按照实施例1的方法进行酶解，不同的是，加入的原料为1500克实施例1中的木薯渣(含水量10重量％)和1500克秸秆(含水量10重量％)经过预处理后得到的4500克蒸汽爆破产物(含水量70重量％)的混合物。
将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共944.1克，所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物和木薯渣中被酶解的纤维素的重量共850.5克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。每小时酶解的纤维素的量为23.6克。(以第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物的干重计，以得到的含有第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物、酶和水的混合物的总重量为基准，第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物的含量为6.0重量％。)
纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量
单糖产率＝100％×酶解得到的葡萄糖重量/木薯渣和秸秆的总干重
(3)发酵
按照实施例1的方法发酵酶解产物，在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇507.6克，按照下式计算乙醇产率，计算结果见表1。
乙醇产率＝100％×乙醇重量/木薯渣和秸秆的总干重
对比例2
该对比例说明采用含木薯渣的原料制备乙醇的参比方法。
按照实施例6的方法制备乙醇，不同的是，在酶解步骤(2)中将步骤(1)取样测试后剩余的木薯渣和蒸汽爆破产物的混合物一次全部加入到含水的酶解罐中，然后与酶混合均匀(全部混合物与水的重量比为2:1)，酶解时间需要42小时；按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共782.9克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共705.3克，每小时酶解的纤维素的量为16.8克；二次蒸馏得到乙醇418.0克。
并按照实施例6的方法和公式计算纤维素转化率、单糖产率和乙醇产率，计算结果见表1。
实施例7
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
按照实施例6的方法制备乙醇，不同的是，在秸秆的预处理步骤中，所述蒸汽爆破产物不经过水洗。
酶解后，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共936.9克，所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物与木薯渣混合物中被酶解的纤维素的重量共844.1克，按照实施例6的公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。每小时酶解的纤维素的量为23.4克。(以第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物的干重计，以得到的含有第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物、酶和水的混合物的总重量为基准，第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物的含量为6.0重量％。)二次蒸馏可得乙醇480.6克，并按照实施例6的方法和公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
实施例8
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
按照实施例6的方法制备乙醇，不同的是，按照实施例6的方法制备乙醇，不同的是，酶解时，加入的原料为2100克木薯渣(含水量10重量％)和900克秸秆(含水量10重量％)经过预处理后得到的2700克蒸汽爆破产物(含水量70重量％)的混合物；在酶解步骤中，第一批加入的木薯渣的量为步骤(1)取样测试后剩余的全部木薯渣重量的20％，然后调节反应物料的pH值为5，并加热至50℃后，以每克木薯渣的干重计，加入17.8酶活力单位的纤维素酶，5酶活力单位的半纤维素酶计算，全部混合物的干重为1962.4克，共加入34931酶活力单位(约205克)的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)和9812酶活力单位(约145克)的半纤维素酶(北京化学试剂公司)，并在50℃下保温混合25分钟；然后连续加入剩余的木薯渣和蒸汽爆破产物的混合物，所述剩余的混合物的加入速度使混合物在反应体系中的浓度为150克/升，加料结束后，在52℃下保温酶解至加酶后38小时(连续加入剩余的木薯渣的时间占酶解时间的20％)，得到酶解产物。所述水的加入量与全部木薯渣的重量比为3:1。
按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共877.9克，所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即混合物中被酶解的纤维素的重量共790.8克，测定并计算出酶解产物中的木糖共246.6克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即混合物中被酶解的半纤维素的重量共216.3克，每小时酶解的纤维素和半纤维素的总量为26.5克；并按照下述公式计算纤维素、半纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。(以第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物的干重计，以得到的含有第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物、酶和水的混合物的总重量为基准，第一批蒸汽爆破产物和木薯渣的混合物的含量为5.4重量％)。
纤维素转化率＝100％×被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量
半纤维素转化率＝100％×被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量
单糖产率＝100％×(酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/木薯渣和秸秆的总干重
在发酵步骤中，不同的是，使酶解产物的温度降至32℃，以每克酶解产物的重量计，接种106菌落形成单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)，所得混合物在32℃下于发酵罐中搅拌培养36小时；在100℃蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇574.6克。并按照下述公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
乙醇产率＝100％×乙醇重量/木薯渣和秸秆的总干重
实施例9
本实施例用于说明本发明的采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法。
按照实施例6的方法制备乙醇，不同的是，在秸秆的预处理步骤中，采用酸处理秸秆的方法，该方法包括，在140℃、0.06兆帕压力下，将1203克玉米秸秆(含水量为10％)，与250毫升浓度为2重量％的稀硫酸保温混合40分钟，得到酸处理产物。将所得酸处理产物过滤，并与水按照质量比1:3搅拌混合30分钟，然后用LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟的转速下进行固液分离。共得到4330克酸处理含纤维素的原料产物(含水量为75重量％)。
按照实施例6所述HPLC分析硫酸水解蒸汽爆破产物的方法，取10克酸处理产物进行测试，得到酸处理产物酸水解液中葡萄糖浓度为1.75毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的酸处理产物酸水解能得到重量为0.120克的葡萄糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将酸处理产物中的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是酸处理产物中纤维素重量的1.11倍，即1克所述水洗后酸处理产物中含纤维素0.108克，则4320克酸处理产物中共含纤维素490.4克。HPLC分析得到酸处理产物酸水解液中木糖浓度为0.76毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后酸处理产物酸水解能得到重量为0.051克的木糖，因为浓度为72重量％的硫酸溶液可以将酸处理产物的半纤维素全部水解成木糖，因此所得木糖的重量是酸处理产物中半纤维素重量的1.14倍，即1克所述水洗后酸处理产物中含半纤维素0.045克，则4320克酸处理产物中共含半纤维素217.9克。
并按照实施例6的方法进行酶解，加入的原料为1800克实施例1中的木薯渣(含水量10重量％)和1200克玉米秸秆(含水量为10％)经过酸处理后得到的4320克酸处理产物(含水量75重量％)的混合物。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共904.5克，所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即酸处理产物和木薯渣的混合物中被酶解的纤维素的重量共814.9克，按照实施例6中的公式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表1。每小时酶解的纤维素的量为22.6克。(以第一批酸处理产物和木薯渣的混合物的干重计，以得到的含有第一批酸处理产物和木薯渣的混合物、酶和水的混合物的总重量为基准，第一批酸处理产物和木薯渣的混合物的含量为6.0重量％。)
发酵的方法同实施例6，得到乙醇462.2克，并按照实施例6的公式计算乙醇产率，结果如表1所示。
表1
 
实施例或对比例 实施例1 对比例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例2 实施例7 实施例8 实施例9
纤维素转化率(％) 93.0 76.2 91.6 90.8 88.1 85.5 91.8 76.2 91.1 91.8 86.0
半纤维素转化率(％) — — — — — 74.8 — — — 74.6 —
单糖产率(％) 28.9 23.6 28.4 28.2 27.3 36.8 35.0 28.9 34.7 41.6 33.5
乙醇产率(％) 14.9 11.8 14.5 14.4 14.0 13.7 18.8 15.5 17.8 21.3 17.1
从上表1中的数据可以看出，采用本发明的含木薯渣的原料制备乙醇的方法得到的乙醇的产率以及单糖的产率均较高，说明含木薯渣的原料的利用率得到了显著的提高。

Claims (14)

1、一种采用含木薯渣的原料制备乙醇的方法，其特征在于，该方法包括将含木薯渣的原料与酶混合，酶解含木薯渣的原料中的纤维素，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，所述将含木薯渣的原料与酶混合的方法包括先将第一批含木薯渣的原料与酶混合得到混合物，然后将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述与酶混合的第一批含木薯渣的原料的重量为全部含木薯渣的原料重量的10-30重量％。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述剩余的含木薯渣的原料的加入速度使含木薯渣的原料在反应体系中的浓度为100-150克/升。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其中，将第一批含木薯渣的原料与酶混合时，该方法还包括加入水，以含木薯渣的原料的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批含木薯渣的原料的含量至少为1重量％。
4、根据权利要求3所述的方法，其中，以含木薯渣的原料的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批含木薯渣的原料的含量为1.2-10重量％。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纤维素酶，以每克含木薯渣的原料的干重计，所述纤维素酶的用量为10-25酶活力单位；酶解的温度为45-55℃，酶解的时间为25-48小时，酶解的pH值为3-7。
6、根据权利要求5所述的方法，其中，所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶，所述半纤维素酶用于酶解含木薯渣的原料中的半纤维素，以每克含木薯渣的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4-8酶活力单位。
7、根据权利要求1所述的方法，其中，将剩余的含木薯渣的原料连续加入与所述混合物混合的时间占酶解时间的15-35％，所述酶解时间指将含木薯渣的原料与酶混合开始至将含木薯渣的原料转化为糖后糖的含量不再增加时所用的时间。
8、根据权利要求1所述的方法，其中，在将第一批含木薯渣的原料与酶混合之后，将剩余的含木薯渣的原料连续加入之前，还包括时间间隔，所述时间间隔为10-30分钟。
9、根据权利要求1所述的方法，其中，所述发酵所使用的酵母为树干毕赤酵母和/或酿酒酵母；以每克酶解产物计，所述发酵所使用的酵母的接种量为103-108菌落形成单位，发酵的温度为30-36℃，发酵的时间为32-48小时。
10、根据权利要求1所述的方法，其中，所述含木薯渣的原料为木薯渣或木薯渣与秸秆的混合物。
11、根据权利要求1或10所述的方法，其中，所述含木薯渣的原料为木薯渣与秸秆的混合物，以木薯渣和秸秆的混合物的总重量为基准，所述木薯渣的含量为40-90重量％，所述秸秆的含量为10-60重量％。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，以木薯渣和秸秆的混合物的总重量为基准，所述木薯渣的含量为50-70重量％，所述秸秆的含量为30-50重量％。
13、根据权利要求11所述的方法，其中，所述秸秆为蒸汽爆破的秸秆和/或酸处理的秸秆。
14、根据权利要求11所述的方法，其中，所述木薯渣的颗粒直径为0.3-5毫米。
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