CN101509019A - 一种制取燃料乙醇同时获得木质素副产物的方法 - Google Patents

Abstract

一种制取燃料乙醇同时获得木质素副产物的方法，是用资源丰富、高粉碎度和高纤维素含量的甜龙竹蛀粉作为原料，通过蒸汽爆破预处理，添加高活性纤维素酶和半纤维素复合酶，利用耐高温酵母通过改进的同步发酵方法制取的。此方法能充分利用原料，酶解率、产物浓度和燃料乙醇产率较高，工艺步骤简单，清洁环保，经济高效，产物除燃料乙醇外，还能获得具有重要用途的木质素副产物。

Description

一种制取燃料乙醇同时获得木质素副产物的方法

所属技术领域

本发明涉及一种利用甜龙竹蛀粉作为原料制取燃料乙醇同时获得木质素副产物的方法，属生物能源领域。

背景技术

木质纤维类原料是地球上数量最多的一种可再生资源。发展经济、高效、环保的木质纤维生物转化乙醇技术，已成为世界生物能源科技发展的战略制高点。针对我国国情，发展以木质纤维类原料生物转化燃料乙醇为重点的生物能源技术，可以避免以粮食为原料所带来的“与农争地”和“与人争食”的弊端，兼得经济、生态、社会多重效益，是全面可持续发展的必然要求。但是，天然木质纤维素类原料和糖类、淀粉类原料有很大的差别，在结构上更为复杂。天然木质纤维素类原料包括纤维素、半纤维素和木质素三种主要成分，这三种成分本身均为复杂的高分子化合物，它们相互结合形成更为复杂的超分子复合物，并进一步形成各种植物细胞壁结构。这种复杂的保护性复合结构使植物得以抵御微生物及各种理化因子的伤害，但同时也使木质纤维素难以有效开发和利用。

目前，利用天然木质纤维素类原料发酵制取燃料乙醇存在原料和技术二方面的问题。

原料方面：(1)天然木质纤维素类原料首先都要进行机械粉碎，经过粉碎的原料能在一定程度上破坏纤维素三组分紧密结实的保护性复合结构，提高纤维素酶的可及性和酶解率，还能减少原料的膨润性，提高基质浓度，得到高浓度糖化夜。但是，机械粉碎增加了处理成本，粉碎处理的能耗占糖化过程总能耗的50-60％，成为产业化的重要瓶颈。(2)大部分天然纤维素类原料能转化为燃料乙醇的主要是纤维素，多数占45％以下，含量并不高，因此经过糖化获得的纤维素葡萄糖得率很低。经过复杂的预处理、糖化和发酵等工序，因所用原料的关系，燃料乙醇的产率并不理想，直接影响了产业化发展。因此，原料的选用至为重要。

技术方面：关键技术问题尚未突破。传统的生物转化纤维质原料生产乙醇的两步法，首先将纤维素酶解生成葡萄糖，然后是葡萄糖通过发酵转化为燃料乙醇。在分步糖化发酵中，存在着许多问题：(1)在纤维素糖化过程中，酶解过程产生的葡萄糖和纤维二糖对纤维素酶存在着强烈的反馈抑制，使糖化率降低。(2)由于纤维质原料比容大，分批水解液糖浓度较低。(3)由于分两步进行，操作复杂，发酵周期长，设备投资大，易染菌。为了克服上述缺点，发展出将糖化和发酵合二为一的一步法工艺，从80年代后格外引人注目。由纤维质生物量一步法转化成乙醇的研究，目前主要有以下四种形式：(1)同步糖化发酵(SimultaneousSacchrification and Fermentation，SSF)。此方法用纤维素酶对纤维素进行水解，水解同时加入乙醇发酵菌，使水解与发酵在同一容器内进行。(2)纤维素水解细菌的纯培养发酵。利用细菌生产乙醇，即将纤维素直接发酵为乙醇。已经发现自然界中存在着这类细菌，如热纤梭菌，对这类细菌的发酵已开展了深入的研究。(3)基因重组酵母直接发酵。利用基因克隆将纤维素酶基因导入酵母细胞中，这种酵母能以纤维素为碳源生产乙醇。这一发酵技术还未成熟。(4)共培养发酵(Coculture Fermentation)。该体系可生产乙醇、丁二醇、丙酮、乙酸等。后3种方式存在着有机酸等副产物生成量较多，而乙醇生成量较少，且大多要以较纯纤维素作底物等缺点。而同步糖化发酵具有可以消除纤维素酶受葡萄糖和纤维二糖的终产物抑制，提高纤维素酶解的效果并能降低酶制剂的用量，所得酒精浓度较高等优点。

同步发酵法把纤维质原料转化成乙醇有着美好的前景，它与其他方法相比有许多优点：(1)同步发酵法促进了反应的动力学过程，减轻了酶解产物对酶的抑制；(2)减少了酶的用量，因此纤维素酶解成本可大幅度减少；(3)因葡萄糖生成与消失几乎同步，提高了发酵产率；(4)乙醇的存在和低的pH值使污染杂菌的可能性减少；(5)糖化与发酵可在同一反应器里进行，节省了设备投资；(6)在此反应中，乙醇作为最终产物对纤维素酶的抑制与纤维二糖和葡萄糖相比小得多；(7)若在反应中添加β-葡萄糖苷酶，可以大大提高乙醇转化率；(8)由于是同时糖化发酵，所以反应时间可大大缩短。但是，同步糖化发酵转化纤维质生物量成乙醇的研究距离实际应用仍有一定差距，主要是因为纤维素酶解与酵母合二为一的耦合技术还不太成熟，最为突出的是两者的温度不协调。在同步发酵过程中，表现纤维素酶的最佳温度为45～50℃，而乙醇发酵的最佳温度为20～40℃。因此需要确定两者的折中温度。其次是因为产物浓度低，造成现有技术产物回收费用高。

发明内容

为了解决现有纤维素原料制取能源酒精成本高、效率低的问题，本发明提供一种利用新的原料和改进的技术制取燃料乙醇，能够有效降低成本，提高效率，促进产业化的发展。

本发明所采用的技术方案是：采用甜龙竹蛀粉这种新型原料和改进的技术制取燃料乙醇。

能够获取蛀粉的甜龙竹包括马来甜龙竹、勃氏甜龙竹、版纳甜龙竹等，分布于东南亚、南亚以及中国南方热区等广大地区，由于产笋及造纸等的需要，栽种面积还在不断扩大。甜龙竹由于含糖量高，易受虫蛀。甜龙竹蛀粉是竹蠹等昆虫通过粉蛀性蛀食产生的竹材碎屑。蛀食甜龙竹产生蛀粉的主要是竹蠹(Dinoderus minutus Fabricius)，属鞘翅目长蠹科昆虫。竹蠹1年发生2～3个世代。在我国南方，由于气温高、湿度较大，适应于竹蠹的生长和发育所发生的世代数较多。竹蠹多从竹片侧面或竹黄面，或竹青受损处蛀入，特别是竹节部位。除竹青及竹黄外，竹肉几乎全被蛀食。竹蠹蛀食时，蛀粉常从蛀孔内排出。目前竹蠹蛀食甜龙竹可在人工条件下进行，效率可大大提高，得粉率不低于60％。丰富的甜龙竹资源和竹蠹蛀食的高效性可为蛀粉的开发提供充足的原料。版纳甜龙竹蛀粉颜色浅黄、颗粒细腻、质地均匀，50％以上过300目筛。电镜观察表明，蛀粉由占80％以上的粒径在15-20um以下的片状颗粒和碎屑构成，这些片状颗粒最大宽度不超过竹纤维宽度，而在长度上被撕裂成长短不一、各种形状的颗粒或碎屑。从主要成分来看，蛀粉以竹纤维素为主，在含量上超过其他常见的纤维素原料，如玉米秸、甘蔗渣、稻草、麦草、锯木粉等。蛀粉的这种高纤维素含量使其通过酶解糖化可获得更高的葡萄糖转化成燃料乙醇。蛀粉又是竹蠹对竹纤维束撕裂形成的高粉碎度产物，纤维素、半纤维素和木质素三组分紧密结实的结构已受到一定程度的破坏，成为较易于被纤维素酶水解的松散结构，极细小的颗粒还扩大了纤维素酶作用的表面积。因此，蛀粉可作为制取燃料乙醇的良好原料。

蛀粉纤维素发酵制取燃料乙醇与其他原料相比具有明显的优势。(1)甜龙竹分布面广，资源丰富；(2)竹蠹蛀食甜龙竹竹材效率高，可通过人工控制方式进一步提高粉蛀效率；(3)竹蠹蛀粉品质优越，又有显著的成本优势；(4)蛀粉纤维素含量超过其他常见原料，如锯木粉、稻草、麦秆等，可获得更多的纤维素葡萄糖用于燃料乙醇制备。利用甜龙竹蛀粉纤维素发酵制取燃料乙醇，变虫蛀之害为生产之利，既可为纤维素燃料乙醇的开发提供一种成本低、效益高的良好原料，同时还可成为甜龙竹资源提高附加值的一条新途径。

蛀粉纤维素三组分的复合结构和竹纤维的结构是紧密联系的。在竹纤维素长链分子和细胞壁中微细纤维之间的结构关系中，微细纤维构成了纤维细胞壁的骨架；微细纤维是由比它更小的结构单位—原微细纤维组成的，其留下的间隙则为果胶、半纤维素、木质素等填充；原微细纤维也称为基本微细纤维，是由数目不等的亚原微细纤维和作为胶粘剂的半纤维素和木质素构成的；亚原微细纤维大约含有60-80根纤维素大分子。总的来说，竹纤维的整个结构极为致密，酶分子难以触及进行水解，可及性极差。蛀粉经过竹蠹的生物性撕裂研磨，在细度上已经达到甚至超过机械粉碎研磨的程度，而且成本低廉，这是利用竹蠹作为制取燃料乙醇原料的优势。不过，蛀粉虽然极细，纤维素三组分的保护性复合结构还有部分保留，需要经过进一步预处理才能提高酶解效率。

针对甜龙竹蛀粉的特点，本发明采用蒸汽爆破对蛀粉进行再处理。原料用蒸汽加热至180-235℃，在高温高压的作用下维持一定时间，，再突然减压释放。受机械力的作用，细胞壁结构被破坏，木质素重聚集，使得木质素与纤维素分离。处理后的天然纤维素原料膨松，纤维素空隙增大，可使酶解率明显提高。

本发明以有利于耦合的角度筛选了一种高活性纤维素酶(可补加β-葡萄糖苷酶)和一种能利用木聚糖发酵的耐高温酿酒酵母进行同步发酵制取燃料乙醇。因同步发酵的温度条件较有利于其他酶的作用，还同时添加半纤维素复合酶(用木聚糖酶、甘露聚糖酶、葡聚糖酶、果胶酶等按相近酶量(酶活)混合而成)进行酶解糖化，以利用其中的半纤维素制取燃料乙醇，可极大地提高原料利用率和产物浓度。因原料中纤维素和半纤维素已经大部分被利用，残渣以木质素为主，采用相应的提纯方法如碱析法、酸沉淀法、超滤法等即可获得具有重要用途的木质素副产物。

本发明的有益效果是：利用资源丰富、不需经过机械研磨、高粉碎度和高纤维素含量的甜龙竹蛀粉作为原料，针对甜龙竹蛀粉的特点，进行蒸汽爆破预处理，再采用改进的发酵方法制取燃料乙醇，能够同时利用蛀粉中的纤维素和半纤维素进行发酵，提高了原料利用率、酶解率、产物浓度及燃料乙醇产率，而且技术流程简单、经济、环保、可做到清洁生产，产物除燃料乙醇外，还可获得用途广泛、经济价值高的木质素副产物。本发明具有显著的低成本高效益特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的流程图。

在图1中，甜龙竹蛀粉通过5步骤完成燃料乙醇的发酵制取过程。

第一步，室外收集或(和)在人工条件下培养竹蠹制取甜龙竹蛀粉；

第二步，将蛀粉过10-100目筛，除去虫卵和其他杂物；

第三步，将蛀粉进行蒸汽爆破。具体说，用蒸汽加热至180-235℃左右，维持一定时间，再突然减压；

第四步，将蒸汽爆破处理过的蛀粉加入5-30倍左右的水，用缓冲液调节pH至4.4左右，加入高效的纤维素酶(可补加β-葡萄糖苷酶)和半纤维素复合酶，并接入耐高温酿酒酵母，在30-40℃左右的温度下以静置或者振荡方式进行同步发酵2-10天左右；

第五步，将发酵结束的发酵液按照酒精蒸馏技术进行蒸馏制取燃料乙醇，残渣以木质素为主，可采用木质素提纯精制方法如碱析法、酸沉淀法、超滤法等方法进一步提取木质素，获得木质素副产物。

具体实施方式

实施例1

砍伐数米高的成熟版纳甜龙竹，靠近竹节处截断成数节，在人工条件下接入竹蠹进行粉蛀性蛀食培养制取蛀粉，收集蛀粉，过20目筛，除去虫卵、较大的竹材残片等杂物，200℃左右蒸汽爆破，加入20倍水，调节pH至4.4，再加入200u/g纤维素酶和150u/g半纤维素酶，同时接入耐高温酿酒酵母，在37℃静置发酵7天结束。燃料乙醇产率为理论值的93％，木质素产率为理论值的96％。

实施例2

野外收集勃氏甜龙竹蛀粉，过50目筛，200℃左右蒸汽爆破，加入15倍水，调节pH至4.4，再加入200u/g纤维素酶(补加β-葡萄糖苷酶)和150u/g半纤维素酶，同时接入耐高温酿酒酵母，在37℃震荡发酵4天结束。燃料乙醇产率为理论值的90％，木质素产率为理论值的95％。

实施例3

野外收集马来甜龙竹蛀粉，过50目筛，200℃左右蒸汽爆破，加入20倍水，调节pH至4.4，再加入200u/g纤维素酶(补加β-葡萄糖苷酶)和150u/g半纤维素酶，接入耐高温酿酒酵母，在37℃震荡发酵5天结束。燃料乙醇产率为理论值的94％，木质素产率为理论值的95％。

Claims (9)

1.一种制取燃料乙醇同时获得木质素副产物的方法，其特征是：利用资源丰富、高粉碎度和高纤维素含量的甜龙竹蛀粉作为原料，通过预处理和改进的同步发酵方法，制取燃料乙醇并获得具有重要用途的木质素副产物。

2.根据权利要求1所述的甜龙竹，其特征是：包括含糖量较高的马来甜龙竹、勃氏甜龙竹、版纳甜龙竹等甜龙竹竹种。

3.根据权利要求1所述的甜龙竹蛀粉，其特征是：通过竹蠹等粉蛀性昆虫蛀食甜龙竹所产生的竹材粉。

4.根据权利要求1所述的预处理，其特征是：采用蒸汽爆破破坏保留的甜龙竹蛀粉纤维素三组分紧密结实的保护性复合结构。

5.根据权利要求1所述的改进的同步发酵方法，其特征是：将蒸汽爆破处理过的蛀粉加入5-30倍左右的水，用缓冲液调节pH至4.4左右，加入高活性的纤维素酶(可补加β-葡萄糖苷酶)和半纤维素复合酶，并接入能利用木聚糖发酵的耐高温酿酒酵母，在30-40℃左右的温度下以静置或者振荡方式进行同步发酵2-10天左右。

6.根据权利要求5所述的同步发酵方法，其特征是：所用的高效纤维素酶酶量在200u/g左右，半纤维素复合酶酶量在150u/g上下，所用酵母耐受温度在30℃以上。

7.根据权利要求5所述的同步发酵方法，其特征是：所用的半纤维素复合酶用木聚糖酶、甘露聚糖酶、葡聚糖酶、果胶酶等按相近酶量(酶活)混合而成。

8.根据权利要求1所述的燃料乙醇，其特征是：将发酵结束的发酵液按酒精蒸馏方法进行蒸馏制取。

9.根据权利要求1所述的木质素副产物，其特征是：将已提取燃料乙醇的发酵液残渣，用木质素提纯精制方法，如碱析法、酸沉淀法、超滤法等进行提取获得。