CN101597625A - 一种低能耗木质原料制取燃料乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
一种将木材经切片、稀酸预处理后，采用木糖液和木浆酶解液分别发酵技术制取燃料乙醇的方法，由于采用了稀硫酸预处理、高浓度磨浆/酶解新工艺，简化了生产设备，显著节约了原料预处理的电耗、操作工时和生产成本，提高了木聚糖类的利用效率，木糖回收率达到80.0％以上，纤维素酶水解的得率超过65.0％。实现了木糖和葡萄糖的高效利用和乙醇快速发酵，木糖和葡萄糖乙醇发酵的糖利用率和乙醇得率分别为82.5％、85.0％、90.0％和92.0％。
Description
一、技术领域
本发明属于生物化学工程中木质原料的酶水解技术领域，特别涉及木材原料经稀酸预处理和纤维素酶水解制备可发酵性单糖及燃料乙醇的方法。
二、背景技术
木质原料中富含纤维素和半纤维素类高聚糖，经预处理和水解后能够生成葡萄糖和木糖类可发酵性单糖，可作为糖平台化合物应用于生物化学加工，尤其是纤维素燃料乙醇的发酵生产。与一般的草类植物纤维原料相比，木材原料中聚糖类物质的含量更高，尤其是速生木材类原料在生物量、原料收集、运输和储存等环节上具有明显的优势，更加适宜于大规模的工业化生产。开发基于木材原料的燃料乙醇生产技术，不仅能够促进我国纤维素乙醇的产业发展，而且可以有力地推动我国能源林的建设和国土绿化，创建一条基于速生材树种的新型能源产业链。
在天然的木质纤维原料中，纤维素、半纤维素和木质素通过化学和物理的粘结作用形成紧密的复合体，严重阻碍了酶分子的进入和吸附，导致纤维素和半纤维素难以直接酶水解，因此必须采用一定的预处理技术以破坏它的天然结构，解除木质素的包裹和粘接作用，暴露纤维素与半纤维素的分子表面，降低它们的聚合度，进而提高它们的水解效率。当前，适用于木材原料的工业化预处理的技术主要有稀酸水解法和添加SO2或NH3的蒸汽爆破法。与蒸汽爆破法相比，用于木材类原料时稀酸水解法具有设备制造成本低廉、工艺技术成熟和原料适应性强的特点，同时它在原料木聚糖的水解溶出、木糖的收率和木糖液分离上也具有明显的优势，发展前景广阔。
与草类原料相比，天然木材原料的结构更加致密，以稀酸预处理前需要进行切片前处理。同时，研究表明木片在稀酸预处理后的外形结构仍然保持较完整，在后续的酶解过程中，纤维素素分子还是难以进入木片的内部区域。针对这一矛盾，在稀酸预处理前，木片还需要粉碎成木屑以减少原料的结构尺寸，暴露纤维素分子，以提高比表面积和纤维素酶分子对它的亲和度，进而减少酶的消耗量和酶水解成本。
木片的粉碎一般采用干法机械粉碎，单位电耗高，对粉碎设备的磨损严重，噪音大。同时，木屑经稀酸预处理后，固液分离和洗涤操作困难。如何解决木材在稀酸预处理和酶水解工艺中的上述障碍并降低能耗，是木材原料制取燃料乙醇工业化过程中的一个重要技术问题。迄今为止，未见此类专利技术的相关报道。
三、发明内容
本发明的目的是针对木材原料的结构和特点，提供一种高效、低能耗的木质原料制取燃料乙醇的方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种低能耗木质原料制取燃料乙醇的方法，其特征是将木材切片后稀酸预处理，然后分别采用木糖液兼气发酵和木浆酶水解、厌氧发酵工艺制取燃料乙醇，具体过程如下：
a.先将木材原料切成木片，在145～160℃条件下，采用浓度为0.5～2.0％(w/w)的稀硫酸，按固液比1∶8～15(w/v)预处理木片0.5～2.0h，过滤分离得木片和木糖液，再以固液比1∶5～10(w/v)水洗木片至pH 5.0得木糖稀液和稀酸预处理木片；
b.将a中所得的木糖稀液浓缩至总糖浓度30.0g/L，经碱中和后加入3.0g/L休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)，采用兼气发酵工艺，在通风量0.2～0.5vvm的条件下发酵10～14h制得燃料乙醇；
c.将a中所得的稀酸预处理木片磨浆，控制木片的浆浓10～15％(w/v)，调节粗木浆pH4.8～5.0，加入纤维素酶20～40FPIU/g纤维素和β-葡萄糖苷酶40～80U/g纤维素，在50℃±1和机械搅拌条件下酶水解粗木浆48h，离心分离得酶水解液；浓缩酶水解液至葡萄糖浓度≥120g/L，加入4.0g/L酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，采用常规厌氧发酵工艺制取燃料乙醇，发酵周期16～20h。
上述方法的具体制取过程及工艺参数参见实施例。
四、附图说明
图1为低能耗木质原料制取燃料乙醇的流程框图；
图2为木片原料稀酸预处理后所得滤液的木糖液发酵制取乙醇的效果图，反应条件是：葡萄糖和木糖的总浓度为30.0g/L，木糖占80％以上，甲酸0.7g/L，乙酸2.2g/L，氮源3g/L，pH5.0～5.2，发酵温度30℃±2，通风量0.2～0.5vvm，搅拌速率为130～150rpm，兼气发酵10～14h。采用3000rpm离心发酵醪5min，回收酵母细胞，再转接至新鲜的木糖液进行下一轮发酵，共重复三轮。图中横座标表示发酵的轮次，纵座标表示糖利用率和乙醇得率。
图3为不同尺寸规格的木材原料经稀酸预处理后的纤维素酶水解的效果图，反应条件是：总固形物10～15％(w/v)，添加纤维素酶20～40FPIU/g纤维素和β-葡萄糖苷酶40～80U/g纤维素，反应温度50℃±1，搅拌速率80～130rpm，反应时间48h。图中横座标表明物料的类型，其中1为未经稀酸预处理的木屑(0.4～0.5mm)，2为经稀酸预处理后的木屑(0.4～0.5mm)，3为经稀酸预处理后的木杆(10mm×3mm×3mm)，4为经稀酸预处理后的木片(30mm×15mm×5mm)，5为经稀酸预处理后的木片(30mm×15mm×5mm)再经高浓度磨浆得到的粗木浆。纵座标为纤维素的酶水解得率。
图4为木材原料酶水解液浓缩液的己糖发酵制取乙醇的效果图，反应条件是：葡萄糖浓度为120.0g/L，甲酸0.3g/L，乙酸0.4g/L，氮源3g/L，pH5.0～5.2，酵母浓度4.0g/L，发酵温度30℃±2，搅拌速率80～100rpm，厌氧发酵16～20h。采用3000rpm离心发酵醪5min回收酵母细胞，再转接至新鲜的酶水解液进行下一轮发酵，共重复三轮。图中横座标表示发酵的轮次，纵座标表示糖利用率和乙醇得率。
五、具体实施方式
将木材原料，如杨木经去皮后，采用螺旋面盘式机械削片机切片至长、宽、厚分别约为30mm×15mm×5mm的原木片，风干后堆积储存。
a.在间歇式不锈钢耐腐蚀型电加热回旋蒸煮器中，加入原木片，按固液比1∶8～10(w/v)加入0.5～2.0％(w/w)稀硫酸，密封蒸煮锅，调节回旋速率为1～1.5rpm，在145～160℃条件下反应0.5～2.0h。反应结束后，将反应物以不锈钢过滤网进行过滤得木片和木糖液。以1∶5～10(w/v)水洗木片至pH 4.8～5.0得稀木糖液，稀木糖液用于下一轮木片的梯度洗涤。木糖的收率达到原料木聚糖的80.0％以上，木片的过滤、洗涤速率较木屑提高40％以上，可节约40％的操作工时。
b.将a中所得的木糖液，用NaOH或Ca(OH)2中和木糖浓液至pH 5.0～5.2，调节总糖浓度至30.0g/L。添加3.0g/L氮源和适量营养盐，接入活化后的休哈塔假丝酵母到细胞浓度为3.0g/L，控制通风量0.2～0.5vvm和搅拌速率120～150rpm兼气发酵10～14h，3000rpm离心发酵醪5min回收酵母细胞，再转接至下一轮发酵。糖利用率≥82.0％，乙醇得率达到理论得率的85.0％以上。
c.将a中所得的稀酸预处理木片用通用双盘磨浆机磨木浆，调节不锈钢双盘磨浆机的磨盘间隙为0.6～1.0mm，控制木片的浆浓10～15％(w/v)，采用螺旋强制喂料，在常温和高浓条件下磨解木片得粗木浆，木浆得率≥98.5％。
调节粗木浆pH4.8～5.0，加入纤维素酶20～40FPIU/g纤维素和β-葡萄糖苷酶60～80U/g纤维素，在50℃±1和100～150rpm机械搅拌条件下酶水解粗木浆48h，3000rpm离心分离酶解体系得到酶水解液。纤维素的酶解得率≥65.0％。
采用真空减压浓缩酶水解液至葡萄糖浓度≥120g/L，以NaOH或Ca(OH)2调节pH5.0～5.2，添加3g/L氮源和适量营养，接入活化后的酿酒酵母至细胞浓度为4.0g/L。控制发酵温度30℃±2，搅拌速率80～100rpm，厌氧发酵16～20h。3000rpm离心发酵醪5min回收酵母细胞，再转接至下一轮发酵。糖利用率≥90.0％，乙醇得率达到理论得率的92.0％以上。
不同尺寸规格的杨木原料经稀酸预处理后的组成及变化如表1所示。
表1杨木原料经稀酸预处理后的组成变化(％)
| 原料类型 | 纤维素/葡萄糖 | 木聚糖/木糖 | 酸不溶木质素 |
| 杨木原料 | 38.9±0.26 | 14.3±0.05 | 27.1±0.16 |
| 杨木屑(0.4～0.5mm)预处理渣预处理液 | 54.62±0.080.32±0.02 | 1.43±0.081.35±0.05 | 34.68±0.22 |
| 杨木杆(10mm×3mm×3mm)预处理渣预处理液 | 50.30±0.100.30±0.01 | 1.55±0.061.32±0.02 | 34.31±0.07 |
| 杨木片(30mm×15mm×5mm)预处理渣预处理液 | 49.45±0.200.26±0.01 | 1.36±0.031.29±0.00 | 31.72±0.15 |
1)所有数据基于1000g绝干原料；2)预处理液的总体积以10.0L计。
表1结果表明，杨木原料的尺寸大小对稀硫酸预处理过程中木聚糖的水解和溶出的影响不大，不同规格的木屑、木杆或木片经过稀硫酸预处理后，80.0％的木聚糖都能够被稀硫酸水解成木糖并溶出，仅有8.0％以下的纤维素水解成葡萄糖溶出。这说明，本发明的稀硫酸预处理方法可以选择性地将原料中的木糖与纤维素分离，有利于后续的木糖兼气发酵和酶解葡萄糖厌氧发酵两个工序的独立进行。
由附图2可知，在不需要脱除甲酸和乙酸等抑制物的前提下，休哈塔假丝酵母可以直接发酵木片稀酸预处理得到的木糖液并生成乙醇。在含有0.7g/L甲酸和2.2g/L乙酸的木糖液中发酵10～14h后，休哈塔假丝酵母对木糖的利用率可达到82.0％以上，乙醇得率超过85.0％。同时，经过稀酸预处理液的驯化之后，回用的休哈塔假丝酵母的乙醇发酵性能呈增强的趋势。
由附图3可知，采用稀酸预处理技术可以大幅度提高木材原料的酶水解得率。未经处理的木屑的酶水解得率仅为9.0％，而经过稀酸预处理后的木屑的酶解得65.5％。且采用高浓度磨浆法可以有效地破坏稀酸预处理后木片的组织结构，提高纤维的比表面和对纤维素酶的可及度，进而显著提高木片的纤维素酶水解得率，可由木片的22.4％提高到木浆67.3％，提高幅度达到3倍以上；比稀酸预处理后的木屑原料提高2.7％。与干法粉碎得到的木屑原料相比，采用木片和湿法高浓度磨浆技术不仅可以保证酶水解得率；同时还可以节约20％以上的电耗，大大减少粉碎的噪音和对设备的磨损；而且与木屑原料相比，木片的过滤、洗涤设备简单、操作简便，可节约操作工时40％以上。
由附图4可知，经过稀酸预处理脱除大部分的木糖后，木材酶水解液的葡萄糖发酵浓度可以提高到120g/L。采用酿酒酵母发酵酶水解液浓缩液16～20h后，葡萄糖的糖利用率超过90.0％，乙醇得率达到理论得率的92.0％以上。同时，采用回收的酿酒酵母发酵的性能的呈增强的趋势。
所述的木材原料中的纤维素和木聚糖的分析测定采用美国能源部国家可再生能源实验室的标准方法(A.SLUITER，B.HAMES，R.RUIZ，C.SCARLATA，J.SLUITER，D.TEMPLETON，and D.CROCKER.Laboratory Technical ReportNREL/TP-510-42618，2008)。
所述纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的酶活力测定方法采用国际纯化学与应用化学联合会的测定方法(GHOSE，T.K.and BISARIA V.S.，(1987)Pure & Appl.Chem.，59(12)，1739-1752；GHOSE，T.K.and BISARIA V.S.，(1987)Pure & Appl.Chem.，59(2)，257-268)；
所述酶解液中的葡萄糖、木糖和乙醇的测定均采用高效液相色谱(HPLC)分析，色谱仪的系统和操作条件为：Agilent 1200色谱仪及工作站，糖柱Bio-RadAminex HPX-87H，柱温55℃，流动相为0.5mmol/L H2SO4，流速0.6mL/min，检测器为差示折光检测器(RID)。
所述的木聚糖稀酸水解和纤维素酶水解得率计算公式如下：
有益效果：由于采用了稀酸预处理、湿法高浓磨浆和纤维素酶水解技术工艺组合的新方法，木材原料的预处理电耗可节约20％以上，原料过滤洗涤的操作工时可节约40％，木糖的水解回收率达到80.0％以上，纤维素的酶水解得率超过65％。木糖发酵的糖利用率和乙醇得率分别为82.0％和85.0％，酶解葡萄糖发酵的糖利用率和乙醇得率分别为90.0％和92.0％，满足了木材类原料制取燃料乙醇的工业化生产要求。
Claims (2)
1.一种低能耗木质原料制取燃料乙醇的方法，其特征是将木材切片后稀酸预处理，然后分别采用木糖液兼气发酵和木浆酶水解、厌氧发酵工艺制取燃料乙醇，具体过程如下：
a.先将木材原料切成木片，在145～160℃条件下，采用浓度为0.5～2.0％(w/w)的稀硫酸，按固液比1∶8～15(w/v)预处理木片0.5～2.0h，过滤分离得木片和木糖液，再以固液比1∶5～10(w/v)水洗木片至pH 5.0得木糖稀液和稀酸预处理木片；
b.将a中所得的木糖稀液浓缩至总糖浓度30.0g/L，经碱中和后加入3.0g/L休哈塔假丝酵母，采用兼气发酵工艺，在通风量0.2～0.5vvm的条件下发酵10～14h制得燃料乙醇；
c.将a中所得的稀酸预处理木片磨浆，控制木片的浆浓10～15％(w/v)，调节粗木浆pH4.8～5.0，加入纤维素酶20～40FPIU/g纤维素和β-葡萄糖苷酶40～80U/g纤维素，在50℃±1和机械搅拌条件下酶水解粗木浆48h，离心分离得酶水解液；浓缩酶水解液至葡萄糖浓度≥120g/L，加入4.0g/L酿酒酵母，采用常规厌氧发酵工艺制取燃料乙醇，发酵周期16～20h。
2.如权利要求1所述的一种低能耗木质原料制取燃料乙醇的方法，其特征是木材的切片尺寸为30mm×15mm×5mm。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120829 Termination date: 20210723 |
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