CN102433358A

CN102433358A - 一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法

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Publication number: CN102433358A
Application number: CN2011103216818A
Authority: CN
Inventors: 李十中; 闫智培; 李纪红
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102433358B

Abstract

本发明公开了属于生物化工技术领域的一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法，包括如下步骤：1)玉米芯在酸性条件下水解，得到木糖溶液和酸解渣；2)将上述酸解渣经碱液/醇提取得到木质素及去木质素残渣；3)将上述去木质素残渣作为酶解底物，加入酶解缓冲液，用纤维素酶进行酶解得到酶解混合液；4)将上述酶解混合液发酵产生乙醇溶液。本发明的联产方法，综合利用了玉米芯的三大组分，得到高附加值的木糖和木质素产品，提高酶解底物中的纤维素含量和纤维素酶可及性，实现纤维素酶解的高转化率。该方法使得木质纤维素原料的利用率提高，纤维素乙醇的生产成本下降。

Description

一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法。

技术背景

人类在进入21世纪以后，生存发展遭遇了两个瓶颈问题，一个是环境恶化问题，一个是化石能源短缺的问题。为了逐步摆脱对传统能源的过度依赖、减少对环境的污染，许多国家纷纷寻找传统能源的替代物。

燃料乙醇是一种优质的液体燃料，可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是最易工业化的一种民用燃料或内燃机燃料，是最具有发展潜力的石油替代燃料。

目前，生产生物乙醇的生物质原料大致可分为三类：①淀粉类原料(如玉米、小麦、水稻、马铃薯、木薯、红薯)；②含蔗糖类原料(如甘蔗、甜菜、甜高粱、水果)；③木质纤维素(如林业废弃物、秸秆、麦草、玉米芯、甘蔗渣等)。基于“不与人争粮”及价格因素的原则，随着生物乙醇产业的扩大，木质纤维素的优势日益扩大。

由于木质纤维素原料结构复杂，纤维素被半纤维素和木质素包裹形成了更加致密的三维网状空间结构，为了将纤维素降解成葡萄糖必须采取预处理技术，破坏上述三维网状空间结构，增强纤维素酶的可及性。

目前，已经开发出各类提高纤维素转化率的物理、化学预处理方法。在理论上，天然纤维素原料的生物降解不存在原则性困难，可一旦将其工业化时就会出现技术经济难以过关的障碍。由于预处理方法能耗大、成本高，使得纤维素乙醇与当今的石油价格、淀粉乙醇价格比较，在经济效益上还难于在竞争中立足。目前，要降低纤维素乙醇的成产成本，必须实现木质纤维素原料中的各主要组分的综合利用，同时提高产品附加值。

目前，经济性最高的预处理方法为低温稀酸预处理。半纤维素和纤维素酸水解的难易程度不同。在较温和的酸解条件下，半纤维素能够被降解生成木糖、阿拉伯糖等，而纤维素无明显降解。

发明内容

针对上述纤维素乙醇生产经济性差和原料利用充分等不足，本发明的目的在于提供一种以玉米芯为代表的木质纤维素联产木糖、木质素和乙醇的方法，本发明将玉米芯首先在酸性条件下水解，使得半纤维素降解得到木糖；再采用碱液/醇提取工艺，将酸解渣中的木质素提取出来；然后将去木质素残渣进行酶解得到酶解混合液；最后酶解混合液接种酵母发酵产生乙醇。本发明的联产方法，综合利用了木质纤维素原料的三大组分，得到高附加值的木糖和木质素产品，提高酶解底物中的纤维素含量和纤维素酶可及性，实现纤维素酶解的高转化率。该方法使得木质纤维素原料的利用率提高，纤维素乙醇的生产成本下降。

一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法，该方法包括如下步骤：

(1)玉米芯经水洗和稀酸洗后，在酸性条件下水解，固液分离得到木糖溶液和酸解渣；

(2)将上述酸解渣在碱液或醇中提取木质素，固液分离得到木质素溶液和去木质素残渣；

(3)将上述去木质素残渣水洗后作为酶解底物，加入酶解缓冲液，然后加入酶进行酶解，得到酶解混合液；

(4)将上述酶解混合液接种酵母发酵得到乙醇溶液。

其中，步骤(1)为半纤维的利用和纤维素乙醇的酸预处理过程，步骤(2)为木质素的提取和酸解渣的脱毒过程，步骤(3)为酶催化纤维素水解糖化过程，(4)为酶解混合液发酵产乙醇过程。

步骤(1)所述水洗为用常温水冲洗玉米芯；所述稀酸洗为用浓度(重量百分数)为0.05％～0.20％的稀酸冲洗玉米芯；所述酸性条件下水解是指玉米芯作为酸解底物在酸的浓度(重量百分数)为0.5％～5％，酸解底物(干基计)的重量百分数为5％～20％的条件下，在100～150℃酸解0.2～4.0h。所述的酸可以为硫酸、盐酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一种或者几种。

优选的酸解条件是，在1.0～1.5％硫酸浓度，温度120～125℃的条件下，酸解2h，酸解底物(干基计)的重量百分数为10％～15％。

步骤(2)中所述的碱液提取木质素的条件为：碱液的浓度为0.1～2.0mol/L，温度50～100℃，提取时间0.5～1.0h，酸解渣与碱液的重量体积比为1g∶10～50mL。所述的碱可以为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或者几种。

优选的条件是：浓度为0.4～0.6mol/L的NaOH溶液在温度70～90℃的温度下，提取时间0.5h，酸解渣与碱液的重量体积比为1g∶25～45mL。

用碱液提取木质素的方法得到的木质素溶液在用硫酸将pH值调至2～5后，静置，然后固液分离得到碱木素。

步骤(2)中所述的醇提取木质素的条件为：温度为170～220℃，提取时间1～5h，酸解渣与醇的重量体积比为1g∶1～10mL。所述的醇可以为乙醇、丙三醇中的一种或者几种。

优选的条件是：温度180～200℃，提取时间2～3h，酸解渣与丙三醇的重量体积比为1g∶4～6mL。

用醇提取木质素的方法得到的木质素溶液先用水稀释，然后静置分层后固液分离得到醇提木素。

步骤(3)中所述的酶解的条件为：在酶解液pH值为4～6，酶解底物(干基计)的重量百分数为5％～30％的条件下，将酶加入到酶解液中，加入量为底物质量的0.5％～5％(或者2～15FPU/g纤维素)，在45～55℃的温度酶解24～120h。

优选的条件是：酶解液pH值为4.8～5.2，酶解底物(干基计)的重量百分数为12.5％，酶解温度为50℃，酶解72h。

步骤(3)中所述的酶为纤维素酶或者纤维素酶添加β-葡萄糖苷酶的复配。

步骤(4)中所述发酵的条件为：先将酶解混合液在115～121℃灭菌10～20min，然后在酵母接种量为5％～20％(即酵母液与酶解混合液的体积比为5％～20％)，发酵罐内温度为25～35℃的条件下，发酵20～42h。所述酵母为安琪酵母或者TSH-Sc-001菌种。

优选的条件是：先将酶解混合液在115℃灭菌15min，采用TSH-Sc-001菌种作为酵母，在TSH-Sc-001接种量为15％(即酵母液与酶解混合液的体积比为15％)，罐内温度为28～32℃的条件下，发酵30h。

本发明所述TSH-Sc-001菌种与专利CN101033476A中的TSH-Sc-001菌种相同(保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期：2007年3月6日，登记入册编号：1949)。

所述固液分离方法可以为抽滤、离心、沉降或旋液分离中的一种或几种。

本发明是一种玉米芯联产木糖、木质素、乙醇的方法，其优点在于：

1)玉米芯中含有30％左右的半纤维素，经稀酸处理后，酸解液可用来制备木糖，其可进一步生成木糖醇或者糠醛等高附加值产品。玉米芯在酸性条件下的水解过程既是木糖的生产过程，同时也是乙醇生产的预处理过程，有效的降低了乙醇生产的预处理成本。

2)碱液处理酸解渣，一是可以提取木质素，其可以用来合成酚醛树脂、环氧树脂、聚砜、聚氨酯等，也可以降解制成酚类、醛类及多种气化物；二是可以消除木质素对酶解的抑制作用并减少酶的无效吸附，提高酶解效率；三是碱可以除去甲酸、乙酸、糠醛等酸解过程中产生的酶解抑制物，提高酶解效率。

3)醇提取酸解渣中的木质素，可以得到高品质的木质素，消除木质素对酶解的抑制作用和减少酶的无效吸附，提高酶解效率，同时醇能够回收利用，经济环保。

4)去木质素残渣的组成简单，纤维素含量高、纤维素酶可及面积大，酶解抑制物少，因此酶解所需的酶用量小、酶解效率高，酶解液的葡萄糖浓度高。非常有效的降低了乙醇生产的酶成本。

总之，此方法充分利用了纤维素原料中主要组分，半纤维素生成了较直接糖化发酵产乙醇更高附加值的产品——木糖；木质素被碱液/醇提取出来后，可与其他化学品合成制成酚醛树脂、环氧树脂、聚砜、聚氨酯等，降解可制成酚类、醛类及多种气化物；由于脱除了半纤维素和木质素，酶的抑制作用减弱、无效吸附减少，去木质素残渣酶解的酶用量减少、转化率提高。所以有效提高了原料的利用率、降低了乙醇的生产成本。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

(注：以下实施例的百分数除特殊说明外均为重量百分数)

实施例1

取400g玉米芯粉(以干基计，干基中纤维素37.33％、半纤维素40.05％、木素11.28％，灰分1.66％、可溶性组分9.68％)经常温水冲洗和浓度为0.05％的硫酸冲洗后加入反应罐中，然后加入3200mL浓度为1.5％的硫酸，在120～125℃的条件下，酸解2h。反应结束后抽滤，得到滤液和酸解渣。滤液中的木糖浓度为32.10g/L。滤液中杂质含量为：葡萄糖23.09ppm，阿拉伯糖27.76ppm，醋酸26.67ppm，糠醛16.28ppm。酸解渣的纤维组成为：纤维素52.16％、半纤维素6.47％、木素24.4％、灰分2.36％，可溶性组分14.6％。

滤液中木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、醋酸、糠醛的量均由高效液相色谱测得。物料的纤维组成均是由范式法测得。

取经50℃烘干的酸解渣30g(以干基计)加入到碱液反应器中，加入0.5mol/L的NaOH溶液300mL，在80℃的条件下提取0.5h。提取结束后过滤得到木质素溶液和去木质素残渣(干基中纤维素88.94％、半纤维素3.47％、木素5.04％，灰分0.76％，可溶性组分0.01％)。木质素溶液用稀硫酸将pH值调为2～3后，静置过夜后，过滤得到碱木素。

取去木质素残渣5g(以干基计)水洗后作为酶解底物加入到酶解反应器中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为12.5％，用稀硫酸调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶ctec2加入到酶解液中，加入量为底物质量的2％，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解72h，得到酶解混合液。

酶解过程中，每24h取样一次，其纤维二糖、葡萄糖、木糖的浓度均由高效液相色谱测得，酶解24h纤维素的转化率为32.42％，葡萄糖的浓度为39.6g/L；酶解48h纤维素的转化率为63.13％，葡萄糖的浓度为75.7g/L；酶解72h纤维素的转化率为78.20％，葡萄糖的浓度为95.5g/L。

酶解混合液先在115℃灭菌15min，然后在TSH-Sc-001接种量为15％(即酵母液与酶解混合液的体积比为15％，每mL酵母液中约含1×10⁷个细胞)，罐内温度为28℃的条件下发酵30h。乙醇收率达90％。乙醇的量由气相色谱测得。

实施例2

玉米芯酸性条件下的水解方案同实施例1。

取酸解渣100g(以干基计)加入到醇提取器中，加入丙三醇500mL，在200℃的条件下提取3h。提取结束后，抽滤，再用加热的丙三醇100mL冲洗残渣一次，然后用100mL热水冲洗残渣3次，得到木质素溶液和去木质素残渣(干基中纤维素79.00％、半纤维素6.74％、木素4.22％、灰分4.66％)。用水将木质素溶液稀释，静置过夜，离心分离得到醇提木素。

取去木质素残渣5g(以干基计)作为酶解底物加入到酶解反应器中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为5％的条件下，用稀硫酸调节酶解液的pH值为4.8，将诺维信公司的纤维素酶Cellic Ctec2加入到酶解液中，加入量为15FPU/g纤维素，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解72h，得到酶解混合液。

酶解混合液中的纤维二糖、葡萄糖、木糖的浓度均由高效液相色谱测得，酶解纤维素的转化率为93.90％，葡萄糖的浓度为40.8g/L。

酶解混合液发酵的条件同实施例1。乙醇收率达90％。乙醇的量由气相色谱测得。

实施例3

玉米芯酸性条件下水解和碱液提取木质素的方案同实施例1。

取去木质素残渣5g(以干基计)水洗后作为酶解底物加入到酶解反应器中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为14.3％的条件下，用稀硫酸调节酶解液的pH值为4.8，将诺维信公司的纤维素酶Celluc Last 1.5L和β-葡萄糖苷酶N2188复配后加入到酶解液中，Celluc Last 1.5L加入量为酶解底物质量的2％，N2188加入量为纤维素酶加入量的1％，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解72h，得到酶解混合液。

酶解过程中，每24h取样一次，其纤维二糖、葡萄糖、木糖的浓度均由高效液相色谱测得，酶解24h纤维素的转化率为45.78％，葡萄糖的浓度为28.8g/L；酶解48h纤维素的转化率为53.41％，葡萄糖的浓度为34.7g/L；酶解72h纤维素的转化率为71.30％，葡萄糖的浓度为46.2g/L。

实施例4

玉米芯酸性条件下水解和碱液提取木质素的方案同实施例1。

取去木质素残渣5g(以干基计)水洗后作为酶解底物加入到酶解反应器中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为5％的条件下，用稀硫酸调节酶解液的pH值为4.8，将诺维信公司的纤维素酶Cellic Ctec2加入到酶解液中，加入量为15FPU/g纤维素，在50℃的温度下，以120rpm的转速酶解72h，得到酶解混合液。

酶解混合液的纤维二糖、葡萄糖、木糖的浓度均由高效液相色谱测得，酶解纤维素的转化率为73.5％，葡萄糖的浓度为36.0g/L。

实施例5

取400g玉米芯粉经过常温水冲洗和浓度为0.2％的盐酸冲洗后，加入反应罐中，然后加入2000mL浓度为5％的硫酸，在145～150℃的条件下，酸解0.2h。反应结束后抽滤，得到滤液和酸解渣。滤液中的木糖浓度为22.10g/L。酸解渣的纤维组成为：纤维素45.16％、半纤维素11.47％、木素23.4％、灰分2.36％，可溶性组分15.4％。

酸解液中木糖的量由高效液相色谱测得。酸解渣的纤维组成均是由范式法测得。

取酸解渣100g(以干基计)加入到醇提取器中，加入丙三醇100mL，在220℃的条件下提取5h。提取结束后，抽滤，再用加热的丙三醇100mL冲洗残渣一次，然后用100mL热水冲洗残渣3次，得到木质素溶液和去木质素残渣(干基中纤维素79.00％、半纤维素6.74％、木素4.22％、灰分4.66％)。用水将木质素溶液稀释2～4倍，静置过夜，离心分离得到醇提木素。

取去木质素残渣5g(以干基计)作为酶解底物加入到酶解反应器中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为25％，用稀硫酸调节酶解液的pH值为5.0，将诺维信公司的纤维素酶Cellic Ctec2加入到酶解液中，加入量为3FPU/g纤维素，在55℃的温度下，以150rpm的转速酶解24h，得到酶解混合液。酶解混合液的纤维二糖、葡萄糖、木糖的浓度均由高效液相色谱测得，酶解纤维素的转化率为53.5％，葡萄糖的浓度为22.0g/L。

酶解混合液先在121℃灭菌10min，然后在安琪酵母接种量为15％(即酵母液与酶解混合液的体积比为15％，每mL酵母液中约含1×10⁷个细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵40h。乙醇收率达90％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(2)将上述酸解渣在碱液或者醇中提取木质素，固液分离得到木质素溶液和去木质素残渣；

(3)将上述去木质素残渣水洗后作为底物，加入酶解缓冲液，然后加入酶进行酶解，得到酶解混合液；

(4)将上述酶解混合液接种酵母发酵得乙醇溶液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)所述水洗为用常温水冲洗玉米芯；所述稀酸洗为用0.05％～0.20％的稀酸冲洗玉米芯；所述酸性条件下水解是指玉米芯作为酸解底物在酸浓度0.5％～5.0％，酸解底物的重量百分数为5％～20％的条件下，在100～150℃酸解0.2～4.0h，其中，酸解底物的重量以干基计。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)在碱液中提取木质素的条件为：碱液的浓度为0.1～2.0mol/L，温度50～100℃，提取时间0.5～1.0h，酸解渣与碱液的重量体积比为1g∶10～50mL；

步骤(2)在醇中提取木质素的条件为：温度为170～220℃，酸解渣与醇的重量体积比为1g∶1～10mL，提取时间1.0～5.0h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述酶解的条件为：在酶解液的pH值为4～6，酶解底物的重量百分数为5％～30％的条件下，将酶加入到酶解液中，加入量为2～15FPU/g纤维素或酶解底物质量的0.5％～5％，在45～55℃的温度酶解24～120h，上述酶解底物的重量以干基计。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的发酵条件为：先将酶解混合液在115～121℃灭菌10～20min，然后在酵母接种量为5％～20％，发酵罐内温度为25～35℃的条件下，发酵20～42h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的酶为纤维素酶，或者为纤维素酶添加β-葡萄糖苷酶的复配。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用碱液提取木质素的方法得到的木质素溶液在用硫酸将pH值调至2～5后，静置，然后固液分离得到碱木素。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用醇提取木质素的方法得到的木质素溶液先用水稀释，然后静置分层后固液分离得到醇提木素。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的酵母为安琪酵母或者TSH-Sc-001菌种。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)制得的木糖溶液作为中间产品，再生产木糖醇或糠醛。