CN102181510A - 一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法 - Google Patents

一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用杨树树干和树枝汽爆预处理以及发酵产乙醇的工艺方法。包括以下步骤：(1)以废弃的杨树树干和树枝为原料汽爆预处理，汽爆的压力为3.1-3.3MPa、温度为210-220℃条件下、处理45-55秒；(2)纤维素酶、木聚糖酶和果胶酶混合酶液的配制；(3)水解处理24-48小时；(4)浓缩水解液至糖浓度为70g/L；(5)发酵培养基的制备；(6)嗜鞣管囊酵母和酿酒酵母混合发酵产乙醇，得到乙醇浓度为3-6%的发酵液，发酵液中的糖醇转化率达到35-39%。本发明有利于降低石化资源的过度开发，缓解日益严重的地球温室效应，具有重大的社会效益；将价格便宜的杨树树干和树枝经过预处理并发酵生产乙醇，能够替代石油天然气等不可再生资源，经济效益显著，市场前景广阔。

Description

一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法
技术领域
本发明属于生物质资源利用领域，具体地说是利用杨树树干和树枝水解后的浓缩液发酵产乙醇的新工艺。
背景技术
利用杨树资源开发生物能源一方面有利于降低石化资源的过度开发，缓解日益严重的地球温室效应，具有重大的社会效益；另一方面，将价格便宜的杨树树干和树枝经过预处理并发酵生产乙醇，能够替代石油天然气等不可再生资源，经济效益显著，市场前景广阔。
我国杨树人工林总面积达700万hm2，位居世界第一。杨树在我国的分布很广，从新疆到东部沿海，北起黑龙江、内蒙古到长江流域都有分布。不论营造防护林还是用材林，杨树都是主要的造林树种。尤其十年来，我国杨树造林面积不断扩大，已成为世界上杨树人工林面积最大的国家。杨树木质纤维素含量丰富，是我国主要的纸浆用材树种。蒸汽爆破主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化，在多种预处理方法中，蒸汽爆破法预处理因其成本低、能耗少、无污染而受研究学者青睐。为避免粮食乙醇开发对食品和饲料等行业的冲击，采用非粮原料生产生物乙醇是目前以及未来生物质能源研究的重点。利用小麦，玉米和甜高粱等秸秆为原料制备燃料乙醇还未取得经济上的突破，开发新型的属于木本的木质纤维素原料有利于解决生物乙醇原料来源的单一化问题。
发明内容
为了更高效利用杨树树干和树枝，本发明的目的是提供一种利用汽爆预处理及糖化酶解杨树树干和树枝生产木糖和葡萄糖，最后发酵产乙醇的新工艺。
实现上述目的的具体发明方法如下：
一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法包括以下操作方法：
（1）、杨树树干和树枝的汽爆预处理
A、将杨树树干和树枝晒干或晾干或烘干到含水量为10-20%；加工成长度为5-15厘米、直径为2-3厘米的条状；
B、将条状的杨树树干和树枝放入汽爆机，压力为3.1-3.3 MPa、温度为210-220℃条件下，处理45-55秒；得到树干和树枝纤维；
（2）、混合酶配制
混合酶液的配制：以浓度0.05 mol/L pH 5.0的柠檬酸缓冲液为溶剂，配制含有浓度10 IU/mL的纤维素酶、浓度20 IU/mL的木聚糖酶和浓度50 IU/mL的果胶酶的混合酶液；使用的酶制剂活性分别为：纤维素酶的活性为10000IU/g，木聚糖酶的活性为200000IU/g，果胶酶的活性为50000U/mL；
浓度0.05 mol/L pH 5.0的柠檬酸缓冲液的配制方法如下：
A、浓度0.1 mol/L 的柠檬酸溶液的配制：称取一水柠檬酸（分子量210.14）21.01 g 于500 mL大烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，移入1000 mL容量瓶中用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，即为柠檬酸酸液；
B、浓度0.1 mol/L 的柠檬酸钠溶液的配制：称取二水柠檬酸钠（分子量294.12）29.41 g于500 mL大烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，移入1000 mL容量瓶中，然后用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，即为柠檬酸盐液；
C、浓度0.05 mol/L pH 5.0 的柠檬酸缓冲液的配制
取上述柠檬酸酸液20.5 mL，柠檬酸盐液29.5 mL，充分混匀，用蒸馏水定容至100 mL，充分混匀，调pH5.0，即为0.05 mol/L pH5.0 的柠檬酸缓冲液；
（3）、水解处理
将树干和树枝纤维脱水至含水率为10-20%，再与混合酶液混合，固液比1:20；在温度50℃、转速150rpm恒温摇床下，处理时间24-48小时；通过30-40目筛网过滤，除去酶解后的残渣，收集水解液，浓缩水解液至糖浓度为70g/L，得到浓度为浓缩液70g/L；
（4）、菌种的扩大培养
将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus As2.1585）在液体培养基中进行摇瓶培养，培养条件：转速120-150rpm，温度30℃，液体培养基的配方为：木糖40 g/L，酵母浸粉 10g/L，硫酸铵1g/L，磷酸二氢钾1g/L，七水硫酸镁1g/L；培养条件为温度30℃，转速120-150rpm，培养15-20小时；得到嗜鞣管囊酵母菌株；
将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae 31475）在麦芽汁琼脂中进行摇瓶培养，培养条件：转速120-150rpm，温度30℃，麦芽汁琼脂的配方为：麦芽汁1.0L，琼脂粉15g，自然pH值，培养条件为温度30℃，转速120-150rpm，培养15-24小时；得到酿酒酵母菌株；
按体积比将所述嗜鞣管囊酵母菌株和酿酒酵母菌株进行等比例混合，作为原始菌株；
（5）、发酵产乙醇
按5-10%的接种量将原始菌株接种于发酵培养液中，发酵培养液的配方为：浓缩液70g/L，酵母浸粉10g/L，硫酸铵1g/L，磷酸二氢钾1g/L，七水硫酸镁1g/L；发酵时间30-42小时，得到乙醇浓度为3-6%的发酵液，发酵液中的糖醇转化率达到35-39%。
本发明利用杨树树干和树枝发酵产乙醇与常规的利用酸碱预处理以及单一微生物发酵产乙醇相比较具有如下优势：
1、 由于失水后的杨树树干和树枝非常坚硬，常规的利用机械粉碎方法，不仅需要耗费大量的电力，而且机械磨损程度大，设备使用成本高。利用汽爆法可以一步进行树干和树枝细胞破碎，效果显著，对设备要求较低，能耗小；
2、避免了大量使用酸碱对设备的腐蚀以及环境污染。本发明只是通过汽爆方法可实现杨树树干和树枝预处理，省却了常规的酸碱预处理对设备的腐蚀，大大降低了成本；
3、通过两种微生物混合发酵，避免了单一酿酒酵母不能利用木糖的缺陷，提高了乙醇的产率，降低成本，提高经济效益。
附图说明
图1为本发明工艺路线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1：
参见图1，一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法包括以下操作方法：
（1）、杨树树干和树枝的汽爆预处理
A、选用南方型美洲黑杨，树龄为3-5年，将南方型美洲黑杨树干和树枝晒干或晾干或烘干到含水量为20%；加工成长度为5-15厘米、直径为2-3厘米的条状；
B、采用QBS-80型汽爆机（鹤壁市正道重典机械厂），燃气热水器容量25L；燃气热水器加水容量：12L；气缸容积：400 mL；燃气类型：液化石油气；汽源压力：0.8-1.0 MPa；气量：0.1-0.12 m3/min。将条状的杨树树干和树枝放入汽爆机，压力为3.3 MPa、温度为220℃条件下，处理55秒；得到树干和树枝纤维；
（2）、混合酶配制
混合酶液的配制：以浓度0.05 mol/L pH 5.0的柠檬酸缓冲液为溶剂，配制含有浓度10 IU/mL的纤维素酶、浓度20 IU/mL的木聚糖酶和浓度50 IU/mL的果胶酶的混合酶液；使用的酶制剂活性分别为：纤维素酶的活性为10000IU/g，木聚糖酶的活性为200000IU/g，果胶酶的活性为50000U/mL；
浓度0.05 mol/L pH 5.0的柠檬酸缓冲液的配制方法如下：
A、浓度0.1 mol/L 的柠檬酸溶液的配制：称取一水柠檬酸（分子量210.14）21.01 g 于500 mL大烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，移入1000 mL容量瓶中用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，即为柠檬酸酸液；
B、浓度0.1 mol/L 的柠檬酸钠溶液的配制：称取二水柠檬酸钠（分子量294.12）29.41 g于500 mL大烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，移入1000 mL容量瓶中，然后用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，即为柠檬酸盐液；
C、浓度0.05 mol/L pH 5.0 的柠檬酸缓冲液的配制
取上述柠檬酸酸液20.5 mL，柠檬酸盐液29.5 mL，充分混匀，用蒸馏水定容至100 mL，充分混匀，调pH5.0，即为0.05 mol/L pH5.0 的柠檬酸缓冲液；
（3）、酶解处理
将树干和树枝纤维脱水至含水率为20%，再与混合酶液混合，固液比1:20（质量体积比）；在温度50℃、转速150rpm恒温摇床（摇床型号：HNY-200D）下，处理时间48小时；通过40目筛网过滤，除去酶解后的残渣，收集水解液，浓缩水解液至糖浓度为70g/L，得到浓度为浓缩液70g/L；
（4）、菌种的扩大培养
将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus As2.1585）在液体培养基中进行摇瓶培养，液体培养基的配方为：木糖40 g/L，酵母浸粉 10g/L，硫酸铵1g/L，磷酸二氢钾1g/L，七水硫酸镁1g/L；培养条件为温度30℃，转速150rpm，培养15小时；得到嗜鞣管囊酵母菌株；
将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae31475）在麦芽汁琼脂中进行摇瓶培养，麦芽汁琼脂的配方为：麦芽汁1.0L，琼脂粉15g，自然pH值，培养条件为温度30℃，转速150rpm，培养15小时；得到酿酒酵母菌株；
按体积比将所述嗜鞣管囊酵母菌株和酿酒酵母菌株进行等比例混合，作为原始菌株；
（5）、发酵产乙醇
按10%的接种量将原始菌株接种于发酵培养液中，发酵培养液的配方为：浓缩液70g/L，酵母浸粉10g/L，硫酸铵1g/L，磷酸二氢钾1g/L，七水硫酸镁1g/L；发酵时间42小时，得到乙醇浓度为6%的发酵液，发酵液中的糖醇转化率达到39%。
实施例2：
一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法包括以下操作方法：
（1）、杨树树干和树枝的汽爆预处理
A、将杨树树干和树枝晒干或晾干或烘干到含水量为10%；加工成长度为5-15厘米、直径为2-3厘米的条状；
B、将条状的杨树树干和树枝放入汽爆机，压力为3.1 MPa、温度为210℃条件下，处理45秒；得到树干和树枝纤维；
（2）、混合酶液配制
混合酶液的配制同实施例1；
（3）、酶解处理
将树干和树枝纤维脱水至含水率为10%，再与混合酶液混合，固液比1:20（质量体积比）；在温度50℃、转速150rpm恒温摇床（摇床型号：HNY-200D）下，处理时间24小时；通过40目筛网过滤，除去酶解后的残渣，收集水解液，浓缩水解液至糖浓度为70g/L，得到浓度为浓缩液70g/L；
（4）、菌种的扩大培养
将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus As2.1585）在液体培养基中进行摇瓶培养，液体培养基的配方同实施例1；培养条件为温度30℃，转速150rpm，培养20小时；得到嗜鞣管囊酵母菌株；
将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae31475）在麦芽汁琼脂中进行摇瓶培养，麦芽汁琼脂的配方同实施例1，培养条件为温度30℃，转速150rpm，培养15小时；得到酿酒酵母菌株；
按体积比将所述嗜鞣管囊酵母菌株和酿酒酵母菌株进行等比例混合，作为原始菌株；
（5）、发酵产乙醇
按5%的接种量将原始菌株接种于发酵培养液中，发酵培养液的配方同实施例1；发酵时间30小时，得到乙醇浓度为3%的发酵液，发酵液中的糖醇转化率达到35%。
实施例3：
（1）、杨树树干和树枝的汽爆预处理
A、选用南方型美洲黑杨，树龄为3-5年，将南方型美洲黑杨树干和树枝晒干或晾干或烘干到含水量为15%；加工成长度为5-15厘米、直径为2-3厘米的条状；
B、采用QBS-80型汽爆机（鹤壁市正道重典机械厂），燃气热水器容量25L；燃气热水器加水容量：12L；气缸容积：400 mL；燃气类型：液化石油气；汽源压力：0.8-1.0MPa；气量：0.1-0.12 m3/min。将条状的杨树树干和树枝放入汽爆机，压力为3.2 MPa、温度为215℃条件下，处理50秒；得到树干和树枝纤维；
（2）、混合酶液配制
混合酶液的配制同实施例1；
（3）、酶解处理
将树干和树枝纤维脱水至含水率为15%，再与混合酶液混合，固液比1:20（质量体积比）；在温度50℃、转速150rpm恒温摇床下，处理时间48小时；通过40目筛网过滤，除去酶解后的残渣，收集水解液，浓缩水解液至糖浓度为70g/L，得到浓度为浓缩液70g/L；
（4）、菌种的扩大培养
将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus As2.1585）在液体培养基中进行摇瓶培养，液体培养基的配方同实施例1；培养条件为温度30℃，转速150rpm，培养20小时；得到嗜鞣管囊酵母菌株；
将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae31475）在麦芽汁琼脂中进行摇瓶培养，麦芽汁琼脂的配方同实施例1，培养条件为温度30℃，转速120rpm，培养15小时；得到酿酒酵母菌株；
按体积比将所述嗜鞣管囊酵母菌株和酿酒酵母菌株进行等比例混合，作为原始菌株；
（5）、发酵产乙醇
按10%的接种量将原始菌株接种于发酵培养液中，发酵培养液的配方同实施例1；发酵时间42小时，得到乙醇浓度为4%的发酵液，发酵液中的糖醇转化率达到36%。

Claims (1)

1.一种汽爆杨树树干和树枝及发酵产乙醇的工艺方法，其特征在于包括以下操作方法： 
（1）、杨树树干和树枝的汽爆预处理
A、将杨树树干和树枝晒干或晾干或烘干到含水量为10-20%；加工成长度为5-15厘米、直径为2-3厘米的条状；
B、将条状的杨树树干和树枝放入汽爆机，压力为3.1-3.3 MPa、温度为210-220℃条件下，处理45-55秒；得到树干和树枝纤维； 
（2）、混合酶配制
混合酶液的配制：以浓度0.05 mol/L pH 5.0的柠檬酸缓冲液为溶剂，配制含有浓度10 IU/mL的纤维素酶、浓度20 IU/mL的木聚糖酶和浓度50 IU/mL的果胶酶的混合酶液；使用的酶制剂活性分别为：纤维素酶的活性为10000IU/g，木聚糖酶的活性为200000IU/g，果胶酶的活性为50000U/mL；
浓度0.05 mol/L pH 5.0的柠檬酸缓冲液的配制方法如下：
A、浓度0.1 mol/L 的柠檬酸溶液的配制：称取一水柠檬酸（分子量210.14）21.01 g 于500 mL大烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，移入1000 mL容量瓶中用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，即为柠檬酸酸液；
B、浓度0.1 mol/L 的柠檬酸钠溶液的配制：称取二水柠檬酸钠（分子量294.12）29.41 g于500 mL大烧杯中，用少量蒸馏水溶解后，移入1000 mL容量瓶中，然后用蒸馏水定容至1000 mL，充分混匀，即为柠檬酸盐液；
C、浓度0.05 mol/L pH 5.0 的柠檬酸缓冲液的配制 
取上述柠檬酸酸液20.5 mL，柠檬酸盐液29.5 mL，充分混匀，用蒸馏水定容至100 mL，充分混匀，调pH5.0，即为0.05 mol/L pH5.0 的柠檬酸缓冲液； 
（3）、水解处理
将树干和树枝纤维脱水至含水率为10-20%，再与混合酶液混合，固液比1:20；在温度50℃、转速150rpm恒温摇床下，处理时间24-48小时；通过30-40目筛网过滤，除去酶解后的残渣，收集水解液，浓缩水解液至糖浓度为70g/L，得到浓度为浓缩液70g/L；
（4）、菌种的扩大培养  
将嗜鞣管囊酵母（Pachysolen tannophilus As2.1585）在液体培养基中进行摇瓶培养，培养条件：转速120-150rpm，温度30℃，液体培养基的配方为：木糖40 g/L，酵母浸粉 10g/L，硫酸铵1g/L，磷酸二氢钾1g/L，七水硫酸镁1g/L；培养条件为温度30℃，转速120-150rpm，培养15-20小时；得到嗜鞣管囊酵母菌株；
将酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae 31475）在麦芽汁琼脂中进行摇瓶培养，培养条件：转速120-150rpm，温度30℃，麦芽汁琼脂的配方为：麦芽汁1.0L，琼脂粉15g，自然pH值，培养条件为温度30℃，转速120-150rpm，培养15-24小时；得到酿酒酵母菌株；
按体积比将所述嗜鞣管囊酵母菌株和酿酒酵母菌株进行等比例混合，作为原始菌株；
（5）、发酵产乙醇  
按5-10%的接种量将原始菌株接种于发酵培养液中，发酵培养液的配方为：
浓缩液70g/L，酵母浸粉10g/L，硫酸铵1g/L，磷酸二氢钾1g/L，七水硫酸镁1g/L；发酵时间30-42小时，得到乙醇浓度为3-6%的发酵液，发酵液中的糖醇转化率达到35-39%。
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