CN102239263B - 再循环棉用于制备乙醇的用途和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及再循环纺棉生产乙醇的用途，采用的方法包括以下步骤：a)预处理纺棉：包括?需要时粉碎纺棉和?在挤压机中通过分离纤维预处理被粉碎或未被粉碎的纺棉，b)酶水解，c)过滤，和d)发酵。

Description

再循环棉用于制备乙醇的用途和制备方法

本发明涉及一种特定原料用于制备乙醇的用途。

本发明还涉及从该天然原料制备乙醇的方法。

多年来，已经进行了大量用可更再生能源代替矿物能源的研究。研究尤其针对生产新的碳氢燃料：农业碳氢燃料或生态碳氢燃料。

生态碳氢燃料是一种用可再生的非矿物有机材料生产的碳氢燃料。

存在不同的技术生产生态碳氢燃料，特别是由来自动植物天然原料生产油及其衍生物、醇或气态碳氢燃料。目前，正在对植物转化为醇、特别是乙醇的技术进行大量的研究。

但是，这些碳氢燃料的开发同时在产量方面存在严重的缺陷，因为其陷入了与食用农作物和生态系统的直接竞争。另外，与碳氢燃料的非常巨大的消耗量相比，原料的生产能力是有限的。

因此，需要提出一种新方法来生产作为生物碳氢燃料使用的乙醇。

为此，本发明提出使用特定的纤维素材料：再循环纺棉。

纤维素是植物细胞壁的基本成分。其为地球上最丰富的聚合物。纤维素由吡喃型葡萄糖链构成。众所周知，纤维素水解得到葡萄糖分子，葡萄糖是易于发酵的单糖，可通过糖酵解生成乙醇。

从公开文献《Ethanol production from cotton-based waste texiles》(JEIHANIPOUR AND TAHERZADEH MJ，BIORESSOURCES TECHNOLOGY，vol.100，no.2，2008年8月23日网络公开)得知，用纺棉来生产乙醇。

然而，上述方法特别要使用一个化学预处理步骤，在产量方面不令人满意，并且必须使用浓缩产品，这使得所述方法不够经济，以工业规模实施也比较困难。

这就是为什么本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种新的生产纯能量型生物乙醇的方法，对环境方面更加有利，并且产量也更高。

本发明特别涉及一种用纺棉生产乙醇的方法，包括以下步骤：

a)预处理纺棉：

-在需要时将纺棉粉碎，

-在挤压机中通过分离纤维来预处理被粉碎或未被粉碎的纺棉，

b)酶水解，

c)过滤，优选标称过滤、超滤和无菌过滤，和

d)发酵。

纺棉或再循环纺棉表示一种收集到的原料(寿终正寝的服装、服装工业的织物边角料、碎屑等)，例如碎料，含有90％以上的纤维素。

与公知的木质纤维素原料相比较，再循环纺棉可有利地提高乙醇的产量，这是因为其纤维素含量高。本发明的特定方法还可提高产量。此外，该方法在生态和经济方面特别有利。该方法实施简单，并可以方便地实现工业化。

优选所述方法在发酵步骤以前包括有一个脱色步骤。

根据本发明的一个特别适合的方法包括以下步骤：

a)预处理再循环纺棉：

-粉碎纺棉，

-预处理已粉碎的纺棉，

b)酶水解，

c)超滤、纳米过滤、反向渗透、脱色和/或无菌过滤，

d)发酵，和

e)蒸馏和脱水，优选借助膜通过渗透汽化。

现在对本发明的每一个步骤进行详细描述。

预处理步骤a)的目的是能够得到纤维素，以便使其易于酶水解。

事实上，主要由纤维素构成的棉纤维为了首次用于织物中，经受过不同的化学处理(丝光处理、拉毛处理、抗缩处理、抗皱处理和染色处理)。一种棉纤维的化学成分为：

-纤维素：91.2％，

-水：7％，

-蜡：0.5％，

-含氮材料：0.7％，

-连接物质：0.3％，和

-灰分：0.3％。

原料的预处理可以是化学的和/或机械的。化学预处理包括水解半纤维素。其可以是例如在热的碱性介质中水解，以便溶解半纤维素和一部分木质素，或者是在热的弱酸性介质中的水解，以便水解半纤维素。

根据一个优选实施方式，根据本发明的原料预处理是通过在挤压机中分离纺棉纤维来实现的。分离纤维可以将各纤维分离出来，并且可以提高纤维素的可消化性。优选将纺棉在温度为60℃-180℃并且有一定量水存在的挤压机中分离纤维，所述水量为所述原料质量的200％-450％。在挤压机中通过分离纤维预处理原料可有利地使纤维素的酶水解产率增加3倍。还可以减少步骤b)中酶的用量。

根据一个特别合适的实施方案，预处理之前是粉碎再循环纺棉的步骤，该步骤使得纤维素更容易接近，从而便于其水解。

粉碎原料的步骤例如可以使用一个带刀的破碎机实现。

步骤b)包括用酶水解纤维素，以便获得富葡萄糖溶液。

水解可以用由纤维素酶和β-葡糖苷酶构成的酶混合物实现。

优选水解在一个罐中进行至少24小时，温度保持在50℃-60℃，pH值为4-5.5。酶与每克纤维素之间的比为0.5-2.5。

步骤c)包括过滤酶水解纤维素后得到的溶液。

根据本发明的一个优选变型，步骤c)包括以下步骤：

-用于清除介质的过滤

-超滤，

-反向渗透，

-脱色，和/或

-无菌过滤。

在步骤b)以后，反应介质由糖汁、纤维素酶、非纤维素化合物和未降解纤维素构成。

在过滤以前的离心步骤可以消除非纤维素化合物和未降解纤维素。

超滤用于将用于水解的酶再循环和再利用。

该超滤步骤可以显著减少乙醇的生产费用，因为用于水解纤维素的酶的价格很高。

超滤可通过膜实现，诸如聚砜膜，分离阈值为6KDa，纤维的内径为0.8mm，外径为1.4mm。该膜一方面可浓缩和回收酶(浓缩液)，另一方面可浓缩和回收糖汁(滤液)。

然后将再循环的酶重新用于处理另一批纤维素生物材料。其可重复使用直到两个循环而不明显损失活性。

反向渗透浓缩滤液，不进行蒸发。该步骤相对于常规蒸发步骤而言节省能量。

脱色可以将纺棉的染料吸收树脂中。可以利用与芳环有亲合性的树脂在柱中进行脱色，以便通过亲合性将纺棉的染料留在柱中。

无菌过滤防止发酵罐中的任何污染，保证发酵的最佳产量。

发酵步骤d)的目的是通过酵母糖酵解的方法将滤过的糖汁中所含的葡萄糖发酵成乙醇。

该步骤之前优选将反应介质冷却。

发酵可以在发酵罐中进行7-24小时，温度保持在30℃-37℃，pH值为3.8-5.0。通常，所用的酵母可以是酿酒酵母(Saccharomices cerevisiae)。

发酵的产量达到每克葡萄糖为0.4克乙醇。

用于发酵的酵母可以由微过滤器进行再循环从而再使用，微过滤器的分离阈值为6KDa。

发酵步骤以后通常是步骤e)膜蒸发/脱水，可得到99.9％的乙醇。

因此，根据本发明的一个特别合适的方法的实例包括以下步骤：

-粉碎再循环纺棉(直径4-6mm)，

-在温度为60℃-180℃并且有一定量水的双螺杆挤压机中通过分离纤维进行粉碎纺棉的预处理，所述水量为所述原料质量的200％-450％，

-在温度保持在50℃-60℃、pH值为4-5.5的罐内用由纤维素酶和β-葡糖苷酶构成的酶混合物(0.1-1g酶每克纤维素)进行酶水解至少24小时，

-用于清除介质的过滤

-用于再循环水解酶的超滤，

-反向渗透，

-脱色，

-无菌过滤，

-冷却，

-在温度为30℃-37℃、pH值为3.8-4.5的发酵罐内用酿酒酵母(Saccharomicescerevisiae)发酵7-24小时，

-用于再循环酵母的微过滤，和

-蒸馏/脱水。

这种方法从对环境有利的原料出发，解决了最初提出的生物乙醇的重要的生产量问题。按照预处理在酶水解后得到的结果如下表所示(以相同的生物材料进行对比)：

-根据本发明对纺棉进行预处理，分离纤维(105℃，使用300％的水)，

-根据现有技术对纺棉进行预处理(用1％的盐酸煮，温度为170℃，时间15分钟)，和

-无预处理，

我们发现，与没有预处理及采用现有技术的预处理相比较，根据本发明的方法可以极大地提高纤维素的水解，由此提高乙醇的产量。

同时，该方法再循环所用酶和酵母，可以减少生产成本。

得到的乙醇方便地作为碳氢燃料用于汽油车辆，其可单独使用，或与一种或多种其它碳氢燃料联合使用。

Claims (4)

1.用纺棉生产乙醇的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a)预处理纺棉：

-需要时，粉碎纺棉，

-在挤压机中通过分离纤维预处理被粉碎或未被粉碎的纺棉，

b)用由纤维素酶和β-葡糖苷酶构成的酶混合物进行酶水解，所述酶水解在50-60℃的温度和在4-5.5的pH下实现，

c)过滤，包括进行以下步骤：

-用于清除介质的过滤，

-超滤，

-反向渗透，

-脱色，

-无菌过滤，

-冷却，

d)发酵。

2.根据权利要求1的生产乙醇的方法，其特征在于步骤d)发酵以后是蒸馏/脱水步骤。

3.根据权利要求2的生产乙醇的方法，其特征在于蒸馏/脱水步骤采用膜通过渗透汽化进行。

4.根据权利要求1-2之一的生产乙醇的方法，其特征在于该方法包括以下系列步骤：

-粉碎再循环纺棉，

-在温度为60℃-180℃并且有一定量水存在的双螺杆挤压机中通过分离纤维对所述粉碎了的纺棉进行预处理，所述水量为所述原料质量的200％-450％，

-用由纤维素酶和β-葡糖苷酶构成的酶混合物进行酶水解，

-用于清除介质的过滤，

-用于再循环水解酶的超滤，

-用于浓缩滤液的反向渗透，

-脱色，

-无菌过滤，

-冷却，

-在温度为30℃-37℃、pH值为3.8-5.0的发酵罐内用酿酒酵母(Saccharomicescerevisiae)发酵7-24小时，

-用于再循环酵母的微过滤，和

-蒸馏/脱水。