CN101899478B - 一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法 - Google Patents

一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，采用先将预处理后的秸秆类木质纤维素原料进行前酶解，然后再加入酿酒酵母进行酶解同步发酵。本发明将经预处理后秸秆类木质纤维素的原料，先进行前酶解过程，原料中的大部分纤维素(约占纤维素总量的80％)在此过程中转化为小分子的糖，然后再加入一定量的酵母，让酶解和发酵同时进行，剩余部分的纤维素原料继续进行酶解，同时酶解过程中的葡萄糖及时转化为酒精，解决了酶解过程的反馈抑制作用，提高了纤维素转化酒精得率。

Description

一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种利用秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，属于生物质化工技术领域。
背景技术
木质纤维素资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木素。其中，纤维素、半纤维素是可发酵糖的来源，含量占木质纤维的66～75％(纤维质原料的绝干重量)。秸秆类木质纤维素大量存在于自然界中且能够不断再生，但其利用度相当低，只有极少部分被用作造纸原料、饲料和制备化学品。以木质纤维素为原料制备乙醇是这类原料能源化利用最为广泛的课题。
木质纤维素原料的结构非常复杂，必须经过一定的处理，使其降解成为小分子糖，然后通过酵母发酵成乙醇。
最初的纤维素酶解发酵制备乙醇是酶解及发酵分步进行，天然木质纤维素原料经预处理后直接进行酶水解时，由于纤维素结构的特性，造成纤维素酶解时间长，完全酶解需72小时，同时由于酶解时产生的纤维二糖及葡萄糖对酶的反馈抑制，使得纤维素酶解糖得率低，糖浓度低(约在12％以内)。
要提高纤维素酶解率，必须解决酶解过程中的纤维二糖及葡萄糖对酶的反馈抑制问题，而半酶解发酵同步制备乙醇的工艺中，预处理后的纤维素原料在酶的作用下先部分糖化，然后接入酵母，此时糖化产生的大量葡萄糖被酵母及时利用产生乙醇，解除了后续酶解过程中的大量葡萄糖积累对酶的反馈抑制作用，提高了纤维素转化为乙醇的速率和得率。
发明内容
本发明的目的是提供一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法。
为了实现本发明目的，本发明提供的秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，其包括如下步骤：先将预处理后的秸秆类木质纤维素原料进行前酶解，然后再加入酿酒酵母进行酶解同步发酵。
其中，所述秸秆类木质纤维素原料包括玉米秸秆、油菜秸秆、高梁秸秆、小麦秸秆、稻草秸秆或玉米芯。
所述前酶解采用纤维素酶进行酶解，纤维素酶加入量为10～30FPIU/克底物，木聚糖酶加入量为20～30FPIU/克底物，前酶解时间在12～48小时，酶解温度为49～51℃，pH为4.7～4.9。
所述前酶解可在酶解反应器中进行。
前酶解结束后即可接入酿酒酵母及相应氮源进行酶解同步发酵，发酵温度30～36℃，发酵周期为48～72h。
所述预处理的方法包括本领域从秸秆类产品中获得木质纤维素常采用的碱法处理、酸法处理。
所述碱法处理采用将秸秆类木质纤维素原料加入浓度为1.6～2.2％碱液，在90～120℃下蒸煮0.5～2小时。
所述酸法处理采用将秸秆类木质纤维素原料加入浓度为0.1～1.0％酸液，在120～180℃下蒸煮0.1～2.5小时。
本发明利用秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，该方法主要体现在经预处理后秸秆类木质纤维素的原料，先进行前酶解过程，原料中的大部分纤维素(约占纤维素总量的80％)在此过程中转化为小分子的糖，然后再加入一定量的酵母，让酶解和发酵同时进行，剩余部分的纤维素原料继续进行酶解，同时酶解过程中的葡萄糖及时转化为酒精，解决了酶解过程的反馈抑制作用，提高了纤维素转化酒精得率，提高了10％以上。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
1.8kg玉米秸秆，固液比1∶5(重量体积比)加入氢氧化钠溶液，碱液浓度1.8％，105℃条件下蒸煮1.5小时。反应结束后离心，滤渣用热水洗涤后，得滤渣3.76kg(含水份71％，干基中纤维素含量62.2％，半纤维素含25.3％，木质素含量8.2％，其它为灰份)。
然后加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至18％，调节pH到4.8，温度50℃，加入纤维素酶(20FPIU/克纤维素)及木聚糖酶(30FPIU/克纤维素)，搅拌转速200rpm/min，酶解36小时，DNS法测定酶解液的总糖浓度，高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度(总糖浓度13.54％，葡萄糖浓度8.10％，木糖浓度3.92％)。
体系降温至33℃，加入氮源100mL(2％浓度尿素)及酿酒酵母种子液0.7L，浓度3亿个/ml，开始发酵。60小时取样检测，气相色谱测定乙醇浓度为6.14(v/v)，总产酒351g，折吨玉米秸秆(干重)产酒195kg。
实施例2
7.2kg玉米秸秆，固液比1∶4.5(重量体积比)，加入氢氧化钠，碱液浓度2.0％，120℃条件下蒸煮0.5小时。反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得滤渣14.0kg(水分70.78％，干基中纤维素61.59％，半纤维素24.90％，木质素7.19％，灰分10.74％)。
加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至16％，调节pH到4.9，温度50℃，加入纤维素酶(25FPIU/克纤维素)及木聚糖酶(20FPIU/克纤维素)，酶解16小时后体系降温至33℃，加入氮源400mL(2％浓度尿素)及酿酒酵母种子液3.5L，浓度3亿个/ml，开始发酵，60小时取样检测，气相色谱测定乙醇浓度为5.6(v/v)，总产酒1310g，折吨玉米秸秆(干重)产酒182kg。
实施例3
6.4kg玉米芯，固液比1∶4(重量体积比)，加入氢氧化钠，碱液浓度1.6％，110℃条件下蒸煮1小时。反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得滤渣13.55kg(水份76.16％，干基中纤维素62.25％，半纤维素24.17％，木质素8.68％，其它为灰份)。
加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至20％，调节pH到4.9，温度49℃，加入纤维素酶(20FPIU/克纤维素)及木聚糖酶(20FPIU/克纤维素)，酶解24小时后体系降温至33℃，加入氮源400mL(2％浓度尿素)及酿酒酵母种子液4.0L，浓度3亿个/ml，开始发酵。发酵72小时后放料，气相色谱测定乙醇浓度为5.92(v/v)，总产酒1235g，折吨玉米芯(干重)产酒193kg。
实施例4
1.6kg小麦秸秆，固液比1∶5(重量体积比)，加入氢氧化钠，碱液浓度2.2％，105℃条件下蒸煮1.5小时。反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得滤渣3.6kg(水份72.58％，干基中纤维素61.93％，半纤维素25.77％，木质素7.57％，灰份4.73％)。
加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至16％，调节pH到4.8，温度50℃，加入纤维素酶(25FPIU/克纤维素)及木聚糖酶(15FPIU/克纤维素)，酶解48小时后体系降温至33℃，加入氮源400mL(2％浓度尿素)及酿酒酵母种子液0.7L，浓度3亿个/ml。发酵72小时后放料，气相色谱测定乙醇浓度为5.76(v/v)，总产酒220.8g，折吨小麦秸秆(干重)产酒138kg。
实施例5
7.5kg玉米芯，固液比1∶6(重量体积比)，硫酸浓度1.0％，120℃条件下蒸煮2.5小时。反应结束后离心，热水洗涤滤渣后得滤渣12.5kg(水份70.16％，干基中纤维素61.93％，半纤维素8.77％，木质素24.57％，灰份4.73％。)。
加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至18％，调节pH到4.7，温度51℃，加入纤维素酶(25FPIU/克纤维素)及木聚糖酶(15FPIU/克纤维素)，酶解48小时后体系降温至33℃，加入氮源400mL(2％浓度尿素)及酿酒酵母种子液3.0L，浓度3亿个/ml。发酵60小时后放料，气相色谱测定乙醇浓度为5.82(v/v)，总产酒836.8g，折吨玉米芯产酒111kg。
实施例6
1.8kg玉米秸秆，固液比1∶5(重量体积比)加入氢氧化钠溶液，碱液浓度1.8％，90℃条件下蒸煮2小时。反应结束后离心，滤渣用热水洗涤后，得滤渣3.84kg，(水份72％，干基中纤维素含量61.8％，半纤维素含24.8％，木质素含量8.0％，其它为灰份)。
加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至18％，调节pH到4.8，温度50℃，加入纤维素酶(20FPIU/克纤维素)及木聚糖酶(30FPIU/克纤维素)，搅拌转速200rpm/min，酶解72小时，DNS法测定酶解液的总糖浓度，高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度(总糖浓度14.24％，葡萄糖浓度8.46％，木糖浓度4.23％)。
体系降温至33℃，加入氮源100mL(2％浓度尿素)及酿酒酵母种子液0.7L，浓度3亿个/ml，开始发酵。60小时取样检测，气相色谱测定乙醇浓度为5.52(v/v)，总产酒304g，折吨玉米秸秆(干重)产酒168kg。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1.8kg玉米秸秆，以固液比为1:5的重量体积比加入氢氧化钠溶液，碱液浓度1.8%，105℃条件下蒸煮1.5小时；反应结束后离心，滤渣用热水洗涤后，得滤渣；
然后加入带搅拌的反应器中，加水调节干物浓度至18%，调节pH到4.8，温度50℃，分别以20FPIU/克纤维素和30FPIU/克纤维素的量加入纤维素酶及木聚糖酶，搅拌转速200rpm/min，酶解36小时，DNS法测定酶解液的总糖浓度，高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；
体系降温至33℃，加入2%浓度尿素的氮源100mL及酿酒酵母种子液0.7L，浓度3亿个/ml，开始发酵；60小时取样检测，气相色谱测定乙醇浓度，即得。
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