CN101641445A - 用于乙醇生产的纤维素原料的处理方法 - Google Patents

用于乙醇生产的纤维素原料的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及将纤维素原料转化成乙醇的方法，该方法包括向纤维素原料中加入能够促进糖释放的酶，从而形成纤维素原料和酶的混合物；用微波能处理所述混合物，从而增强所述酶对纤维素原料的酶解以释放糖；和对所述经处理的混合物进行发酵反应，以形成乙醇。

Description

用于乙醇生产的纤维素原料的处理方法
发明领域
本发明涉及通过微波能处理纤维素原料，从而提高经处理原料的降解和酶解以用于乙醇生产。
发明背景
植物废料(生物质，biomass)由五种主要成分组成：纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白和灰分。纤维素通常是基于葡萄糖的线性、无支链均聚物(即多糖)，具有较高分子量。半纤维素一般是D-葡萄糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖和D-木糖的支链和/或无支链聚合物，每个聚合链上具有约100-200个糖残基。木质素是无定形的交联酚类聚合物，其仅存在于维管植物中，并占多数木材的20-30％。
生物质的加工在诸如燃料和乙醇生产、废物处理、制浆和造纸、食品生产和能源生产等多个行业中都至关重要。例如，已知纤维素原料出于多个目的(包括获得其它化学物质、食品和燃料等的原料)而将纤维素原料水解成单糖。另外，将生物质转化为可直接作为食物或化学试剂使用的糖是规划长期航天任务的重要方面。在多种农业产品中，仅一半的作物是可食用的。在不可食用部分中，约50-68％是能够被还原成可发酵糖的多糖。剩余部分为基本不可利用的木质素。
通过水解对多糖进行还原是本领域所熟知的。通常使用两个基本方法：(1)化学处理，例如利用酸性催化剂进行还原；和(2)利用酶或微生物进行生物降解。这些方法通常包括一个或多个预处理，以提高水解反应率和产率。预处理一般通过打乱进料的物理和分子结构和/或把木质纤维素原料片段化成其木质素、半纤维素和纤维素成分来增加可还原多糖的利用度和表面积。
在美国(US)，由谷类生产的乙醇通常被用作汽车燃料添加剂。乙醇生产过程的副产物通常被用作动物饲料。然而，随着全世界对汽车燃料中所用乙醇的需求快速增加，乙醇的副产物不再被用作动物饲料。采用技术手段使这些副产物的价值最大化同时使其生产成本最小化，对于乙醇工业的持续发展至关重要。
在美国，乙醇的大规模生产始于20世纪70年代晚期，除了在20世纪90年代中期出现短暂下降之外，乙醇的生产稳定增长。自2001年以来，增长速率快速增加，在2003年的生产量达到28.1亿加仑。有多个因素影响着目前不断增长的乙醇需求量。这些因素包括高昂的石油价格以及需求环境友好型燃料含氧化合物(oxygenate)以替代甲基叔丁基醚(MTBE)。
US 5196069涉及在存在有机酸、超大气压的条件下将纤维素废物转化成糖的设备和方法。该发明尤其适合在外层空间进行的处理。然而，该发明并不特别适合诸如由纤维素原料生产乙醇的工业应用。
随着由纤维素原料生产乙醇的需求的增加，需要提高产量并增强所涉及的酶促过程。
本发明人发现用微波能进行预处理可以提高乙醇生产的产量，并且该方法的实施无需超大气压力。
发明内容
第一方面，本发明提供了在醇发酵中增强糖释放的方法，该方法包括向纤维素原料中加入酶，用微波能处理所述纤维素原料和酶的混合物，从而增强纤维素原料的酶解。
第二方面，本发明提供了将纤维素原料转化成乙醇的方法，该方法包括：
向纤维素原料中加入能够促进糖释放的酶，从而形成所述纤维素原料和酶的混合物；
用微波能处理所述混合物，从而增强所述酶对纤维素原料的酶解以释放糖；和
对所述经处理的混合物进行发酵反应，以形成乙醇。
第三方面，本发明提供了促进纤维素原料释放糖以用于发酵的方法，该方法包括：
向纤维素原料中加入能够从纤维素原料中释放糖的酶，从而形成反应混合物；
用微波能将所述反应混合物处理足够长的时间，从而增强可发酵糖从纤维素原料的释放；和
利用酵母对所述经处理的反应原料进行发酵反应，以形成乙醇。
优选地，所述纤维素原料选自任何合适的纤维素生物质原料，包括农业废物(例如玉米秸秆(corn stover)、谷类稿秆(cereal straws)和蔗渣(sugarcanebagasse))、来自工业处理的植物废物(例如锯屑或纸浆)、专门为燃料生产而栽培的能源作物(例如柳枝稷(switch grass))、其成分和其混合物。更优选地，所述纤维素原料为玉米秸秆。
所述酶优选选自淀粉酶、α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、植酸酶、磷酸酶、碳水化合物水解酶、木聚糖酶、纤维素酶、半纤维素酶和其混合物或其组合。优选地，所述酶为淀粉酶、α-淀粉酶或葡糖淀粉酶。
加入的所述酶可以在每公吨(1000kg)纤维素原料约100g-10000g的范围，通常为每公吨约500g-5000g。优选地，所加入的酶为每1000kg纤维素原料约1000g-2000g。可以理解，酶的量和种类由待处理或加工的纤维素原料决定。
优选地，所述微波能的频率为2.45GHz的数量级或者在900MHz的频率范围内。可以理解，所述频率可以根据世界不同国家或区域所使用的核定微波频率而变化。所使用的实际频率不会对本发明产生具体的实质性影响。
优选利用微波能进行所述处理从而有效控制所述酶混合物的温度。通常，所述温度为约50℃至小于约100℃。优选地，所述温度为约60℃-90℃，或更优选约65℃-78℃。对于多种淀粉酶，所述温度优选为约70℃。
许多酶都具有优选的活性温度范围，可以针对特定的酶或酶混合物选择温度。由于一些合适的酶可能不耐热或对温度敏感，期望不使用使酶失活的过高温度。可以理解，期望温度或可控温度的确定在本领域操作人员的技能范围之内。
可以以连续或分批的方式进行微波能处理。
优选地，利用微波能纤维素原料进行处理达到约10分钟每千克纤维素原料。
本发明通过微波能或辐射的使用来增强所述酶对其底物的作用。用于对本发明进行说明的微波频率在2.45Ghz的数量级内。该频率是可在澳大利亚使用的频率，而其它频率(例如915MHz)也可以用于本发明。所需微波能的量依赖于纤维素原料和酶混合物内存在的水分。由于不同的纤维素原料可能具有不同的介电常数，所使用的微波能的量还依赖于所处理的原料的类型。具有高介电常数的原料优先吸收微波能，并且由此在介电常数低的化合物之前被加热或作用。然而，也可以使用其它加热机制使酶溶液或底物达到酶的活化温度，然后在该温度点应用微波处理。
在优选的形式中，应用微波能以有效控制反应混合物的温度。另外，已经发现，优选以连续的方式将微波能应用于所述混合物。
处理时间可以根据酶、底物和待处理原料的量而变化。已经发现，约10分钟的微波处理尤其适合处理添加了水和酶的米糠。
一般通过微生物发酵进行发酵反应。优选利用酵母进行微生物发酵。
可以针对目前的乙醇生产方法(例如湿磨法和干磨法)对本发明的方法进行适应性改进。
在本说明书中，除非上下文需要，否则术语“包括”(comprise及其变体如comprising或comprises)可理解为包括所陈述的要素、整体或步骤，或要素、整体或步骤的组，但不排除任何其它的要素、整体或步骤，或要素、整体或步骤的组。
本文所包含的对文献、操作、原料(材料、物质)、设备、物品等的任何讨论都仅是出于提供本发明上下文的目的。不应由于其出现于本发明各权利要求的优先权日之前，而认为任何或所有这些事项构成现有技术基础的一部分，或是本发明相关领域的常识。
为了更清楚地理解本发明，将参考以下附图和实施例对优选的实施方式进行描述。
附图说明
图1表示由谷物生产乙醇的湿磨法的示意图。
图2表示由谷物生产乙醇的干磨法的示意图。
具体实施方式
乙醇已经成为重要的可再生能源。在2006年，美国所消耗的40％以上的汽油是乙醇含量为至少10％的混合物。几乎所有的乙醇都是通过生物质(尤其是谷物)的发酵和蒸馏而产生的。在美国，玉米是目前应用最广泛的原料。
可再生能量的生产中有三个重要因素：a)使所使用的能量最小化以使获得的净能量最大化，b)使生产过程中产生的环境负面影响最小化，和c)使副产物的价值最大化。
燃料乙醇的生产
燃料乙醇的工业生产方法有两种，湿磨法和干磨法。在美国，绝大多数乙醇加工厂使用干磨法。
在湿磨中，首先检查和净化玉米进料。然后，将其在水中浸泡30-40小时，从而启动对淀粉和蛋白质连接的降解。下一步骤是粗磨，以从剩余的籽粒中分离胚芽。对由纤维、淀粉和蛋白组成的剩余浆料进行细磨和筛选，以将纤维从淀粉和蛋白中分离。在水力旋流器中从剩余浆料中分离淀粉。然后将淀粉用于发酵过程。通常在使用前将其它副产物进行干燥。湿磨是成本高且复杂的过程，主要用于少数极大型的工业加工厂。
在干磨中，将整个玉米籽粒磨成“粗粉(meal)”并进行加工，而无需对谷物的各种成分进行分离。将所述粗粉与水一起浆化以形成“醪液(mash)”。向所述醪液中加入热稳定性酶(通常为α-淀粉酶)，以将淀粉转化成葡萄糖。在其后的“液化”步骤中，由喷射式蒸煮锅(inject cooker)注入蒸汽，从而在高于100℃的温度下蒸煮醪液。这样可以降低细菌水平，并降解籽粒胚乳内的淀粉颗粒。将浆料冷却至约80℃，并加入更多α-淀粉酶，以使淀粉聚合物进一步片段化。最后，在称为“糖化”的过程中，将浆料冷却至约30℃，加入不同的酶(通常为葡糖淀粉酶)，该酶将启动由淀粉至糖(葡萄糖)的转化，并且这种转化贯穿于微生物发酵过程中。
这两种方法使用了相似的发酵方法。将淀粉或浆料置于发酵罐中，加入酵母，以将单糖转化成乙醇。发酵后，液体浆料中的乙醇含量为约10wt％-12wt％。将该浆料蒸馏，产生乙醇含量约95wt％的产物。通常利用分子筛除去残留的水。
蒸馏后的残留产物称为酒糟(stillage)，由液体(主要为水和一些乙醇)和玉米固体组成。利用离心机从所述固体(称为湿饼)分离大部分所述液体(称为稀酒糟)。
将一些稀酒糟回收到该过程的起点。利用蒸发器处理剩余物，以产生被称为糖浆的稠化副产物。在多数情况下，将所述糖浆重新混合到湿饼中。因此，在干燥后将产物称为“酿酒后的干谷物及可溶物(或称为干酿酒谷物及可溶物，distillers’dried grain with solubles)”或DDGS。尽管可能存在一些将DDGS作为动物饲料的局部需求，但大多数DDGS必须被干燥至水分含量为12％或更少，否则湿饼的储存期仅有2天或3天。DDGS的产量很大，通常年产5千万加仑的干磨乙醇加工厂每年产生166,000吨干燥DDGS。DDGS的价值对加工厂的经济效益至关重要。
目前的乙醇生产方法
乙醇副产物的性质和价值受到生产过程中用于完成淀粉提取的技术的影响。当前主要有两种常见的乙醇生产方法。它们一般被称为“湿磨法”和“干磨法”，下文中将分别对其进行简述。
湿磨及其副产物
湿磨法将玉米分离成玉米的四种主要成分：纤维、蛋白、油和纯化的玉米淀粉。该方法将浸泡水、纤维、胚芽粗粉和面筋(gluten)分离，所有这些都可用在动物饲料产品中。下文所示的流程图对湿磨法进行了详细说明(参见图1)。
虽然与干磨相比，湿磨具有更高的资金和能量花费，但其产生的更宽泛的产物可弥补这些花费。通常较大较完备的企业使用湿磨。
湿磨副产物
本文列出的四种副产物占所加工玉米的约25％-30％。
玉米面筋饲料(corn gluten feed)是中间的蛋白产物，其富含高度可消化的纤维。它可以包含或不含浓缩的玉米提取物。该产物以湿或干的形式出售。所述干形式合并了糠(bran)和浓缩提取物(有时为胚芽粗粉)。干燥的玉米面筋饲料随后被制成粒以方便处理。玉米面筋饲料的分析结果通常为21％蛋白、2.5％脂肪和8％纤维。不进行干燥，以类似的方式合并湿玉米面筋饲料(45％干物质)。这是易于在6-10天内腐烂的产物，并且必须喂食，或在厌氧环境中储存。在两种形式(干形式和湿形式)中，该副产物广泛用作奶牛和肉牛、家禽、猪和宠物的完全饲料。
玉米面筋粗粉是高蛋白的浓缩物，通常含有60％蛋白、2.5％脂肪和1％纤维。它是蛋氨酸的重要来源。玉米面筋粗粉还具有一定量的叶黄素，其为家禽饲料的生产提供了有效的黄色染料成分。玉米面筋粗粉还是优异的牛饲料，提供高水平的过瘤胃蛋白。
浓缩的玉米发酵提取物，或玉米浆(corn steep liquor)是高能量的液体饲料成分。在50％固体基础上对蛋白数值进行分析的结果为25％。有时将该产物与玉米面筋饲料合并。它还可以作为颗粒粘合剂出售，并且是维生素B和矿物质的来源。
玉米胚芽粗粉呈金黄色，并且主要为面筋(玉米籽粒的高蛋白部分)。玉米胚芽粗粉的分析结果通常为21％蛋白、2％脂肪和9.5％纤维。它还具有平衡的氨基酸，从而使其在家禽和猪日粮中颇有价值。它还用作液体饲料养分的载体。
酶解
自20世纪50年代以来，酶在玉米淀粉加工中的作用越来越重要。现在，酶在相对温和的温度和压力下进行反应，而在以前，相同的反应需要使用酸并在高温和高压下才能进行。酶对淀粉分子的降解是一个具有两个步骤的过程。起初，α-淀粉酶将构成淀粉的大直链淀粉和支链淀粉分子裂解成可溶的糊精片段。所产生的淀粉浆具有类似于肉汤的稠度。
葡糖淀粉酶对肉汤样糊精进行糖化，将聚合物水解成其单个的葡萄糖单元。从糊精的末端(包括支链淀粉的分支点)切下连续的单元。可以将所产生的葡萄糖加工成为成品糖浆、干葡萄糖或可以将其发酵以产生燃料用或饮料用乙醇。
干磨及其副产物
干磨是指在大多数农场乙醇生产设备中使用的干磨乙醇生产法(Dry GrindEthanol Process)(参见图2)。该方法利用最少量的研磨来获得乙醇生产中消耗的淀粉。
该方法的两种主要副产物为“酿酒可溶物(distillers′solubles)”和“酿酒谷物(distillers′grains)”。在乙醇生产中，玉米籽粒中由蛋白、脂肪、矿物质和维生素组成的30％的部分没有得到利用。干磨将这些组分浓缩成常用于动物饲料的酿酒谷物。
与湿磨相同，利用α-淀粉酶和葡糖淀粉酶将淀粉降解成用于发酵的单糖。玉米通常具有低水平的可溶氮，因此，酵母生长速度低且需要较长的发酵时间或需加入尿素。加入少量的蛋白酶也有助于使酵母获得氮，并减少发酵时间，使对尿素的需求最小化。
在发酵过程中，天然的酶也是具有活性的。酵母产生植酸酶，这是将发现于植物原料中的植酸转化成可被酵母利用的磷形式的酶。植酸酶可有效地将磷转化成可被动物利用的形式，因此越来越多地被用作含有干酿酒谷物及可溶物(dried distillers grain with solubles，DDGS)的家禽和猪饲料的添加剂。然而，植酸酶对大于100℃的温度敏感。目前的干燥技术会使酿酒谷物中残存的天然植酸酶变性和失活。
如图2所示，乙醇蒸馏产生完整酒糟(whole stillage)，即悬浮谷物固体和水的混合物。其它人员已经将完整酒糟描述为具有经搅拌的浓鸡汤面条的大致稠度。由于其具有高的养分水平，完整酒糟往往迅速腐败，因此需要立即进行加工以使损失最小化。
将完整酒糟进行离心可以快速地从酿酒谷物中分离出大量的水。该过程产生的固体通常称为“湿饼”。
通过所述离心排出的液体被称为“稀酒糟”。该排出物包括从湿的酿酒谷物中除去的所有水以及酿酒谷物的水溶性部分。稀酒糟中存在的酿酒谷物在溶液中极其稳定。这种性质使得有可能从该混合物中除去很大比例的水分，而不会在蒸发器中产生过量的物质累积。
通过在逐渐降低的压力下进行操作，多效蒸发器可以再利用之前阶段产生的蒸汽凝结物从而获得额外的加热作用。使用三效蒸发器可以利用1磅蒸汽(相当于约1,000BTU)除去数磅的水。
利用现有干燥技术干燥湿饼的最后阶段是最困难的，并且是最耗能的步骤，需要1,220-1,350BTU来除去1磅水。开发出能够保留和/或增强DDG和DDGS营养价值的更有效的干燥技术对于扩大乙醇副产品的市场至关重要。
由于干磨法的初始投资较少并且能耗较低，所以较小的新创企业通常优选干磨法。
微生物发酵
利用诸如酵母的微生物以乙醇生产领域已知的常规方式对经处理的纤维素原料进行发酵。
工业微波炉
工业微波炉已经被广泛使用了至少50年。其主要应用包括烹饪和加工人用食品，以及干燥诸如木质产品的多种材料。本领域技术人员了解如何为本发明选择、构建或调整合适的微波炉。
一种工业用炉是约1平方米的无缝焊接钢盒，但其尺寸可以改变。该炉的前面具有进口，并且经设计该炉可以阻止微波能的泄漏。
批次处理时，将材料置于炉内，并用微波能处理适当长的时间。
在所述炉的顶部是一个或多个旋转的偶极天线，其向炉腔内发射微波功率。天线的旋转保证了微波能在炉内的均匀分布。所述天线通过矩形导波管与产生微波能的发射元件(transimitter unit)相连。可以根据设计容量由一个或两个发射器向所述炉提供微波能。
所述发射器利用水冷磁控管产生微波能。通常每台发射器产生达75千瓦的能量且转化率约为85％。
向磁控管供应的高压电力从480伏三相供电电压(通过功率控制电路)逐步上升至10千伏，其利用高压整流桥转化为DC电流。在本申请中使用915MHz的频率，这可以深入穿透材料并产生高功率。
磁控管的输出通过被称为“循环器”三端器件相连接。它将频射(RF)能发送至炉供料波导管(oven feed waveguide)内和/或水冷假负载内。循环器通过自动向假负载递送反射的(逆)RF能量来保护系统。这种保护可能由于炉内的荷载不足、炉内电弧、导波管受损或炉受损、或其它故障情形而发生。
发射器箱还可以安装过程控制计算机和相关的电控。该计算机与位于炉上的触摸屏LCD用户界面(touch screen LCD user interface)相连。所述计算机使发射器和相连炉的操作、监测和安全特性自动化。该计算机可以以脉冲或连续的方式将微波功率输出准确控制在1千瓦的分辨率内。
另一种尤其适合本发明的工业炉系统包括以水平进料线(feed line)排列的数个如上所述的独立蒸煮炉(或腔)。在该排列中，根据设计容量，通常每条线使用2、3、4、5或更多个炉。各个炉均为约1平方米的无缝焊接钢盒，但其尺寸可以改变。各个炉均有进口和出口，并且经设计该炉可以阻止微波能的泄漏。
连续处理时，利用传送带等使材料移动通过位于各炉两侧的口。可以通过封闭的风室(plenum)连接炉箱，并且所述传送带移动通过该风室。第一个和最后一个炉均有插销式频射扼流圈(pin-type radio frequency choke)，这可以抑制微波能的泄漏，从而使传送带的末端处于开放状态，用于装载或卸载产物。可以提供一个或数个屏蔽通风口(screened vent opening)以排放废气。这些通风口与高容量鼓风机以及导管系统相连。
在连续处理中，使待处理的材料通过一个或多个炉，在通过时间内完成适当的微波处理。
微波处理
在传统加热中，热源由外向内地对分子发生作用，从而依次加热连续的分子层。该过程使材料中的各个分子都被加热至某种程度，并常常引起材料的外层过度干燥。
为了防止过度干燥对养分的损害，人们尝试通过使用回转炉和环形干燥器将待干燥的粒状材料的所有表面都曝露在热气流中。这可以使传递至颗粒的热量和从颗粒传递出的水的质量最大化。
微波利用以光速运动的交流电磁波来传送能量。与多数分子不同，极性分子上不平衡的电荷使其与电磁场相互作用。
当微波穿过物质(或材料)时，极性分子根据电场进行运动，从而对其正电荷和负电荷进行排列。以915,000次/秒开关电场可以促使极性分子(例如水、糖和脂质)振荡。由于振动分子和周围物质之间的摩擦，而使分子运动产生热效应。由于微波传播的速度，加热效应在均质物质的整个体积内是均匀的。
在所有类型的加热中，电介质(微波)加热是唯一一种可以使产物内部温度高于其表面温度的加热方式。表面的最高温度永远不会超过使表面水蒸发所需要的温度。
工业微波的构建
通常用钢或不锈钢构建工业用微波炉。所述炉的金属构造可以捕获微波并将其反射回正在处理的产品上。
变速传送带以及计算机控制的使用使微波系统能够极好地控制干燥过程。与其它类型的加热器或干燥器相比，通过调整传送带速度，可以更严格地控制终产物中的水分含量。
微波能够有效加热的物质的厚度极限为约3英寸。除了这个限制外，微波炉的构造是极其灵活的。物质的宽度范围可以在四英尺宽度(利用一个天线)至15英尺宽度(利用位于传送带各部分的多个天线)的范围。
利用装配在炉腔顶部的旋转天线有助于产生均匀的热效应。
利用矩形铝管将微波从发射器传送到干燥器内的天线。通常将这些连接件称为“导波管”，并且可以利用标准的弯管接头和其它配件将其栓固在一起。
微波发射器产生给定频率的微波能和发射到天线的最大功率输出。发射器的部件包括磁控管、电磁铁、电源、循环器、负载水和控制件。
控制系统监测并控制该系统的性能，并促进程序化/自动化以及变量(如功率输出和处理速度)在过程中的调整。它还根据安全操作参数监测系统的操作，并在检测到不安全状况的不利情况下关闭系统。
微波设备可以包括位于传送系统进口和出口的“阻波(choking)”机制。该特征将微波泄漏降低至可检测的水平以下。微波门和封口是最容易损坏的部件。陈旧或故障的门密封件是导致微波泄漏的最常见原因。机械损伤、污垢沉积、或持续使用引起的单一磨损都可以引起门密封件的效果降低。
关于微波干燥器安装和维护的安全提示包括：
格外注意保证与微波门或门密封件接触的部分不发生任何损伤。
在接近任何可到达的开口部或在试图进行任何维修前，保证微波与电源不相连。
保证仅由接受过此类专门作业培训的人员进行使用外加电压的调整、微波功率产生元件的更换、炉元件的拆除以及导波管的改装。
不要为门连锁装置设置支路。
在其输出没有与适当荷载相连的情况下，不要对微波功率产生元件进行测试。决不能让所产生的能量自由地辐射到所占据的区域内。
方法
微波技术
微波处理包括通过影响物质中的极性分子而将交流电磁场能转化成热能。与传统加热相比，微波处理具有实质性优点，包括速度、温度均一性以及所加热物质对能量的高水平吸收。
酶
适合本发明使用的酶包括淀粉酶、α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、植酸酶、磷酸酶、碳水化合物水解酶、木聚糖酶、纤维素酶、半纤维素酶及其混合物或其组合。
可溶性和不溶性非淀粉多糖(Non-Starch Polysaccharides，NSP)分析
利用流线试验(stream-lined assay)测定米糠中可溶性和不溶性NSP的水平。将样本(100mg)进行碾磨以通过0.5mm的筛子。然后利用乙醇∶水混合物(85∶15；2ml)在80℃萃取样本5分钟，共萃取两次，以除去可溶性糖。
水解
在100℃，利用3ml1M H2SO4水解残留物2小时。将部分水解产物(0.4ml)转移到30ml培养管中，并加入0.10ml of28％NH3。加入50μl肌醇(4mg/ml)和50μl阿洛糖(4mg/ml)作为内标。混合物在氮气下40℃干燥。
还原
按照以下阐述使用硼氢化钠来还原单糖。向糖水解物和内标的混合物中加入水(0.2ml)、绝对乙醇(0.2ml)和3M氨水(1滴)。充分混合后，加入新鲜制备的0.3ml NaBH4(通过在每毫升3M NH4OH中溶解50mg钠制得)。然后盖上试管，并在40℃水浴中温育1小时。
乙酰化
向被还原的混合物中加入5-7滴冰醋酸以分解过量的NaBH4。然后加入0.5ml 1-甲基咪唑和5ml乙酸酐，混合，并在室温下放置10分钟。加入绝对乙醇(0.8ml)，混合并在室温下放置10分钟，以使糖发生乙酰化。然后将样本置于冰浴中，并向每个试管中加入5ml H2O以分解任何过量的乙酸酐。加入5ml7.5M KOH，盖上试管盖，并颠倒混合六次。再次加入5ml 7.5M KOH，加盖并再次混合。此时，可以看到澄清的乙酸乙酯上层，然后利用Pasteur吸管将该上层转移到4ml小瓶中，并在N2下蒸干。然后将蒸发产物重新溶解在0.4ml乙酸乙酯中，利用Varian 3400CX气相色谱设备对糖进行定量。
将一式两份的样品水解，并对产生的产物进行两次测定。假定聚合的阿拉伯木聚糖的水平由木糖骨架和阿拉伯糖侧链构成。考虑到水的缩合，利用0.88的聚合因子由成分糖的水平计算阿拉伯木聚糖的水平。假定其它多糖(葡聚糖、半乳聚糖和甘露聚糖)为线性聚合物，利用0.9的聚合因子计算其水平。
游离糖的分析
利用二乙醚(5ml)萃取样本(100mg)两次以除去脂肪和色素，并以3000g离心15分钟。除去上清。然后用80％乙醇萃取残留物并离心(3000g，15分钟)。取出上清，在N2下干燥，并在1M H2SO4中于100℃水解2小时。还原和乙酰化同可溶性和不溶性NSP测定中的阐述。
试验
试验1
目的：评价改变酶补给量和微波处理时间对糖释放的影响。
方法：12份米糠样本(5kg)和酶(Biofeed Plus，Novo Nordisk，由Humicolainsolens的深层发酵产生的糖酶制剂)。所述酶将阿拉伯木聚糖和β-葡聚糖水解成寡糖以及一些单糖、二糖和三糖。以两个不同水平(推荐剂量率为500g/吨和1000g/吨)加入到8个所述样本中的Biofeed Plus还含有其它糖酶活性，包括纤维二糖酶、半纤维素酶和纤维素酶。在微波处理前向每个样本加入5L水。然后将所有样本置于65℃并在该温度下保持5分钟(具有prefix-MV的所有样本)或10分钟(具有prefix-MMV的所有样本)，之后将温度升至85℃，并再次保持5分钟以使酶失活。所使用的微波频率为2.45GHz。结果如表1所示。
在该试验中使用的米糠含有25％基本不可溶的NSP。大约50％的NSP为纤维素，其余的为阿拉伯木聚糖。
表1：酶添加和微波处理对米糠中糖类组分的作用
  样本   RIB   ARA   XYL   MAN   GAL   GLU   所释放的糖总量(g/kg)
  对照1   0   0   0   2.72   0   5.44   8.15
  对照2   0   0   0   1.80   0   4.44   6.23
  平均值   0   0   0   2.26   0   4.92   7.19
  BF500-MV-1   0.41   0.71   0.51   3.30   1.80   24.80   28.49
  BF500-MV-2   0.35   0.66   0.44   2.60   1.56   24.79   27.34
  平均值   0.38   0.69   0.48   2.95   1.68   24.79   27.91
  BF500-MMV-1   0.53   0.25   0.33   5.67   1.49   38.80   42.34
  BF500-MMV-2   0.49   0.34   0.22   4.82   1.07   34.36   37.15
  平均值   0.51   0.29   0.27   5.25   1.28   36.58   39.75
  BF1000-MV-1   0.32   0.89   0.74   2.48   1.69   20.00   23.47
  BF1000-MV-2   0.39   0.42   0.25   3.16   1.42   23.19   26.02
  平均值   0.35   0.65   0.49   2.82   1.55   21.59   24.74
  BF1000-MMV-1   0.48   0.55   0.49   3.84   1.72   30.55   33.83
  BF1000-MMV-2   0.50   0.35   0.21   4.73   1.28   34.19   37.13
  平均值   0.49   0.45   0.35   4.28   1.50   32.37   35.48
  CRLT-MV1   0.39   0.58   0.38   3.37   1.55   24.85   27.98
  CRLT-MV2   0.32   0.45   0.32   3.20   1.24   23.04   25.69
  平均值   0.35   0.51   0.35   3.29   1.39   23.95   26.84
  CRLT-MMV-1   0.67   0.32   0.25   5.78   1.25   41.40   44.55
  CRLT-MMV-2   0.57   0.37   0.28   4.89   1.34   36.32   39.36
  平均值   0.62   0.34   0.27   5.33   1.29   38.86   41.95
结果：微波处理主要释放阿拉伯糖(ara)、木糖(xyl)和葡萄糖，以及痕量的核糖(rib)、半乳糖(gal)和甘露糖(man)。所述有益效果似乎主要来自微波处理本身而非酶，这表明在微波处理过程中酶可能失活。本试验的有趣结果是，与进行较短时间(5分钟)微波处理的样本相比，较长时间(10分钟)的微波处理使糖释放量显著提高(32.26％以上)。还可以得到以下结论：糖的释放量与酶浓度无关。在该试验中，样本量由早期试验的200g样本增至5kg样本，而对糖释放的提高效果相似。
试验2
目的：测定所处理进料的量和浸泡时间是否改变从米糠释放的糖的量。
方法：4份米糠样本(20kg)和以1000g/kg的水平加入的酶(Biofeed Plus，Novo Nordisk)。将所有样本置于65℃并在该温度下保持10分钟，之后将温度升至85℃，并再保持5分钟以使酶失活。微波处理前，使2个样本(具有SK prefix的样本)在水中浸泡24小时。样本以10kg分批处理，并在微波处理前向糠中加入10L水。所使用的微波频率为2.45GHz。游离糖的释放结果如表2所示。
表2：在大规模处理中，酶添加和微波处理对米糠中碳水化合物组成的作用
样本 RIB ARA XYL MAN GAL GLU   所释放的糖的总量(g/kg)
  对照1   0   0   0   2.72   0   5.44   8.15
  对照2   0   0   0   1.80   0   4.44   6.23
  平均值   0   0   0   2.26   0   4.92   7.19
  米糠SK-1   0.68   0.83   0.49   16.49   1.11   67.43   87.03
  米糠SK-2   0.59   0.81   0.46   15.03   0.92   68.70   86.51
  平均值   0.64   0.82   0.48   15.76   1.01   68.07   86.77
  米糠MV-1   0.68   0.50   0.28   14.64   1.06   60.77   77.93
  米糠MV-2   0.71   0.57   0.37   14.53   1.24   61.57   78.99
  平均值   0.70   0.54   0.33   14.58   1.15   61.17   78.46
结果：尽管批处理量增加一倍，但该处理比试验1更有效。米糠在室温浸泡24小时可引起游离糖释放量的少量增加。
试验3
目的：考虑到之前试验所得到的结果较好，决定详细分析酶和微波处理的组合对家禽用米糠营养价值的改进作用。
方法：对两份米糠(各250kg，其中一份含有酶(Biofeed Plus，NovoNordisk)，添加量为1000g/吨)进行微波处理。米糠样本以10kg分批处理，并在微波处理前加入10L水。所使用的微波频率为2.45GHz。将所有样本置于65℃并在该温度下保持20分钟。所述米糠含有13.7％蛋白和总量为26.6％NSP，所述NSP由21.1％阿拉伯木聚糖、0.4％甘露糖、1.3％半乳糖和12.8％纤维素以及痕量核糖组成。超过97％的NSP是不溶的。游离糖分析在一式三份的子样本上进行。结果示于下表3。
表3：酶添加和微波处理对用于进料试验的米糠中的糖类组成的作用
样本 RIB ARA XYI MAN GAL GLU   所释放的糖的总量(g/kg)
  对照1   0   0   0   2.72   0   5.44   8.15
  对照2   0   0   0   1.80   0   4.44   6.23
  平均值   0   0   0   2.26   0   4.92   7.19
  酶+MV1   t   t   t   8.62   1.67   58.01   68.29
  酶+MV2   t   t   t   8.67   1.70   58.51   68.88
  酶+MV3   t   t   t   8.58   1.73   58.78   69.09
  平均值   8.62   1.70   58.43   68.75
  对照+MV1   t   t   t   7.62   1.52   55.90   65.04
  对照+MV2   t   t   t   7.74   1.45   55.96   65.15
  对照+MV3   t   t   t   7.78   1.51   56.59   65.88
  平均值   7.62   1.52   55.90   65.04
结果：通过微波处理从两个样本(有酶的样本和无酶的样本)中释放的游离糖的量非常相似，这与之前的结果一致。
试验4
目的：测定酶的加入和/或微波处理能否增强游离糖从菜籽粕(canola meal)样本的释放。
方法：4份菜籽粕样本(每个2kg)，其中两个样本以800g/吨的剂量率添加了商业酶(“Energex”，Novo Nordisk β-葡聚糖酶)。微波处理前向各样本中加入2L水。将所有样本置于68℃并在该温度下保持5分钟，之后将温度升至85℃并再次保持5分钟。所使用的微波频率为2.45GHz。对于各个处理的分析，使用的样本均一式两份。结果示于下表4、5和6。
在试验4(表4-6)中，采用了4份样品。每份样本一式两份进行检测。四份分别是(1)对照，(2)对照+酶，(3)对照+微波处理，以及(4)对照+酶+微波处理。在第2份样本和第4份样本中使用了相同的酶。
E1对照+酶
E2对照+酶(注意E1和E2一式两份)
MV 1微波(无酶)
MV 2微波(无酶)(注意MV 1和MV 2一式两份)。
Figure G2007800444852D00181
Figure G2007800444852D00201
结果：表4表明，与对照样本相比，酶处理能够释放更多的葡萄糖。利用微波处理获得的葡萄糖的水平略有增加。通过对菜籽粕/酶混合物进行微波处理获得了最高的葡萄糖水平。所获得的半乳糖的结果与葡萄糖相似但水平相对较低。
表5结果表明在没有酶的情况下，微波处理可具有一定的效用。
表6的结果表明微波处理和菜籽粕/酶混合物的微波处理产生最高水平的葡萄糖释放。
利用微波能和酶处理可从纤维素原料中释放更多的糖，由此使经处理的原料产生更多的乙醇。如果可以得到更多的游离糖，那么由于可以有更多用于发酵的起始糖因而可能产生更多的乙醇。
本领域技术人员可以理解，如具体实施方案所示，可以进行多种变式和/或改进而不脱离本发明广泛阐述的精神或范围。因此，应当认为在所有方面中本文的实施方案仅作为示例，而没有限制性。

Claims (18)

1.将纤维素原料转化为乙醇的方法，其包括：
向纤维素原料中加入能够促进糖释放的酶，从而形成纤维素原料和酶的混合物；
用微波能处理所述混合物，从而增强所述酶对所述纤维素原料的酶解以释放糖；和
对所述经过处理的混合物进行发酵反应，从而形成乙醇。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述纤维素原料是选自农业废物、来自工业处理的植物废物、能源作物、其组分、或其混合物的纤维素生物质原料。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述农业废物为玉米秸秆、谷类稿秆或蔗渣，所述来自工业处理的植物废物为锯屑或纸浆，所述能源作物为柳枝稷。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述纤维素原料为玉米秸秆。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述酶选自由以下组成的组：淀粉酶、α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、植酸酶、磷酸酶、碳水化合物水解酶、木聚糖酶、纤维素酶、半纤维素酶、和其混合物或组合。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述酶为α-淀粉酶。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述酶的添加范围为500g/吨-5000g/吨。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述酶的添加量为1000g/吨-2000g/吨。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述微波能的频率为2.45GHz或者在900MHz的频率范围内。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中利用微波能进行处理由此有效控制所述混合物的温度。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述温度为65℃-78℃。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述温度为约70℃。
13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中利用微波能以连续或分批的方式进行所述处理。
14.如权利要求13所述的方法，其中微波能进行的处理约达10分钟每千克纤维素原料。
15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中通过微生物发酵进行所述发酵反应。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述微生物发酵使用了酵母。
17.如权利要求1-16中任一项所述的方法，其在湿磨乙醇生产中实施所述方法。
18.如权利要求1-16中任一项所述的方法，其在干磨乙醇生产中实施所述方法。
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