CN102517341A - 一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，该工艺包括以下步骤：(1)秸秆类木质纤维素的破碎：用破碎机对秸秆类木质纤维素进行破碎，破碎至80目筛并于55℃烘干得到秸秆类木质纤维素粉末；(2)取粉碎烘干的秸秆类木质纤维素粉末，向其中加入质量分数为1.0％的NaOH溶液，进行预处理；(3)纤维素酶水解糖化；在步骤(2)制得的秸秆粉末中加入纤维素酶，于40℃，pH为4.5条件下，搅拌水解48h，得到纤维素酶水解糖化水解液；(4)乙醇发酵在发酵罐中将纤维素酶水解糖化水解液的温度降至35℃，加入酵母2g/L，进行恒温发酵反应即可得燃料乙醇。与现有技术相比，本发明具有原料丰富，成本低、水解效率高，副产物少、乙醇产率高等优点。

Description

一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺
技术领域
本发明涉及一种乙醇的生产工艺，尤其是涉及一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺。
背景技术
石油作为全球最主要的能源和化工产品的原料，但随着世界各国经济的不断发展，特别是近年来发展中国家经济的快速发展，对石油等化石燃料的需求量也越来越大。但随着世界石油等资源的日益枯竭，原油价格的不断攀升，以及人们对环境质量要求的不断提高，环境压力日益加重的情况下，绿色，环保，可持续能源的开发和利用成为促进经济社会可持续发展的客观需求。开发利用绿色，环保，可持续的清洁能源成为世界各国争相需要破解的难题。燃料乙醇作为一种清洁、高效的能源受到越来越广泛的应用。目前，世界各国都在大力发展燃料乙醇，扩大燃料乙醇的生产能力。美国2008年燃料乙醇产量达9×109加仑，比上年增加34％，占全球燃料乙醇总产量的51.9％。与美国主要采用玉米生产燃料乙醇不同，巴西主要利用甘蔗来生产燃料乙醇。同年，巴西的燃料乙醇产量为6.472×109加仑，位居世界第二，较2007年的50亿加仑的产量增长近30％。在巴西，超过80％的机动车，甚至小型飞机现在也开始使用燃料乙醇。燃料乙醇的大规模生产带来了丰厚的利益。从2001～2006年，美国燃料乙醇产业为联邦政府和地方州政府分别增加税收19亿美元和16亿美元；同时，美国相应减少石油进口1.7亿桶，减少支出外汇87亿美元。美国2007年出台的《能源独立和安全法》规定，到2022年前，要求国内汽车中加入360亿加仑的生物质燃料，主要是燃料乙醇。正是看中了燃料乙醇的广阔前景，巨额资金正投向燃料乙醇行业。ADM公司是美国最大的乙醇生产厂商，每年生产超过10亿加仑的乙醇，并且还计划继续扩大生产能力。一些汽车厂商和石油公司也开始将目光投向燃料乙醇行业，福特公司开始推动燃料乙醇加油站得改造，壳牌公司则在加拿大建造世界上第一个大规模使用纤维素为原料生产乙醇的工厂。我国的生物能源起步较晚，2008年，中国的燃料乙醇产量为5.02×108加仑，与燃料乙醇生产大国之间的差距明显。但根据国家发展和改革委员会制定的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国燃料乙醇产量将达1.0×107t，发展前景广阔。然而，以马铃薯，小麦，玉米等高淀粉含量的粮食为原料的第一代燃料乙醇，直接导致了粮食价格的不断攀升和持续出现的粮食危机。尽管世界小麦、玉米和大米的产量仍在增加，但因第一代燃料乙醇的生产消耗大量的粮食，2003年以来，世界使用粮供给下降，其中作为最大粮食出口国的美国，其2006粮食出口占全球的比重下降到34.54％，比2003年下降了近5％。同时，自2006年以来，世界粮油价格也一路上涨，2007年比2006年上涨37％，其中小麦上涨63％，玉米上涨26.7％。我国已经开始从第一代燃料乙醇的生产过渡到以木薯等为原料的1.5代燃料乙醇的生产，但这仍无法避免需增加种植面积的难题，与我国人均耕地面积本来就少的国情所不符，且以木薯为原料生产燃料乙醇过程中产生高COD废水，极难处理。而利用秸秆类木质纤维素为原料来生产燃料乙醇具有原料丰富，分布广等优点，不仅能避免与人争粮的问题，而且能更有效的减少温室气体的排放，还能在一定程度上增加农民的收入，促进城乡经济的发展。机动车使用95％的乙醇添加汽油，能使CO2排放减少达86％，同时SO2的排放减少60％～80％。但目前秸秆类木质纤维素还未被充分利用。在美国，超过90％的玉米秸秆被遗留在田里，没有被利用；近年，我国农业秸秆年产量在7亿吨左右，但是在经济发达省份，超过50％的农作物秸秆被遗弃或直接露天焚烧，这不仅造成了极大的大气环境污染，而且浪费了宝贵的生物质资源。因此，开发以秸秆类木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇的生产技术对缓解能源危机，粮食安全以及促进节能减排，增加农民收入等具有重要意义。
但由于秸秆类木质纤维素结构复杂，受限于目前的技术水平，如预处理技术成本较高，副产物环境危害大。蒸汽爆破法虽然可以达到较好预处理效果，但仍存在不少问题，尚不具备工业化推广条件；湿式氧化法预处理虽然能耗少，但成本非常高；H2SO4和HCl等浓酸预处理方法具有较强的腐蚀性，且会对环境产生污染；稀酸法处理效率较高，但需要在高温高压下方能进行，且对原料利用率偏低，成本较高。水解糖化技术副产物较多且污染较大。稀酸水解需在高温高压下进行，水解液成酸性，需中和，成本较高，且副产物较多，对后续的发酵过程有抑制作用；浓硫酸水解所需时间较长，且浓酸腐蚀性强，对设备的要求较高，后期分离回收增加了工艺的复杂度与成本。因此开发一种高效率，低成本，周期短，副产物少，绿色环保的预处理，水解，发酵工艺成为推广利用秸秆类木质纤维素制取燃料乙醇的关键。本发明采用机械粉碎和1.0％NaOH相结合的预处理方法能有效去除秸秆类木质纤维素中的木质素，使秸秆膨胀，破坏秸秆致密的结构，同时能有效保留原料中的纤维素和半纤维素，提高了原料的利用效率，且通过对NaOH溶液的回收再利用，有效降低了预处理成本；采用纤维素酶水解方法，条件温和，能耗低，效率高，绿色环保，副产物少，对发酵过程影响较小；发酵过程采用酿酒酵母BY4742恒温发酵，同时添加一定量营养液，保持酵母菌活性，提高乙醇产率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种清洁、环保、可持续发展的采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
(1)秸秆类木质纤维素的破碎
用破碎机对秸秆类木质纤维素进行破碎，破碎至80目筛并于55℃烘干得到秸秆类木质纤维素粉末；
(2)取粉碎烘干的秸秆类木质纤维素粉末，向其中加入质量分数为1.0％的NaOH溶液，控制固液比为1∶20，搅拌均匀；并于121℃，压力为0.2MPa条件下保温50min，冷却至室温后加入蒸馏水，在离心机中进行离心分离，将离心后的秸秆沉淀于105℃烘干，然后用破碎机进行破碎至80目，并于55℃烘干得到秸秆粉末；
(3)纤维素酶水解糖化；
在步骤(2)制得的秸秆粉末中加入纤维素酶，于40℃，pH为4.5条件下，搅拌水解48h，得到纤维素酶水解糖化水解液，所述的纤维素酶的加入量为15FPU/g秸秆粉末；
(4)乙醇发酵
在发酵罐中将纤维素酶水解糖化水解液的温度降至35℃，加入酵母2g/L，进行恒温发酵反应，营养液投加量为10ml营养液/L反应液，pH为4.5，搅拌，发酵周期为48h，即可得燃料乙醇。
步骤(2)所述的离心机设定转速为4000r/min，每次离心15min，离心过后的上清液添加NaOH后重复利用。
步骤(2)所述的秸秆沉淀用蒸馏水洗涤，直至离心过后的上清液呈中性。
步骤(3)所述的搅拌水解的搅拌速度为250r/min。
步骤(3)所述的pH为4.5条件通过以下方法控制：将秸秆粉末与纤维素酶的混合物置于水解罐中，水解罐中设有pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制水解液中pH变化，pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将水解液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，稀HCl和稀NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。
步骤(4)所述的酵母为酵母BY4742。
步骤(4)所述的恒温发酵过程中pH控制为：在发酵罐中设置pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制发酵液中pH变化，pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将发酵液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，稀HCl和稀NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。
步骤(4)所述的营养液为：KH2PO40.07g/L，MgSO4·H2O0.035g/L，CaCl20.01g/L，NaCl0.01g/L，MnSO4·4H2O11g/L，CuSO4·5H2O 0.2g/L，ZnSO4·7H2O 2.1g/L，CoSO4·H2O 0.4g/L，FeSO41.44g/L。
本发明以秸秆类木质纤维素农业废弃物为原料，以物理方法预处理(机械粉碎)结合化学方法预处理(1.0％NaOH)预处理，预处理效果佳，NaOH溶液可回收再利用，节约成本，环境污染小；以纤维素酶进行水解糖化，反应条件温和，能耗低，效率较高，副产物少，绿色环保；用酿酒酵母BY4742进行恒温发酵，乙醇产率高。本发明一方面工艺简单，操作方便，连续性较好，另一方面原料利用率较高，乙醇产率较高。所生产的燃料乙醇一方面可以用作汽油添加剂，生产乙醇汽油；另一方面可以直接用作燃料，来替代日益枯竭的化石燃料，且具有清洁、环保、可持续的优点。机动车使用95％乙醇添加汽油可使CO2排放减少近90％，SO2排放减少60％～80％，这对国家实行的节能减排，控制SO2排放具有积极意义。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)预处理过程中首先采用物理方法预处理，用破碎机对秸秆类木质纤维素进行破碎，破碎至80目，破碎效果较好，增大了秸秆类木质纤维素的表面积，使得在后续的NaOH预处理过程中能混合得更均匀，预处理更充分；
(2)采用1.0％NaOH溶液对粉碎过后的秸秆类木质纤维素粉末进行预处理，能脱除秸秆类木质纤维素中部分木质素和半纤维素，而纤维素溶解很少；同时能使原料膨胀，增大秸秆内部表面积，增大原料的孔隙率，降低结晶度和聚合度，取得良好的预处理效果；且通过对预处理混合液的离心，实现固液分离的同时回收利用NaOH溶液，降低了预处理成本也减少了对环境的污染；
(3)利用纤维素酶对预处理秸秆粉末进行水解糖化，反应条件温和，能耗低，效率较高，副产物少，绿色环保；
(4)以酿酒酵母BY4742进行恒温发酵，同时通过对发酵液pH的控制，乙醇产率高，发酵周期较短；
(5)纤维素酶水解糖化和乙醇发酵过程中溶液的pH通过pH控制箱实现了溶液pH在线实时检测和控制，pH调整所用的稀HCl和NaOH溶液浓度均为0.5mol/L，校准较为精准，且反应过程中所投加的酸碱体积较少，减少了反应过程中糖和乙醇浓度的影响，保证了反应的高效运行，同时此控制系统自动化程度较高；
(6)本发明一方面工艺简单，自动化程度较高，操作方便，连续性较好，周期较短，另一方面原料利用率较高，乙醇产率较高。
附图说明
图1为本发明制备燃料乙醇的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)小麦秸秆的破碎
用破碎机对小麦秸秆进行破碎，破碎至80目，并于55℃烘干保存；
(2)1.0％NaOH溶液预处理
称取粉碎烘干的小麦秸秆粉末200g，向其中加入质量分数为1.0％的NaOH溶液4L，控制固液比为1∶20，搅拌均匀；并于121℃，压力为0.2MPa条件下保温50min，冷却至室温后加入适量的蒸馏水，进行离心，设定离心机转速为4000r/min，每次离心15min。此次离心过后的上清液添加适量NaOH后可重复利用。沉淀用蒸馏水洗涤，直至离心过后的上清液呈中性；将离心过后的小麦秸秆沉淀于105℃烘干。烘干后用破碎机进行破碎，破碎至80目，并于55℃保存待用。
1.0％NaOH预处理前后小麦秸秆中木质素、半纤维素、纤维素成分的变化如下表所示：
(3)纤维素酶水解糖化
称取80g预处理过后的干燥小麦秸秆粉末于4L发酵罐中，并用蒸馏水定容至2L，进行纤维素酶水解糖化。其中，纤维素酶投加量为15FPU/g秸秆粉末，温度为40℃，pH为4.5，通过机械搅拌装置进行搅拌，转速为250r/min，水解周期为48h，得到纤维素酶水解糖化水解液。48h后水解液中葡萄糖浓度达最大值14.13g/L。酶水解过程中pH控制为通过设置在水解罐中pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制水解液中pH变化。pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将水解液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，稀HCl和NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。
(4)乙醇发酵
待纤维素酶水解糖化水解液温度降至35℃时，在纤维素酶水解糖化水解液中投加酿酒酵母BY4742，直接进行恒温发酵反应，其中酿酒酵母BY4742投加量为2g/L，营养液投加量为10ml营养液/L反应液，控制混合液pH为4.5，温度为35℃，通过机械搅拌装置进行搅拌，转速为250r/min，发酵周期为48h。48h后乙醇浓度达6.28g/L，为理论产率的87％。酵母恒温发酵过程中pH控制为通过设置在发酵罐中pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制发酵液中pH变化。pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将水解液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，HCl和NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。酵母恒温发酵过程中所投加营养液为(g/L)：KH2PO40.07，MgSO4·H2O 0.035，CaCl20.01，NaCl 0.01，MnSO4·4H2O 11，CuSO4·5H2O 0.2，ZnSO4·7H2O 2.1，CoSO4·H2O 0.4，FeSO41.44。
实施例2
(1)稻草秸秆的破碎
用破碎机对秸秆类木质纤维素进行破碎，破碎至80目，并于55℃烘干保存；
(2)1.0％NaOH溶液预处理
称取粉碎烘干的稻草秸秆粉末2.4Kg，向其中加入质量分数为1.0％的NaOH溶液48L，控制固液比为1∶20，搅拌均匀；并于121℃，压力为0.2MPa条件下保温50min，冷却至室温后加入适量的蒸馏水，进行离心，设定离心机转速为4000r/min，每次离心15min。此次离心过后的上清液添加适量NaOH后可重复利用。沉淀用蒸馏水洗涤，直至离心过后的上清液呈中性；将离心过后的稻草秸秆沉淀于105℃烘干。烘干后用破碎机进行破碎，破碎至80目，并于55℃保存待用。
1.0％NaOH预处理前后稻草秸秆中木质素、半纤维素、纤维素成分的变化如下表所示：
Figure BDA0000120090710000071
(3)纤维素酶水解糖化
称取1.2Kg预处理过后的干燥秸秆粉末于30L发酵罐中，并用蒸馏水定容至24L，进行纤维素酶水解糖化。其中，纤维素酶投加量为15FPU/g秸秆粉末，温度为40℃，pH为4.5，通过机械搅拌装置进行搅拌，转速为250r/min，水解周期为48h。48h后水解液中葡萄糖浓度达最大值13.27g/L。酶水解过程中pH控制为通过设置在水解罐中pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制水解液中pH变化。pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将水解液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，稀HCl和NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。
(4)乙醇发酵
待酶水解混合液温度降至35℃时，在酶水解混合液中投加酿酒酵母BY4742，直接进行恒温发酵，其中酿酒酵母BY4742投加量为2g/L，营养液投加量为10ml营养液/L反应液，控制混合液pH为4.5，温度为35℃，通过机械搅拌装置进行搅拌，转速为250r/min，发酵周期为48h。48h后乙醇浓度达6.04g/L，为理论产率的91％。酵母恒温发酵过程中pH控制为通过设置在发酵罐中pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制发酵液中pH变化。pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将水解液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，HCl和NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。酵母恒温发酵过程中所投加营养液为(g/L)：KH2PO40.07，MgSO4·H2O 0.035，CaCl20.01，NaCl 0.01，MnSO4·4H2O 11，CuSO4·5H2O 0.2，ZnSO4·7H2O 2.1，CoSO4·H2O0.4，FeSO41.44。

Claims (8)

1.一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
(1)秸秆类木质纤维素的破碎
用破碎机对秸秆类木质纤维素进行破碎，破碎至80目筛并于55℃烘干得到秸秆类木质纤维素粉末；
(2)取粉碎烘干的秸秆类木质纤维素粉末，向其中加入质量分数为1.0％的NaOH溶液，控制固液比为1∶20，搅拌均匀；并于121℃，压力为0.2MPa条件下保温50min，冷却至室温后加入蒸馏水，在离心机中进行离心分离，将离心后的秸秆沉淀于105℃烘干，然后用破碎机进行破碎至80目，并于55℃烘干得到秸秆粉末；
(3)纤维素酶水解糖化；
在步骤(2)制得的秸秆粉末中加入纤维素酶，于40℃，pH为4.5条件下，搅拌水解48h，得到纤维素酶水解糖化水解液，所述的纤维素酶的加入量为15FPU/g秸秆粉末；
(4)乙醇发酵
在发酵罐中将纤维素酶水解糖化水解液的温度降至35℃，加入酵母2g/L，进行恒温发酵反应，营养液投加量为10ml营养液/L反应液，pH为4.5，搅拌，发酵周期为48h，即可得燃料乙醇。
2.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(2)所述的离心机设定转速为4000r/min，每次离心15min，离心过后的上清液添加NaOH后重复利用。
3.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(2)所述的秸秆沉淀用蒸馏水洗涤，直至离心过后的上清液呈中性。
4.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(3)所述的搅拌水解的搅拌速度为250r/min。
5.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(3)所述的pH为4.5条件通过以下方法控制：将秸秆粉末与纤维素酶的混合物置于水解罐中，水解罐中设有pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制水解液中pH变化，pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将水解液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，稀HCl和稀NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(4)所述的酵母为酵母BY4742。
7.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(4)所述的恒温发酵过程中pH控制为：在发酵罐中设置pH电极，由pH控制箱连接pH电极在线监测、控制发酵液中pH变化，pH控制箱设定pH值为4.5±0.05，由pH控制箱控制酸碱蠕动泵自动投加稀HCl或稀NaOH溶液，将发酵液pH值控制在设定范围内，其中蠕动泵转速为1.0rpm，稀HCl和稀NaOH溶液浓度均为0.5mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，其特征在于，步骤(4)所述的营养液为：KH2PO40.07g/L，MgSO4·H2O0.035g/L，CaCl20.01g/L，NaCl0.01g/L，MnSO4·4H2O11g/L，CuSO4·5H2O 0.2g/L，ZnSO4·7H2O2.1g/L，CoSO4·H2O 0.4g/L，FeSO41.44g/L。
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