CN101525636A - 采用含纤维素的原料制备乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

采用含纤维素的原料制备乙醇的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，将得到的蒸汽爆破产物与酶混合、酶解；发酵得到的酶解产物，其中，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3－10分钟，每隔5－12秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压；所述将蒸汽爆破产物与酶混合的方法包括先将部分蒸汽爆破产物与酶混合得到混合物，然后将剩余的蒸汽爆破产物连续加入与所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述先与酶混合的蒸汽爆破产物的重量为全部蒸汽爆破产物重量的10－30重量％。本发明的方法能够大大提高乙醇的产率。

Description

采用含纤维素的原料制备乙醇的方法

技术领域

本发明是关于一种制备乙醇的方法，更具体地，是关于采用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

背景技术

现有技术可以用含纤维素的原料制备乙醇，所述含纤维素的原料一般为植物的根、茎和叶，包括秸秆。所述秸秆即农作物(一般为草本植物)收获种子或果实后剩余的根、茎和叶，主要为茎和叶，如包括玉米秸秆、高梁秸秆、稻秆、麦秸等谷类植物的秸秆，包括豆秸的油料植物的秸秆以及棉花秸秆。秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键和/或非共价键紧密结合，三者约占秸秆干物质总重量的70-90重量％。秸秆中纤维素、半纤维素和木质素各自的含量会随不同来源的农作物或农作物的不同部分而有所区别。

纤维素在纤维素酶的作用下能够降解成葡萄糖，半纤维素在半纤维素酶的作用下能够降解成木糖，葡萄糖和木糖都可以用于发酵生产乙醇，比如酿酒酵母可以发酵葡萄糖制备乙醇，树干毕赤酵母可以发酵木糖制备乙醇。但是木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质，因而不溶于水难以降解。由于木质素由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联，侧链与半纤维素以共价键结合，形成致密的网络结构——木质素鞘包埋纤维素和半纤维素，因而使纤维素酶和半纤维素酶不易与纤维素和半纤维素接触，结果导致秸秆也难以降解。

现有的采用含纤维素的原料制备乙醇的方法，一般采用蒸汽爆破和/或酸水解进行预处理，以破坏木质素对纤维素和半纤维素的包埋。酸水解虽然能够破坏木质素，但是也会破坏纤维素，继而降低葡萄糖的产率，而且酸水解后还需要加大量碱中和才能进行酶解和发酵。因此更倾向只通过蒸汽爆破完成预处理过程，达到破坏木质素对纤维素和半纤维素的包埋作用。

例如文献“对植物秸秆酒精生产工艺的介绍”，张学峰、兰玉成，酿酒，第29卷第4期，第37-38页，2002年7月，公开了一种利用植物秸秆生产酒精的方法，该方法包括将玉米秸秆除石除铁清洗后，切割成1.5厘米的小段，水浸40分钟，通入2.5兆帕蒸汽，保温8分钟，泄压，水洗十分之一的蒸汽爆破产物，并在所述十分之一的蒸汽爆破产物中培养里斯木酶产生纤维素酶，将所得培养物与另外十分之九的蒸汽爆破产物混合，保温50℃水解24小时，经过滤得到6％糖液，无机膜浓缩成20％以上的糖液，加入休哈塔酵母(0.8-1.2亿/毫升)，发酵24小时，产酒份10％，蒸馏得99.5％的酒精。

CN1117835C公开了一种乙醇溶解汽爆秸秆木质素制备液体燃料的方法，该方法以汽爆秸秆为原料，在高压反应釜中，用乙醇萃取汽爆秸秆中的木质素；再用真空抽滤得到滤液，并将汽爆秸秆萃取渣进行同步糖化固态发酵乙醇，乙醇萃取液及真空抽滤所得滤液即为该方法制备的液体燃料。

所述汽爆秸秆原料的制备方法包括将切碎的麦草、稻草或玉米秆等植物原料装入汽爆罐，在1.2-1.7兆帕压力下，维持压力5-10分钟，之后，瞬间减压释放。

所述的乙醇萃取汽爆秸秆中的木质素的方法为在高压反应釜中，加入汽爆秸秆和乙醇，汽爆秸秆和乙醇的体积比为1∶10-1∶50，在1.5-2.0兆帕的压力范围内保持1-2小时。

所述的将汽爆秸秆萃取渣进行同步糖化固态发酵乙醇是指：在33-35℃范围内(发酵)，维持14-16小时，在38-40℃范围内(酶解)，维持68小时，并交替进行发酵2-3天。

CN1193099C公开了一种使用耐热型酵母从木素纤维素生物质中生产乙醇的方法，该方法包括以下步骤：

将木素纤维素生物质粉碎成颗粒大小为15-30毫米；对粉碎的木素纤维素生物质进行蒸汽爆炸预处理，根据所用材料的类型保持1-3兆帕的压力和190-230℃的温度1-10分钟的时间，之后引发迅速减压；收集预处理过的物料并且通过过滤分离液体和固体部分，将固体部分引入发酵贮器中；向发酵贮器添加浓度为15FPU/克纤维素的纤维素酶和12.6国际单位/克纤维素的β-葡萄糖苷酶；给发酵贮器接种马克斯克鲁维氏酵母CECT 10875耐热型酵母培养物的悬浮液；将混合物在42℃下摇动72小时。

采用上述方法均可实现由含纤维素的原料制备乙醇的目的，但乙醇的产率较低，一般不超过20％。

发明内容

本发明的目的是克服现有的采用含纤维素的原料制备乙醇的方法乙醇产率低的缺点，提供一种乙醇产率高的采用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

现有技术的含纤维素的原料的预处理方法通常采用间歇式蒸汽爆破，该方法包括先将一批含纤维素原料输送至蒸汽爆破装置，通入蒸汽至蒸汽爆破的压力，并保温一段时间，然后瞬间泄压，完成蒸汽爆破并收集蒸汽爆破产物；然后再将一批含纤维的原料输送至蒸汽爆破装置中，再次通入蒸汽至蒸汽爆破的压力，并保温一段时间，然后瞬间泄压，完成蒸汽爆破并收集蒸汽爆破产物；并根据处理量，按照上述方法对随后的含纤维的原料进行间歇式蒸汽爆破。本发明的发明人发现，在采用这样的蒸汽爆破方法时，即使保证每次蒸汽爆破的条件，如压力和温度均相同，但是，却无法保证每次蒸汽爆破后得到的蒸汽爆破产物的爆破程度均相同。推测的原因可能是，由于每批置入蒸汽爆破装置中的含纤维素的原料的量较多，且每批原料的堆积方式的差异或者蒸汽爆破条件的不稳定等因素造成无法保证使全部含纤维素原料在通入蒸汽后的短短几分钟内充分吸收水蒸汽，因此，仍然会有大部分含纤维素的原料由于无法充分吸收水蒸汽，而不能完全被其内部的水蒸汽爆开，导致含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘无法被充分破坏，降低了含纤维素的原料中能与酶接触的纤维素比例，从而降低了乙醇的产率。此外，间歇式蒸汽爆破的方法在原料的预处理上耗费的时间较长，单位时间内原料的处理量较低，因而不利于生产效率的提高。

此外，本发明的发明人还发现，在现有的采用含纤维素的原料制备燃料乙醇的方法中，含纤维素的原料，如秸秆原料通常是以液浆的形式存在，在将浆液状的全部秸秆原料直接与酶混合时，会使酶浓度降低，使酶活力下降。再者，将经过预处理的秸秆与酶混合酶解的方法通常为将破碎的秸秆颗粒一次全部加入到酶与水的混合液中与酶液混合，进行酶解糖化反应，或者，先将所用反应物料(经预处理的秸秆颗粒)于反应罐中与水混合，然后在酶解温度下，将酶直接加入到反应罐中反应。尽管上述混合是在搅拌条件下进行的，但是秸秆颗粒仍然不容易与酶混合均匀。因为，经过预处理后的秸秆粒度变小，颗粒以及碎屑状的秸秆颗粒很容易互相粘连和团聚，因此一次将全部秸秆完全与酶混合，仅有部分秸秆能与酶充分接触，由于秸秆之间的粘连和团聚也会有部分秸秆不能充分与酶接触，即使在搅拌下，也不能完全将秸秆打散。因此，酶解后纤维素转化为糖的转化率低，糖发酵得到的乙醇的产率较低。此外，由于一次将全部秸秆完全与酶混合，秸秆不能充分与酶接触，因此，酶解的时间也相对较长，酶解效率较低，也限制了乙醇产率的提高。

本发明提供了一种采用含纤维素的原料制备乙醇的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，将得到的蒸汽爆破产物与酶混合、酶解；发酵得到的酶解产物，其中，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-7分钟后，每隔5-7秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压；所述将蒸汽爆破产物与酶混合的方法包括先将部分蒸汽爆破产物与酶混合得到混合物，然后将剩余的蒸汽爆破产物连续加入与所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述先与酶混合的蒸汽爆破产物的重量为全部蒸汽爆破产物重量的10-30重量％。

本发明采用连续蒸汽爆破的方法对含纤维的原料进行预处理，能够使所述置入蒸汽爆破装置中的全部含纤维素的原料连续的在稳定的蒸汽爆破条件下，在保温压力装置中充分吸收水气，并使含纤维素的原料内部的水气化成水蒸汽，在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，增加了含纤维素的原料中能与酶接触的纤维素的比例，从而有效地提高了乙醇的产率。并且，本发明的蒸汽爆破含纤维素的原料的方法为连续的使含纤维素的原料在保温压力装置中保温并维持压力，然后连续的完成原料的蒸汽爆破，因此，本发明的方法在单位时间内处理的含纤维素的原料的处理量较多，有利于生产效率的提高。同时，本发明所述蒸汽爆破产物与酶混合酶解的方法为先将部分蒸汽爆破产物与酶混合得到混合物，然后将剩余的蒸汽爆破产物连续加入与所述混合物混合，该方法能够使蒸汽爆破产物均匀、快速的与酶接触、混合并反应，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，进一步提高了乙醇的产率。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，在其它的蒸汽爆破条件和其它酶解条件都相同的情况下，实施例1的采用含水量为40重量％的含纤维的原料制备得到的乙醇产率达23.8％，实施例2的乙醇的产率为23.1％，而对比例1的乙醇产率仅为18.3％，提高幅度高达26.2-30.1％。且实施例1的连续蒸汽爆破方法每小时可以处理含纤维素的原料400-500公斤；每小时酶解的纤维素的量为11克以上，而对比例1的蒸汽爆破方法每小时只能处理含纤维素的原料180-260公斤。

附图说明

图1为天然玉米秸秆的扫描电子显微镜照片；

图2为按照对比例1的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片；

图3为按照对比例2的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片；

图4为按照本发明实施例1的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

按照本发明，所述采用含纤维素的原料制备乙醇的方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，将得到的蒸汽爆破产物与酶混合、酶解；发酵得到的酶解产物，其中，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟后，优选为4-7分钟后，每隔5-12秒，优选为7-10秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压；所述将蒸汽爆破产物与酶混合的方法包括先将部分蒸汽爆破产物与酶混合得到混合物，然后将剩余的蒸汽爆破产物连续加入与所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述先与酶混合的蒸汽爆破产物的重量为全部蒸汽爆破产物重量的10-30重量％。

按照本发明，所述含纤维素的原料是被连续输送至保温压力装置中，在该装置中该传送，并在该保温压力装置中进行保温和维持压力。不同的生产规模所采用的保温压力装置的规格也不同，因此，不同规格的保温压力装置的传送速度也不同，本发明对所述含纤维素的原料的输送线速度没有特别限定，所述含纤维素的原料的输送线速度只要保证所述含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟即可，以使在该装置的温度、压力下形成的水气能够充分进入含纤维素的原料中，以在泄压时使水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，以充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘。

所述保温压力装置可以为各种保温压力装置，只要能够使连续输送的含纤维素的原料在该装置中达到蒸汽爆破的条件即可。

所述连续蒸汽爆破的条件可以采用现有技术常规的蒸汽爆破条件，如蒸汽爆破的温度，即保温压力装置的温度可以为180-200℃，更优选为185-195℃；所述蒸汽爆破的压力，即保温压力装置的压力可以为1.4-2.0兆帕，更优选为1.5-1.8兆帕。在上述蒸汽爆破条件下都能充分破坏秸秆包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，实现本发明的目的。

所述将保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压的方法可以采用各种常规的方法，例如，可以通过控制设置在保温压力装置上的压力阀门实现。所述压力阀门设置在保温压力装置的出口处，当保温压力装置中的压力达到所述蒸汽爆破的压力时，阀门开启，在阀门开启的瞬间使保温压力装置中的部分含纤维素的原料喷出，并释放到常压，所述开启时间约为2-3秒钟；然后关闭压力阀门，恢复保温压力装置中的温度和压力；随后，每隔5-12秒，优选为7-10秒，压力阀门会自动开启以使在保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压，然后自动关闭，以实现含纤维的原料的连续蒸汽爆破。

所述每次释放到常压的含纤维的原料的量没有特别限定，不同的生产规模所采用的保温压力装置的规格不同，每次蒸汽爆破的处理能力也不同，因此，可以根据生产需要选用不同规格的装置，从而决定每次处理的含纤维素原料的量。按照本发明，优选情况下，每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料总量的6-15重量％，更优选为8-12重量％。每次释放到常压的含纤维素的原料为120-180克，优选为120-150克。一般情况下，所述含纤维素的原料是以匀速输送的，因此，含纤维素的原料的输送速度使在该保温压力装置中的含纤维素的原料的量基本保持不变。

此外，在采用现有技术蒸汽爆破含纤维素的原料时，通常认为所述含纤维素的原料例如玉米秸秆，必须充分水浸，才能够得到更好的蒸汽爆破的效果，因为充分水浸可以使所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部含有大量的水，在蒸汽爆破时，所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部的水可以气化成水蒸汽，泄压时由所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部冲出，以由内向外充分破坏所述含纤维素的原料例如玉米秸秆包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，本发明的发明人意外地发现，控制用于蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为30-60重量％，能够进一步保证在蒸汽爆破条件下使含纤维素的原料内部的水气化成水蒸汽，有利于在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，以充分破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，从而进一步提高乙醇的产率。根据本发明，任意含水量的含纤维素的原料都是可用的，优选情况下，本发明所用含纤维素的原料的含水量为30-60重量％，更优选为35-50重量％。

根据本发明，可以通过各种方式获得含水量为30-60重量％的含纤维素的原料。对于含水量存在差异的不同批次含纤维素的原料，可以进行不同的处理，比如对于含水量高的秸秆原料，可以45-90℃烘干部分水分，使其含水量降低到30-60重量％；对于含水量低的秸秆原料，可以采用控制水浸时间的方法，增加秸秆原料的含水量到30-60重量％；对于含水量正好在到30-60重量％的秸秆原料，可以直接进行蒸汽爆破。优选所述用于蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为35-50重量％。除非特殊说明，本发明所述含纤维素的原料的含水量均是指含纤维素原料的初始重量W1与在70-100℃下烘干至恒重的含纤维素原料的干计重量W2之差，与含纤维素原料的初始重量W1的重量百分比，即含水量(重量％)＝(W1-W2)/W1×100％。

优选情况下，为了实现含纤维素的原料的连续处理，可以将含纤维素的原料在连续输送至保温压力装置中之前的连续输送过程中进行水淋，水淋的水用量使含纤维素的原料的含水量保持在30-60重量％，优选为35-50重量％，然后再连续输送至保温压力装置中进行蒸汽爆破。

优选情况下，为了提高生产效率又同时能够保证所得蒸汽爆破产物与酶的充分混合、反应，得到较高的蒸汽爆破产物浓度以及较高水平的酶作用速度，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度为100-150克/升。所述蒸汽爆破产物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，可以采用国家标准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浓度，可以根据测得的浓度值来调整所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度，以使反应体系中的蒸汽爆破产物浓度维持在上述范围内。

所述酶解的pH值可以为纤维素酶的任何最适作用pH。为了保证酶具有最佳的反应活性，在将部分蒸汽爆破产物与酶混合前，调节蒸汽爆破产物的pH值为大于3小于7，优选为4.0-5.5，以使得蒸汽爆破产物与酶混合后，酶具有最佳的反应活性。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。如根据所得蒸汽爆破产物的pH值，在该蒸汽爆破产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，在将部分蒸汽爆破产物与酶混合之后，将剩余的蒸汽爆破产物连续加入之前，还包括时间间隔，为了使该部分蒸汽爆破产物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所得蒸汽爆破产物混合时开始计算，即，所述酶解时间指将蒸汽爆破产物与酶混合开始至将蒸汽爆破产物转化为糖后糖的含量不再增加时所用的时间，所述将剩余的蒸汽爆破产物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，所述在将第一批蒸汽爆破产物与酶混合之后，将剩余的蒸汽爆破产物连续加入之前的时间间隔也包括在所述酶解时间之内。

为了使酶与反应原料混合的更均匀，所述蒸汽爆破产物的酶解优选在水存在条件下进行，更优选在含有水与蒸汽爆破产物的悬浮液中进行。也就是说，本发明优选将部分蒸汽爆破产物与酶混合时，该方法还包括加入水，即将部分蒸汽爆破产物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蒸汽爆破产物。对所加入的水的量没有特别限定，优选情况下，所述水的加入量与全部蒸汽爆破产物的重量比为1-4∶1。更优选情况下，以该部分蒸汽爆破产物、水和酶混合后得到的混合物为基准，以蒸汽爆破产物的干重计，所述蒸汽爆破产物的含量至少为1重量％，优选为1-20重量％，更优选为1.2-10重量％。在现有的由蒸汽爆破产物制备乙醇的方法中，在酶解时，由于蒸汽爆破产物的浓度太稀，有可能导致生产周期延长，生产效率降低。而本发明的发明人发现，在酶解时控制部分蒸汽爆破产物、水与酶混合后得到的混合物中蒸汽爆破产物的浓度，以部分蒸汽爆破产物、水与酶混合后得到的混合物为基准，以蒸汽爆破产物的干重计，使蒸汽爆破产物的含量至少为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，所述蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度是指，未被液化(未与酶反应)的蒸汽爆破产物的重量与反应体系中固液总的重量的比值×100％。

由于本发明仅涉及对蒸汽爆破含纤维素的原料的方法以及蒸汽爆破产物加料方式的改进，因此对用含纤维素的原料制备乙醇的方法的其它步骤没有特别的限制。

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。

由于微生物生长会产生副产物，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，优选以每克含纤维素的原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位，更优选以每克含纤维素的原料的干重计，10-15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(National Renewable 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分钟内转化1克Whatman No.1滤纸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。

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。

C_x型纤维素酶又分为C_x1型纤维素酶和C_x2型纤维素酶两种。C_x1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。C_x2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，使纤维二糖酶解生成葡萄糖。

优选情况下，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使半纤维素降解成为溶于水的木糖，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，另一方面半纤维素的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。以每克含纤维素的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8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/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：

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/和酿酒酵母。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。

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、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，含纤维素的原料会产生诸如糠醛、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含纤维素的原料之后，酶解得到的蒸汽爆破产物之前，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，然后离心分离蒸汽爆破产物，由于上述抑制物易溶解在水中，从而通过水洗可以从蒸汽爆破产物中除去抑制物。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为60-90℃，更优选为60-80℃。由于水洗所加入的水越多，则溶解掉的抑制物也越多，但是考虑到离心分离的能耗，优选以每克所述含纤维素的原料的干重计，所述水洗的加水量为2-10克，更优选以每克含纤维素的原料的干重计，所述水洗的加水量为2-3克。

由于含纤维素的原料如玉米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，因此本发明制备乙醇的方法，可以包括现有的除石除铁常规操作，比如以“风送”含纤维素的原料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，由于含纤维素的原料本身容易纠结而堵塞设备管路，因此优选所述含纤维素的原料的大小为0.5-3厘米×0.2-1厘米×0.2-1厘米，更优选所述含纤维素的原料的大小为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

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

(1)连续蒸汽爆破

测试如图1所示的玉米秸秆原料，按照上述的方法测得玉米秸秆的含水量为20重量％，将原料切成1.5厘米×0.2厘米×0.5厘米的小段，将该含水量为20重量％的玉米秸秆段连续从喂料器中送入，并在输送至保温压力装置中之前进行水淋，水淋使该玉米秸秆段的含水量为40重量％。然后连续将2000克该含水量为40重量％的玉米秸秆输送至上述保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.6兆帕，温度为195℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在195℃、1.6兆帕下维持5分钟，之后，每隔10秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆喷出，并释放到常压，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的11重量％，约165克，收集蒸汽爆破产物，并将所得蒸汽爆破产物与70℃的水按照重量比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950转/分钟转速下进行固液分离，共得到2700克固体蒸汽爆破产物(含水量为55.6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5克所述水洗后的蒸汽爆破产物在45℃下烘干至恒重2.22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。向所述三角烧瓶中加入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℃水浴中加热60分钟，每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水浴结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％。用布氏漏斗过滤所述稀释后的蒸汽爆破产物酸水解液，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。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得上层清液的滤液用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2.59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0.218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的重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破产物中含纤维素0.196克，则2700克蒸汽爆破产物中共含纤维素528克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0.73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0.061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中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的重量的1.14倍，即1克蒸汽爆破产物中含半纤维素0.054克，则2700克蒸汽爆破产物中共含半纤维素145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)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，第一批加入的水洗蒸汽爆破产物的量为步骤(1)取样测试后剩余的全部水洗蒸汽爆破产物重量的18％，然后调节pH值为4.5，加热至52℃后，以每克蒸汽爆破产物的干重计，加入20酶活力单位的酶计算，全部蒸汽爆破产物的干重为1200克，共加入24000酶活力单位(约160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水洗蒸汽爆破产物，所述剩余的含纤维素的原料的加入速度使含纤维素的原料在反应体系中的浓度为125-145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，酶解时间一共为37小时(连续加入剩余的水洗蒸汽爆破产物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水洗蒸汽爆破产物的重量比为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的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550.2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495.7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13.4克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为3.6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/秸秆干重

(3)发酵

使酶解产物的温度降至35℃，以每克酶解产物计，接种为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35℃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285.6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/秸秆干重

实施例2

本实施例说明本发明用含纤维素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，将含水量为20重量％的玉米秸秆进行水淋，水淋使该玉米秸秆段的含水量为75重量％。然后按照实施例1的条件和方法连续将4800克该含水量为75重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中进行连续蒸汽爆破，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到6000克固体蒸汽爆破产物(含水量为80重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得6000克蒸汽爆破产物中共含纤维素520克，半纤维素144.4克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解和发酵，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537.1克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共483.9克。二次蒸馏可得乙醇276.9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。每小时酶解的纤维素的量为13.1克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为1.6重量％。)

实施例3

本实施例说明本发明用含纤维素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，在将1500克含水量为20重量％的玉米秸秆段连续从喂料器中送入后不进行水淋直接输送至保温压力装置中进行连续蒸汽爆破，蒸汽爆破的条件同实施例1，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到2400克固体蒸汽爆破产物(含水量为50重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得2400克蒸汽爆破产物中共含纤维素515.2克，半纤维素142.2克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解和发酵，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530.6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478.1克。二次蒸馏可得乙醇274.8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。每小时酶解的纤维素的量为12.9克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为4.0重量％。)

对比例1

本对比例说明现有技术采用含纤维素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，按照文献“对植物秸秆酒精生产工艺的介绍”(张学峰、兰玉成，酿酒，第29卷第4期，第37-38页，2002年7月)所公开的方法，将秸秆原料在蒸汽爆破前先用水浸泡40分钟，测得浸泡后的玉米秸秆原料的含水量达到83重量％，然后取2000克该含水量为83重量％的玉米秸秆分两批(每批1000克)进行间歇式蒸汽爆破，所述间歇式蒸汽爆破的方法为先将1000克所述玉米秸秆在195℃下以1.6兆帕的压力维持5分钟，然后泄压；然后再将剩余的1000克所述玉米秸秆在同样的条件下进行蒸汽爆破，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到2300克蒸汽爆破产物(含水量为85.2重量％)。按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得2300克蒸汽爆破产物中共含纤维素142.8克，半纤维素45克。

然后按照实施例1的方法进行酶解和发酵，不同的是，在酶解步骤(2)中将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物一次全部加入到含水的酶解罐中，然后与酶混合均匀(全部水洗蒸汽爆破产物与水的重量比为2∶1)，酶解时间需要40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117.9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106.2克，每小时酶解的纤维素的量为2.7克；二次蒸馏得到乙醇62.2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。

对比例2

本对比例说明现有技术采用含纤维素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，将1500克含水量为20重量％玉米秸秆直接在190℃下以1.8兆帕的压力下维持4分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破，收集蒸汽爆破产物并水洗后共得到3000克蒸汽爆破产物(含水量为60重量％)。按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得3000克蒸汽爆破产物中共含纤维素494克，半纤维素146.6克。

然后按照对比例1的方法进行酶解和发酵，酶解时间需要46小时，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420.0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378.4克，每小时酶解的纤维素的量为8.2克；二次蒸馏得到乙醇223.2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。

电镜观察结果：

用JSM-35CF扫描电镜放大1000倍观察对比例1、对比例2和实施例1的蒸汽爆破产物，结果分别如图2、图3和图4所示。从图2可以看出，由于秸秆原料内部没有水分可以气化成水蒸汽，因此蒸汽爆破不能由内向外充分破坏秸秆原料；从图3可以看出，对比例2玉米秸秆蒸汽爆破的效果并不好，纤维素仍然呈束状，并且纤维素表面残留有木质素鞘；而如图4所示的实施例1的蒸汽爆破效果很好，可以看到游离的纤维素。

实施例4

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

(1)连续蒸汽爆破

按照实施例1的方法对玉米秸秆进行连续蒸汽爆破，不同的是，水淋使进入保温压力装置之前的玉米秸秆的含水量为65重量％，并连续将该3000克该含水量为65重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的8.5重量％，约127.5克。条件与实施例1相同，收集蒸汽爆破产物，并与60℃的水按照重量比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/分钟转速下进行固液分离，共得到3300克固体蒸汽爆破产物(含水量为68.2重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得3300克蒸汽爆破产物中共含纤维素454.5克，半纤维素126.5克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解和发酵，酶的用量约为140克，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469.6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423.1克。二次蒸馏可得乙醇243.4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。每小时酶解的纤维素的量为11.4克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为2.6重量％。)

实施例5

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

(1)连续蒸汽爆破

按照实施例1的方法对玉米秸秆进行连续蒸汽爆破，不同的是，先将含水量为20重量％的玉米秸秆切成2.5厘米×0.5厘米×0.5厘米的小段后，用立式浸渍器(山东汶瑞机械有限公司)与重量为所述玉米秸秆原料重量的三分之一的水混合后，可得含水量50重量％的玉米秸秆。然后连续将该2000克含水量为50重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.5兆帕，温度为185℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在185℃、1.5兆帕下维持7分钟，之后，每隔8秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆喷出，释放到常压，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的9.2重量％，约138克。收集连续蒸汽爆破后未经过水洗的2500克蒸汽爆破产物(含水量为60重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得2500克蒸汽爆破产物中共含纤维素432克，半纤维素125克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解和发酵，酶的用量约为130克，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438.7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395.3克。二次蒸馏可得乙醇226.0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。每小时酶解的纤维素的量为10.7克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为3.2重量％。)

实施例6

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

(1)连续蒸汽爆破

将含水量为35重量％的玉米秸秆，切成1.2厘米×0.4厘米×0.7厘米的小段，然后连续将该2000克含水量为35重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.7兆帕，温度为200℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在200℃、1.7兆帕下维持4分钟，之后，每隔8秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆喷出，释放到常压，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的10重量％，约150克。收集蒸汽爆破产物，将所得蒸汽爆破产物与75℃的水按照重量比1∶2.5搅拌混合50分钟，然后用离心泵LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到4300克蒸汽爆破产物(含水量为69.8重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得4300克蒸汽爆破产物中共含纤维素565.3克，半纤维素154.5克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解和发酵，酶的用量约为170克，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578.5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521.2克。二次蒸馏可得乙醇296.4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。每小时酶解的纤维素的量为14.1克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为2.5重量％。)

实施例7

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

(1)连续蒸汽爆破

将含水量为55重量％的玉米秸秆切成2.0厘米×0.6厘米×0.8厘米的小段，然后连续将2500克该含水量为55重量％的玉米秸秆输送至保温压力装置中，所述保温压力装置的压力为1.55兆帕，温度为190℃，所述玉米秸秆在该保温压力装置中连续传送，传送的线速度使得该玉米秸秆能够在190℃、1.55兆帕下维持6分钟，之后，每隔7秒钟，使该保温压力装置的阀门开启一次，2秒钟后，阀门关闭，使部分玉米秸秆喷出，释放到常压，完成蒸汽爆破，并重复上述过程进行连续蒸汽爆破。每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素原料的8重量％，约120克。收集蒸汽爆破产物，将所得蒸汽爆破产物与65℃的水按照重量比1∶2搅拌混合40分钟，然后用离心泵LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到3200克蒸汽爆破产物(含水量为65.0重量％)。

按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得3200克蒸汽爆破产物中共含纤维素496克，半纤维素134.3克。

按照实施例1的方法对上述蒸汽爆破产物进行酶解和发酵，酶的用量约150克，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517.5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466.2克。二次蒸馏可得乙醇267.4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。每小时酶解的纤维素的量为12.6克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为2.8重量％。)

实施例8

本实施例说明本发明用含纤维素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，第一批加入的蒸汽爆破产物的量为取样测试后剩余的全部蒸汽爆破产物重量的12％，调节pH值为4，加热至52℃后，加入纤维素酶后，在52℃下保温混合20分钟；连续加入剩余的水洗蒸汽爆破产物，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度为90-110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，酶解时间一共为38.5小时(连续加入剩余的水洗蒸汽爆破产物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545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491.0克，每小时酶解的纤维素的量为12.8克(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为2.4重量％)。发酵步骤同实施例1，二次蒸馏得到乙醇283.2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9

本实施例说明本发明用含纤维素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，第一批加入的水洗蒸汽爆破产物的量为取样测试后剩余的全部蒸汽爆破产物重量的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；连续加入剩余的水洗蒸汽爆破产物，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度为120-140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，酶解时间一共为36小时(连续加入剩余的水洗蒸汽爆破产物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543.8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489.9克，每小时酶解的纤维素的量为13.6克(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为5.7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282.1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10

本实施例说明本发明用含纤维素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，加入第一批步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，第一批加入的水洗蒸汽爆破产物的量为步骤(1)取样测试后剩余的全部水洗蒸汽爆破产物重量的20％，然后调节反应物料的pH值为5，并加热至50℃后，以每克蒸汽爆破产物的干重计，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，全部蒸汽爆破产物的干重为1200克，共加入21360酶活力单位(约140克)的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)和6000酶活力单位(约82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水洗蒸汽爆破产物，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度为130-150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，酶解时间一共为38小时(连续加入剩余的水洗蒸汽爆破产物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水洗蒸汽爆破产物的重量比为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552.0克，所述酶解得到的葡萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共497.3克，测定并计算出酶解产物中的木糖共119.3克，所述酶解得到的木糖的重量除以1.14，即蒸汽爆破产物中被酶解的半纤维素的重量共104.7克，每小时酶解的纤维素和半纤维素的总重量为15.8克(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为2.7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)/秸秆干重

在发酵步骤中，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343.0克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。

实施例11

本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。

按照实施例2的方法制备乙醇，不同的是，在酶解步骤中，加入第一批步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，第一批加入的水洗蒸汽爆破产物的量为步骤(1)取样测试后剩余的全部水洗蒸汽爆破产物重量的10％，所述水的加入量与全部水洗蒸汽爆破产物的重量比为2.5∶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535.7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482.6克。二次蒸馏可得乙醇276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。每小时酶解的纤维素的量为13.0克。(以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，第一批蒸汽爆破产物的含量为0.76重量％。)

表1

实施例或对比例	纤维素转化率(％)	半纤维素转化率(％)	单糖产率(％)	乙醇产率(％)
					实施例1	93.9	-	45.8	23.8
对比例1	74.4	-	34.7	18.3
					对比例2	76.6	-	35.0	18.6
实施例2	93.1	-	44.8	23.1
					实施例3	92.8	-	44.2	22.9
实施例4	93.1	-	44.7	23.2
					实施例5	91.5	-	43.8	22.6
实施例6	92.2	-	44.5	22.8
					实施例7	94.0	-	46.2	23.9
实施例8	93.0	-	45.4	23.6
					实施例9	92.8	-	45.3	23.5
实施例10	94.2	72.2	55.9	28.6
					实施例11	92.8	-	44.6	23.0

从表1可以看出，采用由本发明的蒸汽爆破含纤维的原料的方法得到的蒸汽爆破产物制备乙醇的方法中，纤维素转化率、单糖产率以及乙醇产率比对比例1和对比例2的方法均有明显的提高。

Claims (14)

1、一种采用含纤维素的原料制备乙醇的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，将得到的蒸汽爆破产物与酶混合、酶解，发酵得到的酶解产物，其特征在于，蒸汽爆破含纤维素的原料的方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟，每隔5-12秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压；所述将蒸汽爆破产物与酶混合的方法包括先将部分蒸汽爆破产物与酶混合得到混合物，然后将剩余的蒸汽爆破产物连续加入与所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度不高于150克/升；所述先与酶混合的蒸汽爆破产物的重量为全部蒸汽爆破产物重量的10-30重量％。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，含纤维素的原料在所述保温压力装置中保持4-7分钟，每隔7-10秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压。

3、根据权利要求1所述的方法，其中，每次释放到常压的含纤维素的原料为保温压力装置中含纤维素的原料总量的6-15重量％。

4、根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，每次释放到常压的含纤维素的原料为120-180克。

5、根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述保温压力装置的温度为180-200℃，压力为1.4-2.0兆帕。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述剩余的蒸汽爆破产物的加入速度使蒸汽爆破产物在反应体系中的浓度为100-150克/升。

7、根据权利要求1所述的方法，其中，将部分蒸汽爆破产物与酶混合时，该方法还包括加入水，以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，蒸汽爆破产物的含量至少为1重量％。

8、根据权利要求7所述的方法，其中，以蒸汽爆破产物的干重计，以得到的混合物的重量为基准，蒸汽爆破产物的含量为1.2-10重量％。

9、根据权利要求1所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的含水量为30-60重量％。

10、根据权利要求9所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的含水量为35-50重量％。

11、根据权利要求1、2、3、9或10所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的大小为0.5-3厘米×0.2-1厘米×0.2-1厘米；所述含纤维素的原料为秸秆。

12、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，以每克蒸汽爆破产物的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位；所述酶解的温度为45-55℃，所述酶解的时间为25-48小时，所述酶解的pH值为3-7。

13、根据权利要求12所述的方法，其中，所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶，以每克蒸汽爆破产物的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8酶活力单位。

14、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，所述发酵的温度为30-36℃，发酵的时间为32-48小时。

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