CN102191280A

CN102191280A - 以糠醛渣和玉米为原料共发酵制备乙醇的方法

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Publication number: CN102191280A
Application number: CN2011100530964A
Authority: CN
Inventors: 蒋建新; 唐勇; 邢杨; 冯月; 朱莉伟; 邓立红
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2031-03-04
Also published as: CN102191280B

Abstract

本发明提供了一种以糠醛渣和玉米为原料耦合共发酵制备乙醇的方法，其是以糠醛渣作为纤维素原料，以玉米作为淀粉类原料，玉米经过液化和部分糖化之后，与糠醛渣原料耦合，以天然茶皂素为表面活性剂，通过同步糖化共发酵制备乙醇。本发明将传统成熟的淀粉乙醇技术与纤维乙醇技术进行有机结合，提高了淀粉原料利用率和纤维原料制备乙醇的生产效率。

Description

以糠醛渣和玉米为原料共发酵制备乙醇的方法

技术领域

本发明属于生物质化学化工领域，具体地说，涉及木质纤维原料(糠醛渣)与淀粉类原料(玉米)水解液耦合经过同步糖化共发酵制备乙醇的方法。

背景技术

燃料乙醇是指将乙醇作为燃料动力使用，燃料乙醇可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是即将枯竭的化石能源的替代能源。乙醇作为燃料使用具有许多优势：乙醇可以采用可再生的生物质制取，不存在资源枯竭问题；乙醇生产具有比较成熟技术和比较完善的工艺；乙醇作为液体燃料具有能量密度大，储存使用方便，毒性低，而且可以生物降解；乙醇不含硫及灰分，乙醇燃烧主要产生二氧化碳和水，二氧化碳参于全球碳循环，因此燃烧后尾气污染小，并且不增加温室气体排放量；乙醇的辛烷值比汽油高许多，乙醇既是抗爆剂，又是助燃剂，所以用乙醇替代部分化石燃料，可消除空气中的铅的污染，减少温室气体二氧化碳的积累。目前燃料乙醇生产主要采用淀粉基原料，这些原料大部分是粮食，比如美国以玉米为原料，欧洲则主要以小麦为原料，我国也发展了以玉米和小麦为原料的乙醇工业。近年来，由于以粮食为原料的燃料乙醇发展迅速，导致国内外粮食价格大幅度上涨，而且生产生物燃料会耗费太多的土地。因此世界各国提倡以非粮食原料进行燃料乙醇的生产，我国也明确强调发展非粮食基生物燃料乙醇生产。

地球上具有广泛易得的生物质资源，农业、林业以及人为控制的和非人为控制的微生物系统都可以生产可再生碳基原材料。众多的生物质资源中，相比淀粉类原料，广泛易得的木质纤维原料属于非粮食原料，包括木本和草本植物，以及含有纤维素的工业和农业废弃物，它们的利用充分体现了不与人争粮的观念，因此发展和优化木质纤维原料进行燃料乙醇生产过程是近年来研究的热点。我国是农作物秸秆的生产大国，因此我国发展木质纤维原料进行燃料乙醇生产具有原料优势。然而目前难于实现基于木质纤维的燃料乙醇规模化生产，导致这种问题的原因是：木质纤维素具有比淀粉更复杂结构，半纤维素和木质素对纤维素的包裹作用以及纤维素本身具有的两相结构大大降低了纤维素的可及度，需要额外的预处理过程；木质纤维素的预处理过程通常会产生对后期利用有负面影响的物质(抑制剂)，因此在进行纤维乙醇生产之前需要采用一定的脱毒过程降低这些物质的浓度；预处理过程和脱毒过程不仅增加操作的复杂性，同时增加过程成本；具有高浓度的木质纤维素的发酵体系粘度很高，难于搅拌，同时体系中也会存在高浓度的抑制剂，降低发酵效率，因此木质纤维基燃料乙醇难以进行高底物浓度生产，导致发酵液中难以得到高浓度乙醇，这极大地增加了后期乙醇提纯的成本；木质纤维基乙醇酶使用量大、酶成本高；木质纤维基乙醇使用了大量化学品作为发酵微生物的营养来源。

采用农业和工业废弃物生产燃料乙醇一方面解决了棘手的环境问题，同时能将它们转化为高附加值的产品，实现了生物质全面资源化利用。利用工业废弃的木质纤维素生产燃料乙醇具有一定的优点，比如采用废弃纸浆泥和糠醛渣进行燃料乙醇生产不需要高强度预处理，有利于降低燃料乙醇的生产成本。在工业糠醛生产(纤维原料蒸煮水解)过程中，伴有大量糠醛废渣产生，每吨糠醛产品排出10吨以上残渣。目前我国每年排放糠醛废渣近3000万吨，其中只有小部分回用于锅炉燃料，也有用糠醛渣制备成型燃料(CN200710180491.2)和制备颗粒活性炭(CN88101457)方面的专利报道。受技术条件的限制，糠醛渣还没有实现规模工业化再利用。经过分析，糠醛渣中含有42％以上的纤维素、38％酸不溶木质素和少量的半纤维素(～1.85％)，纤维素聚合度约500。由于工业糠醛废渣资源量大、价格低廉，糠醛渣含有丰富的纤维素，其纤维素聚合度较低且结构松散，糠醛渣转化乙醇可省去复杂的植物纤维原料预处理过程，而且糠醛渣的特殊结构决定其易于被酶水解、水解成本低，同时糠醛渣中含有少量的半纤维素，以糠醛渣为原料不需要采用能利用五碳糖的菌种，这些都为利用糠醛渣纤维素转化乙醇提供了有利条件。

目前燃料乙醇主要由淀粉类原料生产，木质纤维基燃料乙醇推广面临的主要问题是成本过高，采用玉米基进行燃料乙醇生产的成本高于汽油，而采用木质纤维原料进行的燃料乙醇生产的生产成本又远高于采用玉米进行的燃料乙醇生产。因此，如何提高乙醇生产效率，降低乙醇生产成本，减少淀粉原料的用量成为目前燃料乙醇推广中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是将传统的淀粉乙醇技术与纤维乙醇技术进行有机结合，提供一种以糠醛渣和玉米为原料同步糖化共发酵制备乙醇的方法。

为了实现本发明目的，本发明的一种以糠醛渣和玉米为原料共发酵制备乙醇的方法，其是以糠醛渣作为纤维素原料，以玉米作为淀粉类原料，玉米经过液化和部分糖化之后，与糠醛渣原料耦合，通过同步糖化共发酵制备乙醇。包括步骤：1)糠醛渣脱毒：将糠醛渣经碱中和后水洗至中性；2)玉米糖化：玉米经过淀粉酶和糖化酶二步水解处理后，得到淀粉糖化液，其中固形物含量为17-25％(w/v)；3)同步糖化共发酵：将经步骤1)处理后的糠醛渣灭菌后与步骤2)得到的淀粉糖化液混合，进行共发酵制备乙醇。

前述的方法，其中步骤1)将糠醛渣溶于水，加入NaOH至pH为中性，中和0.5h后过滤水洗滤渣至中性。

前述的方法，其中步骤2)玉米按20-35％(w/w)加入到45～55℃水中，保温20～40min，按15～25U/g淀粉加入淀粉酶，在搅拌下85～90℃液化1～3h，再用稀硫酸调节pH值至3.8～4.5，按100～200U/g淀粉加入糖化酶55～65℃糖化0.5～1.5h。

前述的方法，其中步骤3)的用于发酵的培养基包括：糠醛渣7.5～12.5w/w％、淀粉糖化液7.9～46.1v/v％、茶皂素0.02～0.5w/w％、纤维素酶5～10FPU/g糠醛渣、(NH₄)₂HPO₄0.2～0.5g/L、MgSO₄·7H₂O0.2～0.5g/L，pH5.0～6.0。

前述的方法，其中步骤3)按3.3～5.5g/L接种酿酒酵母，于35～42℃发酵72～96h。

前述的方法，所述酿酒酵母为耐高温酿酒酵母。

本发明的优点及有益效果：

(1)本发明选用资源丰富、价格低廉、结构特殊(糠醛渣含有丰富的纤维素，其纤维素聚合度较低且结构松散)的糠醛渣作为纤维素原料，同时选用玉米作为淀粉类原料，玉米经过液化和部分糖化之后，与糠醛渣原料耦合，通过同步糖化共发酵制备乙醇，将传统成熟的淀粉乙醇技术与纤维乙醇技术进行有机结合，以提高淀粉原料利用率和纤维原料制备乙醇的生产效率。

(2)玉米原料在进行部分糖化后，得到的糖化液中固形物含量为17-25％，这些固形物中含有可观的纤维素和半纤维素，纤维素酶能同时水解糠醛渣和淀粉中的纤维素和半纤维素，从而提高淀粉原料的利用率。

(3)玉米原料中含有丰富的蛋白质和玉米浆，糠醛渣和玉米的共发酵体系中只需要加入无机盐培养基，无需加入有机氮类，可以减少有机氮类的消耗。

(4)糠醛渣和玉米的共同发酵提高了乙醇产生速率，比单纯以木质纤维为原料生产燃料乙醇具有更高的生产力。

(5)玉米协同糠醛渣发酵能显著提高发酵液中最终的乙醇浓度，降低后期乙醇提纯需要的成本。

(6)糠醛渣和玉米的共发酵体系，相比目前常用的淀粉发酵体系，采用了木质纤维原料代替淀粉，减少了玉米的耗用量。

(7)糖化发酵体系中加入茶皂素，可促进酶与底物、酵母与糖的作用，可以减少酶的使用量和提高发酵效率。

附图说明

图1为本发明以糠醛渣和玉米为原料同步糖化共发酵制备乙醇的工艺流程图。

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。

以下实施例中提及的淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、茶皂素、耐高温型安琪活性干酵母等均为市售商品。

实施例1

以糠醛渣和玉米为原料同步糖化共发酵制备乙醇，包括步骤：

1)糠醛渣预处理脱毒过程：向10％(w/w)的糠醛渣水溶液中加入NaOH至pH值为中性，中和0.5h后过滤水洗滤渣至滤液呈中性。

2)玉米糖化：玉米按20％(w/w)加入到50℃水中，保温0.5h。按20U/克淀粉加入淀粉酶，在搅拌下85℃液化2h，再用10％稀硫酸调节pH值3.8，按150U/克淀粉加入糖化酶，60℃糖化1h。

3)同步糖化共发酵：处理后的糠醛渣滤渣经过121℃灭菌20min装入发酵罐，同步糖化发酵体系中糠醛渣固液比为7.5％(w/w)，纤维素酶用量10FPU/g糠醛渣；玉米糖化液加入量7.9％；茶皂素加入量为0.02％(w/w)；耐高温型安琪活性干酵母接种浓度3.3g/L，(NH₄)₂HPO₄0.2g/L，MgSO₄·7H₂O 0.2g/L，同步糖化共发酵温度35℃，同步糖化共发酵液pH值5.0，发酵时间90h。

发酵结束后，乙醇转化率达到理论转化率的86％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度为21.28g/L。

实施例2

2)玉米糖化：玉米按25％(w/w)加入到50℃水中，保温0.5h。按20U/克淀粉加入淀粉酶，在搅拌下85℃液化2h，再用10％稀硫酸调节pH值4.0，按150U/克淀粉加入糖化酶，60℃糖化1h。

3)同步糖化共发酵：处理后的糠醛渣滤渣经过121℃灭菌20min装入发酵罐，同步糖化发酵体系中糠醛渣固液比为10％(w/w)，纤维素酶用量9FPU/g糠醛渣；玉米糖化液加入量30％；茶皂素加入量为0.1％(w/w)；耐高温型安琪活性干酵母接种浓度4.0g/L，(NH₄)₂HPO₄0.2g/L，MgSO₄·7H₂O 0.4g/L，同步糖化共发酵温度36℃，同步糖化共发酵液pH值5.0，发酵时间88h。

发酵结束后，乙醇转化率达到理论转化率的98％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度为52.05g/L。

实施例3

2)玉米糖化：玉米按28％(w/w)加入到50℃水中，保温0.5h。按20U/克淀粉加入淀粉酶，在搅拌下88℃液化2h，再用10％稀硫酸调节pH值4.5，按150U/克淀粉加入糖化酶，60℃糖化1h。

3)同步糖化共发酵：处理后的糠醛渣滤渣经过121℃灭菌25min装入发酵罐，同步糖化发酵体系中糠醛渣固液比为11％(w/w)，纤维素酶用量9FPU/g糠醛渣；玉米糖化液加入量40％；茶皂素加入量为0.4％(w/w)；耐高温型安琪活性干酵母接种浓度4.4g/L，(NH₄)₂HPO₄0.3g/L，MgSO₄·7H₂O 0.4g/L，同步糖化共发酵温度38℃，同步糖化共发酵液pH值6.0，发酵时间80h。

发酵结束后，乙醇转化率达到理论转化率的96％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度为66.70g/L。

实施例4

2)玉米糖化：玉米按30％(w/w)加入到50℃水中，保温0.5h。按20U/克淀粉加入淀粉酶，在搅拌下90℃液化2h，再用10％稀硫酸调节pH值4.5，按150U/克淀粉加入糖化酶，60℃糖化1h。

3)同步糖化共发酵：处理后的糠醛渣滤渣经过121℃灭菌30min装入发酵罐，同步糖化发酵体系中糠醛渣固液比为11％(w/w)，纤维素酶用量10FPU/g糠醛渣；玉米糖化液加入量35％；茶皂素加入量为0.2％(w/w)；耐高温型安琪活性干酵母接种浓度3.9g/L，(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.3g/L，同步糖化共发酵温度37℃，同步糖化共发酵液pH值5.5，发酵时间86h。

发酵结束后，乙醇转化率达到理论转化率的101％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度为67.52g/L。

实施例5

2)玉米糖化：玉米按33％(w/w)加入到50℃水中，保温0.5h。按20U/克淀粉加入淀粉酶，在搅拌下90℃液化2h，再用10％稀硫酸调节pH值4.0，按150U/克淀粉加入糖化酶，60℃糖化1h。

3)同步糖化共发酵：处理后的糠醛渣滤渣经过121℃灭菌30min装入发酵罐，同步糖化发酵体系中糠醛渣固液比为12％(w/w)，纤维素酶用量10FPU/g糠醛渣；玉米糖化液加入量45％；茶皂素加入量为0.4％(w/w)；耐高温型安琪活性干酵母接种浓度5.0g/L，(NH₄)₂HPO₄0.45g/L，MgSO₄·7H₂O 0.45g/L，同步糖化共发酵温度40℃，同步糖化共发酵液pH值6.0，发酵时间90h。

发酵结束后，乙醇转化率达到理论转化率的97％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度为82.91g/L。

实施例6

2)玉米糖化：玉米按35％(w/w)加入到50℃水中，保温0.5h。按20U/克淀粉加入淀粉酶，在搅拌下90℃液化2h，再用10％稀硫酸调节pH值4.5，按150U/克淀粉加入糖化酶，60℃糖化1h。

3)同步糖化共发酵：处理后的糠醛渣滤渣经过121℃灭菌30min装入发酵罐，同步糖化发酵体系中糠醛渣固液比为12.5％(w/w)，纤维素酶用量10FPU/g糠醛渣；玉米糖化液加入量46.1％；茶皂素加入量为0.5％(w/w)；耐高温型安琪活性干酵母接种浓度5.5g/L，(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，同步糖化共发酵温度42℃，同步糖化共发酵液pH值6.0，发酵时间96h。

发酵结束后，乙醇转化率达到理论转化率的95％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度为87.02g/L。

对比例1

采用5％糠醛渣单独发酵，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，酵母提取物1g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的83.4％，乙醇浓度为10.0g/L。采用5％糠醛渣单独发酵，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的63.5％。采用2.5％玉米单独发酵，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的82.6％。采用5％糠醛渣和2.5％玉米共发酵，加0.2％茶皂素，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的83.7％。采用5％糠醛渣和5％玉米共发酵，加0.2％茶皂素，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的86.3％。采用5％糠醛渣和7.5％玉米共发酵，加0.2％茶皂素，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的86.5％。采用5％糠醛渣和10％玉米共发酵，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇浓度为45.8g/L。采用7.5％糠醛渣和14.5％玉米共发酵，发酵培养基成分：(NH₄)₂HPO₄0.5g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5g/L，耐高温型安琪活性干酵母加入量3.3g/L，发酵温度为38℃，96h后乙醇转化率达到理论转化率的100.8％(以糠醛渣中纤维素和玉米中淀粉为计算基准)，乙醇浓度达到72.9g/L。

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

1.一种以糠醛渣和玉米为原料共发酵制备乙醇的方法，其特征在于，以糠醛渣和玉米为原料，玉米经过液化和部分糖化之后，与糠醛渣原料耦合，通过同步糖化共发酵制备乙醇。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括步骤：

1)糠醛渣脱毒：将糠醛渣经碱中和后水洗至中性；

2)玉米糖化：玉米经过淀粉酶和糖化酶二步水解处理后，得到淀粉糖化液，其中固形物含量为17-25w/v％；

3)同步糖化共发酵：将经步骤1)处理后的糠醛渣灭菌后与步骤2)得到的淀粉糖化液混合，进行共发酵制备乙醇。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中步骤1)将糠醛渣溶于水，加入NaOH至pH为中性，中和0.5h后过滤水洗滤渣至中性。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，其中步骤2)玉米按20-35w/w％加入到45～55℃水中，保温20～40min，按15～25U/g淀粉加入淀粉酶，在搅拌下85～90℃液化1～3h，再用稀硫酸调节pH值至3.8～4.5，按100～200U/g淀粉加入糖化酶55～65℃糖化0.5～1.5h。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，其中步骤3)的用于发酵的培养基包括：糠醛渣7.5～12.5w/w％、淀粉糖化液7.9～46.1v/v％、茶皂素0.02～0.5w/w％、纤维素酶5～10FPU/g糠醛渣、(NH₄)₂HPO₄0.2～0.5g/L、MgSO₄·7H₂O 0.2～0.5g/L，pH5.0～6.0。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，其中步骤3)按3.3～5.5g/L接种酿酒酵母，于35～42℃发酵72～96h。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述酿酒酵母为耐高温酿酒酵母。