CN102304550B - 一种以木质纤维素为原料生产乙醇或丙酮丁醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以木质纤维素为原料生产乙醇或丙酮丁醇的方法，本发明采用湿盘研磨机——超微粒融碎机物理方法，对木质纤维素原料进行预处理，打开半纤维素包裹纤维素结构，同时打开纤维素结晶结构，本发明可以代替所有的酸、碱及气爆处理方法，不需要高温高压，不加入任何外界金属、硫等有机物，无污染、水解效率高。本发明不产生任何抑制酵母、细菌及厌氧细菌生长发酵的次生物质。本发明不破坏纤维素、半纤维素和木质素。
Description
技术领域
本发明涉及一种以木质纤维素为原料生产乙醇或丙酮丁醇的方法。
背景技术
目前利用木质纤维素生物质，例如，秸秆、谷物、芦苇、木材等原料进行可循环能源开发，其中关键问题之一就是纤维素、半纤维素物质不能快速被微生物所降解或利用，即使添加纤维素酶和/或者半纤维素酶进行水解，但其水解效果也相当的差。以往纤维素生物质原料会采取物理、化学或者二者相结合的方法进行预处理。在中国，玉米芯、秸秆富含纤维素和半纤维素物质，作为木质纤维素生物质的植物类品种，秸秆类物质产量可达6.5亿吨，其中玉米芯年产量可达4000万吨，可作为纤维素生物质转化的重要原料。
以往木质纤维素原料预处理的物理方法包括机械磨碎、高压热水处理和蒸汽爆破处理方法，化学方法包括酸处理和碱处理，湿氧化法以及物理化学方法相结合的微波强化酸预处理氨纤维爆破法等，但其各有优缺点。纤维素酶等物质必须接触、吸附到纤维素底物才能使纤维素反应得到充分进行，而纤维素的结晶区、表面状态、组分结构和木质素、以及纤维素被半纤维素所覆盖都不同程度影响了纤维素生物质的水解。
专利CN200810049574(公开号CN101381743A)“秸秆类生物质通过固态酶解预处理产生氢气和乙醇的方法”分析了一系列该类专利的优缺点，而CN200810049574专利采用研碎、酶解、发酵等工艺其中以1∶1值1∶8的固液比混合，然后按照一定比例加入固体酶，酶解时间为3～25天，酶解时间长，存在酶解效率低，生产周期长，占地面积大，投资成本高等不利因素。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种以木质纤维素为原料生产乙醇或丙酮丁醇的方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种以木质纤维素为原料生产乙醇或丙酮丁醇的方法，将木质纤维素进行机械粉碎至直径为2mm以下的颗粒，用水洗涤、烘干后，然后再与水配制成质量比为1-20％的混合液，在厌氧、0-10℃条件下放置12h～84h，使得到的混合液的pH降至3.0～5.5，然后在1-50℃条件下，采用湿磨盘法进行湿浆研磨，研磨至1～180μm的碳纤维长度，将纤维素原料纤维纳米化，然后按1～30U/g添加纤维素酶和/或半纤维素酶进行酶解，得到混合水解液(糖化液)，然后以1％～10％的接种量接入微生物发酵生产乙醇和/或丙酮和/或丁醇。
1-20％混合液放置12h～84h的条件是：0-10℃条件下，不添加任何物质，利用料液自身含有的菌群，进行厌氧发酵，在不添加其他物质，使混合液的pH降至3.0～5.5。按照一定料液比混合后，经过12h～84h的厌氧发酵，其本身产生乳酸、乙酸、丁酸等弱酸，pH呈现弱酸性；在弱酸条件下，更有利于超微粒融碎机对料液进行预处理，更利于打开纤维素结晶区，同时方便于下一步的酶解过程。
所述机械粉碎是将木质纤维素采用切割机或粉碎机进行粉碎。
所述湿磨盘法指的是采用超微粒融碎机，通过调节超微粒融碎机中上下两层无孔磨盘圆盘的间隙至1μm-2cm将纤维素类物质进行研磨，将木质纤维素原料进行纳米化处理。所述磨盘的材料为陶瓷、金属或石材。
湿磨盘法将1～20％的木质纤维素和水的混合液采用超微粒融碎机进行湿浆研磨，而此混合料液即湿浆其经过12h～84h的厌氧发酵，然后通过调节超微粒融碎机中上下两层无孔磨盘圆盘的间隙将纤维素类物质进行研磨，研磨产物颗粒为乳化物，其固体物质粒度直径一般在1～180μm，即纤维原料纳米化，充分的打开了木质纤维素物质结晶区，浆液中含有单糖(木糖、葡萄糖、阿拉伯糖)、低聚糖(二糖、三糖)等多种可溶性糖。研磨机指的是具有上下两层磨盘并利用磨盘进行研磨的机械。
纤维素酶和/或半纤维素酶进行酶解的条件为：在厌氧条件下产生的pH3.0～pH5.5的条件下，在30～60℃范围内进行水解，得到混合水解液。
所述纤维素酶包含内切酶、外切酶、葡萄糖苷酶中的任意一种或两种或三种的混合物以任意比例混合，所述半纤维素酶包含木聚糖酶、木糖苷酶、甘露聚糖酶、甘露糖苷酶、阿拉伯呋喃糖酶、阿魏酸酯酶中的一种或以任意比例混合的多种的混合物。
所述微生物是指酵母、梭菌、运动发酵单胞菌、大肠杆菌以及它们的转基因微生物中的一种或者以任意比例的多种的混合微生物。
木质纤维素为玉米秸秆、玉米芯、稻秆、麦秆、木屑或麦草中的一种或者以任意比例混合的多种的木质纤维素材料。这里的木质纤维素材料还包括以玉米秸秆、玉米芯、稻秆、麦秆、木屑或麦草为原料经过各种常规预处理和各种常规加工处理后产品以及废弃物。
酶解得到的混合水解液(糖化液)直接发酵生产乙醇，或者以混合水解液作为碳源，再添加发酵丙酮、丁醇和乙醇所必需的氮源，然后接种微生物进行发酵。
所述氮源与碳源的质量比为(1～5)∶40。
所述氮源为酵母粉、蛋白胨、酵母膏、牛肉膏、鱼粉、豆饼粉、玉米浆、硫酸铵、尿素、硝酸钠中的一种或以任意比例混合的多种的混合物。以上述一系列可以作为氮源的有机物质和无机物等均可作氮源。
研磨机分很多种，以往所述的研磨机属于机械粉碎，仅可以将大块状或整体秸秆、玉米芯进行粉碎，随着预处理方法的改进，不少研究者采用了球磨机，球磨机可以将原始的研磨机粉碎至mm级颗粒大小，能耗大。本发明所述的湿磨盘法，其所用的研磨机是日本MKZA10超微粒融碎机(益子产业株式会社，日本埼玉县Masuko Sangyo Co.，Ltd.，Saitama，Japan)，其两层研磨磨盘间距离可以调节至1～2μm，属于纳米超微粉碎领域，其研磨出来的料液呈现高度乳化状，而不是肉眼可见的颗粒状，其乳化粒度大小一般为(1～180μm)，能耗小。其研磨出的料液本身已经具备50％左右的单糖和部分低聚寡糖，可以直接用于发酵生产，但鉴于为了提高发酵生产过程中产物的量所以才采用了酶解法辅助进行发酵；作为传统的机械研磨预处理方法是无法达到的。
本发明以玉米芯、秸秆等木质纤维素原料进行预处理及糖化：玉米芯、秸秆等木质纤维素原料经过本发明预处理，直接添加混合酶制剂进行酶解、糖化。乙醇发酵和/或丙酮、丁醇发酵：以糖化液直接发酵生产乙醇，或者以糖化液作为碳源，混合发酵丙酮、丁醇和乙醇所必需的氮源(例如碳源糖含量为40g/L，氮源为1～5g/L)，然后接种相应的微生物进行乙醇发酵和/或丙酮、丁醇发酵。
对于丙酮丁醇梭菌或者拜氏梭菌等可以产乙醇、丙酮、丁醇三种有机溶剂；对于酵母菌等菌株可能只能产乙醇，所以对于接种不同目的的微生物可以用作生产不同的发酵产物。
本专利根据纤维素类物质研碎之后采用超微粒融碎机的湿磨盘法对料液进行处理，其粉碎粒度及湿磨盘法研磨后，纤维粒度在180微米以下，呈纳米化状态，此纤维粒度能充分打开木质纤维素类纤维结晶区，可以起到像酸、碱水解，高压蒸煮，气爆等预处理方法类似的效果，破坏纤维素原料的结晶区和木质素保护层，使纤维素结构松散，利于快速高效的酶解，缩短生产周期；同时湿盘法研磨出的料液由于粒度处于纳米级，很大一部分纤维素已经变为单糖或低聚糖，即研磨后即可获得一定浓度的糖化液，为了提高糖化液的含糖量采用了补加纤维素酶和/或半纤维素酶的方法，鉴于湿磨盘法对木质纤维素物质结构的影响，在添加混合酶制剂的条件下，可以完成快速、高效糖化，可以完成分步糖化和同步糖化发酵。可以进行短时间快速酶解，进一步提高糖化液中可被微生物利用的葡萄糖、木糖等含量，从而在发酵过程中提高产物的含量，降低利用木质纤维质资源进行产能发酵的时间。该方法可以减少环境的污染，同时减低预处理及发酵过程的能耗。
本发明与CN200810049574专利差异具体见表一所述：
本发明的有益效果是：
(1)本方法无污染、能耗小，预处理液中直接含有50％左右的单糖，直接可以用于发酵生产；同时预处理料液中pH为3.0～5.5，可以直接添加混合纤维素酶制剂进行高效水解、糖化。
(2)以该方法作为预处理方法可以替代所有的酸、碱及气爆处理方法，不需要高温高压，不加入任何外界金属、硫等有机物，纤维素酶或半纤维素酶制剂或其混合物进行水解，水解效率高。
(3)本发明不产生任何抑制酵母、细菌及厌氧细菌生长发酵的次生物质。
(4)本发明不破坏纤维素、半纤维素和木质素。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
本发明采用超微粒融碎机进行湿盘研磨的预处理方法，利用微生物学厌氧发酵和物理学的机械研磨乳化，对木质纤维素原料进行预处理，打开半纤维素包裹纤维素结构，同时打开纤维素结晶结构，不涉及任何酸、碱等物质、不需要高温、高压处理。木质纤维素原料本说明以玉米芯为例，但包括所有的农作物秸秆、草、木材和纤维类植物。
本发明首先将木质纤维素原料粉碎成粉末状，然后采用水冲洗干净，烘干。按一定比例配成混合水浆液，在厌氧、0-10℃条件下放置12h～84h后，在不添加其他物质，混合液的pH降至3.0～5.0时期，得到的混合液在1-50℃条件下，采用湿盘研磨法——超微粒融碎机进行研磨，研磨后按定量浓度添加适量的纤维素酶系半纤维素酶或其混合酶系，进行糖化。糖化液按照一定比例配制成发酵培养基进行乙醇、丙酮、丁醇发酵。
本发明原理是采用物理方法将木质纤维素生物质的结晶结构充分打开，提高了纤维素酶、半纤维素酶等酶对木质纤维素生物质的亲和力，提高了其水解效率。
实施例1：
将玉米芯用粉碎机粉碎成1mm的粉末，然后用水冲洗干净，然后60℃过夜烘干。将500g的1-2mm以下的玉米芯粉与10L水混匀，10℃下放置厌氧发酵1天，待pH降至4.5时，调整湿盘研磨机——日本MKZA10超微粒融碎机(益子产业株式会社，日本)2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙1微米，将4℃冷藏的料液混匀，加入超微融碎机，研磨10～15圈，其粒度为2μm之间，可溶性糖含量为0.385g/g玉米芯，其中葡萄糖含量约为65％，木糖含量约为20％。将预处理液按添加量5％添入复合纤维素酶。水解条件为：10.0mLpH4.5，50℃条件下，200rpm旋转震荡水解48h。可溶性糖含量为0.637g/g玉米芯，其中木糖含量可达39.1％，葡萄糖含量可达71.3％。上述玉米芯经预处理、酶解后的混合料液，添加0.1％的酵母粉(为微生物提供有机氮源以及维生素、生长素等营养)，pH5.5～7.0，以5％的接种量接入丙酮丁醇生产微生物Clostridium beijerinckii ATCC55025(购自美国标准微生物品保藏中心)，将温度调节至适宜的培养温度进行丙酮、丁醇发酵，发酵72h。采用气相色谱法测定，丁醇含量可达9.0g/L，丙酮含量为4.9g/L。
实施例2：
将玉米芯用粉碎机粉碎成2mm的粉末。将500g的2mm以下的玉米芯粉与5L水混匀，4℃下放置1天，4℃下放置厌氧发酵2天，待pH降至5.0，调整湿盘研磨机——日本MKZA10超微粒融碎机(益子产业株式会社，日本)2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙2微米，研磨15圈后，加入10FPU/g支顶孢菌复合纤维素酶和0.4％的β-木糖苷酶；混匀后在50℃条件下预水解1h，添加0.1％酵母粉，混匀后，温度保持在37℃，按5％的接种量接入丙酮丁醇生产微生物Clostridium beijerinckii ATCC55025，发酵72h，丁醇含量为7.8g/L，丙酮含量为4.1g/L。
实施例3：
将麸皮用粉碎机粉碎成1mm的粉末，将500g的料液与5L水混匀，4℃下放置厌氧发酵2天，待pH降至4.8时，调整湿盘研磨机——日本MKZA10超微粒融碎机(益子产业株式会社，日本)2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙10微米，将4℃厌氧的料液混匀，加入超微融碎机，研磨10圈，可溶性糖含量为0.151g/g麸皮。将预处理液按添加量5％添加6.4FPU/g支顶孢菌纤维素酶(具有内切酶、外切酶的复合酶)和40μL/g β-木糖苷酶水解48h。可溶性糖含量为0.531g/g麸皮。上述麸皮经预处理、酶解后的混合料液，添加0.1％的酵母粉，pH5.5～7.0，以5％的接种量接入丙酮丁醇生产微生物Clostridiumbeijerinckii ATCC55025，将温度调节37℃进行丙酮、丁醇发酵，发酵72h。采用气相色谱法测定，丁醇含量可达8.3g/L，丙酮含量为3.1g/L。
实施例4：
将麸皮用粉碎机粉碎成1mm的粉末，然后用水冲洗干净，然后60℃过夜烘干。将150g的1-2mm以下的麸皮与1L水混匀，4℃下放置，厌氧发酵12h，pH5.0。调整湿盘研磨机——日本MKZA10超微粒融碎机2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙1微米，将4℃冷藏的料液混匀，加入超微融碎机，研磨10～15圈，添加20FPU/g支顶孢菌复合纤维素酶并将pH调节至5.0。混合均匀后，50℃条件下，200rpm旋转震荡水解36h，测定相对应的糖浓度，葡萄糖含量为0.676g/g麸皮。上述麸皮经预处理、酶解后的混合料液，按照1.2％的接种量接入乙醇生产微生物酿酒酵母(安琪酵母公司的高活性酿酒干酵母)，将温度调节至适宜的培养温度进行乙醇发酵30摄氏度，厌氧发酵60～84h，实验测定结果显示乙醇含量可达42g/L。
实施例5：
将玉米芯用粉碎机粉碎成1mm的粉末，然后用水冲洗干净，然后60℃过夜烘干。将150g的1-2mm以下的玉米芯粉与1L水混匀，4℃下放置2天，pH4.0。调整湿盘研磨机——日本MKZA10超微粒融碎机2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙4微米，将4℃冷藏的料液混匀，加入超微融碎机，研磨8圈后，其纤维粒度在3～10微米，121℃湿热灭菌30min。起始添加16.4FPU/g支顶孢菌复合纤维素酶混匀后在50℃条件下水解2h，2％的接种量接入乙醇生产微生物酿酒酵母至30℃发酵120h，测定乙醇含量，乙醇含量为37g/L。
实施例6：
将小麦秸秆用粉碎机粉碎成1mm的粉末，然后用水冲洗干净，然后60℃过夜烘干。将150g的1-2mm以下的麦秸与1L水混匀，4℃下放置3天，待pH降至4.5时，调整湿盘研磨机——日本MKZA10超微粒融碎机2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙20微米，将4℃冷藏的料液混匀，加入超微融碎机，研磨5圈，其纤维粒度一般在20～50微米左右，然后121℃湿热灭菌30min，添加20FPU/g支顶孢菌复合纤维素酶混匀后在50℃条件下水解48h，酶解后葡萄糖含量0.358g/g秸秆。2％的接种量接入乙醇生产微生物酿酒酵母，30℃发酵120h，乙醇含量为20.7g/L。
Claims (1)
1.一种以玉米芯为原料生产丁醇和丙酮的方法，其特征在于：将玉米芯用粉碎机粉碎成1mm的粉末，然后用水冲洗干净，然后60℃过夜烘干；将500g的1-2mm以下的玉米芯粉与10L水混匀，10℃下放置厌氧发酵1天，待pH降至4.5时，调整湿盘研磨机2个上下圆盘磨盘之间的间隙至合适的间隙1微米，将4℃冷藏的料液混匀，加入超微融碎机，研磨10～15圈，其粒度为2μm之间；将预处理液按添加量5％添入复合纤维素酶，水解条件为：10.0mLpH4.5，50℃条件下，200rpm旋转震荡水解48h；上述经预处理、酶解后的混合料液，添加0.1％的酵母粉，pH5.5～7.0，以5％的接种量接入丙酮丁醇生产微生物Clostridium beijerinckii ATCC55025，将温度调节至适宜的培养温度进行丙酮、丁醇发酵，发酵72h。
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