CN102586339B - 一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于生物化工技术领域的一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法。本发明的方法按照如下步骤进行：首先甜高粱秆粉碎、调节含水量后进行固态发酵，然后将发酵料进行碱蒸馏，得到乙醇和蒸馏料，然后水洗蒸馏料并固液分离得到碱木质素和去木质素残渣，然后去木质素残渣水洗后作为酶解底物酶解，得到酶解混合液，最后将酶解混合液接种酵母发酵得到乙醇溶液。本发明的方法，综合利用了甜高粱秆中的糖分、木质素和纤维素，使得甜高粱秆得到充分的利用；将糖分生产乙醇工艺中的蒸馏步骤与纤维素产乙醇的预处理步骤合二为一，节省了预处理所需的设备、能耗、时间，使得纤维素乙醇的生产成本下降。
Description
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法。
背景技术
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)。作为能源作物，甜高粱具有令人瞩目的优势。种植粮秆兼用型甜高粱，既可收获籽粒，又可收获茎叶。甜高粱的籽粒既可食用，又可作为饲料和工业原料；茎秆中糖分能够应用清华大学开发的先进固体发酵技术(ASSF)，高效率地转化为乙醇，在生产燃料乙醇的同时，副产大量酒糟。上述酒糟的产量远大于乙醇的产量。随着甜高粱乙醇生产规模的扩大，石油资源的短缺，更需要将酒糟作为运输燃料和化工产品的原料，创造更大的经济价值。
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，必须降低预处理的成本，同时实现木质纤维素原料中的各主要组分的综合利用。
甜高粱秆中的糖分固态发酵生成的乙醇通过蒸馏工艺来分离纯化。碱处理具有脱木质素和降低结晶度的能力，是发现最早、应用最广、最有效的预处理手段之一。碱预处理是一定的温度下将纤维素原料在碱液中浸渍，操作简便，条件温和。如果能够将上述碱预处理步骤与蒸馏步骤合二为一，将能够节省碱预处理工序所需的设备、能耗、时间等，极大的降低预处理成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，解决纤维素乙醇生产步骤繁多、成本高的不足。
一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，按照如下步骤进行：
(1)将甜高粱秆粉碎，调节含水量为60-80％；按照如下比例接种酵母菌：甜高粱秆质量∶酵母菌培养液体积为1kg∶(100-200)ml；调节发酵罐罐内温度为25～35℃，发酵罐回转速度为0.1～1rpm，发酵，发酵时间为18～42h；
(2)向每50g发酵料上喷淋5～25mL 0.5-10.0mol/L的碱液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数达到达加入发酵料质量的一半后停止，剩余固相为打开木质纤维素结构的蒸馏料；
(3)水洗碱蒸馏料并固液分离得到液相的碱木质素和固相的去木质素残渣；
(4)将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，酶解的条件为：在酶解液pH值为4～6，酶解底物的重量百分数为5～30％的条件下，将酶加入到酶解缓冲液中，加入量为5～30FPU/g底物，在45～55℃的温度酶解24～120h，得到酶解混合液；
(5)将酶解混合液接种酵母发酵，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酶解混合液体积的5～20％，发酵罐内温度为25～35℃的条件下，发酵20～42h，得到乙醇溶液。
步骤(1)中所述粉碎是将甜高粱秆粉碎成直径1～2mm，长度小于30mm的丝状。
步骤(1)所述酵母菌培养液的浓度为每mL酵母液中含5×106-8×107个酵母细胞。
步骤(4)中所述的酶为纤维素酶。
所述酵母为TSH-Sc-001菌种或者安琪酵母；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)。
所述固液分离的方法为抽滤、离心、沉降或旋液分离中的一种或一种以上。
步骤(2)中所述的碱液为0.5～10.0mol/L的NaOH、Ca(OH)2或者KOH溶液。
所述酶解缓冲液为柠檬酸钠缓冲溶液。
本发明的有益效果：本发明的方法综合利用了甜高粱秆中糖分、木质素、纤维素和半纤维素；将甜高粱秆中糖分产乙醇工艺中的蒸馏步骤与纤维素产乙醇的预处理步骤合二为一，在没有影响糖分产乙醇产率的情况下，节省了纤维素乙醇碱预处理所需的设备、能耗、时间等，使得纤维素乙醇的预处理的成本降低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
收割成熟的甜高粱，以总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70％。向密闭料仓中加入TSH-Sc-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10％(即粉碎物料与酵母液的比例为1kg∶100mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。
向每50g发酵料喷入25mL 2.5mol/L的NaOH溶液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数(mL)达到加入发酵料量(g)的一半后停止。发酵后测得乙醇收率94.04％。
先抽滤碱蒸馏混合液得到去木质素残渣和碱木质素溶液，然后用稀酸将碱木质素溶液pH值调至2后，静置，然后离心分离得到碱木质素。去木质素残渣的成分组成为：纤维素57.69％、半纤维素30.81％、木质素7.34％。
取去木质素残渣0.5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，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，调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为10FPU/g底物，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解。
酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化72h纤维素的转化率为77.63％。
将酶解混合液在115℃灭菌20min，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个酵母细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵20h。乙醇收率达95.51％。
酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。
实施例2
收割成熟的甜高粱，以总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70％。向密闭料仓中加入TSH-Sc-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10％(即粉碎物料与酵母液的比例为1kg∶100mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。向每50g发酵料喷入25mL 2.5mol/L的KOH溶液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数(mL)达到达加入发酵料量(g)的一半后停止。发酵后测得乙醇收率93.36％。
先抽滤碱蒸馏混合液得到去木质素残渣和碱木质素溶液，然后用稀酸将碱木质素溶液pH值调至2后，静置，然后离心分离得到碱木质素。去木质素残渣的成分组成为：纤维素57.10％、半纤维素30.02％、木质素6.50％。
取去木质素残渣0.5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，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，调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为10FPU/g底物，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解。
酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化72h纤维素的转化率为70.25％。
将酶解混合液在115℃灭菌20min，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个酵母细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵20h。乙醇收率达95.62％。
酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。
实施例3
收割成熟的甜高粱，以总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70％。向密闭料仓中加入TSH-Sc-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10％(即粉碎物料与酵母液的比例为1kg∶100mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。向每50g发酵料喷入25mL 2.5mol/L的Ca(OH)2溶液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数(mL)达到达加入发酵料量(g)的一半后停止。发酵后测得乙醇收率92.34％。
先抽滤碱蒸馏混合液得到去木质素残渣和碱木质素溶液，然后用稀酸将碱木质素溶液pH值调至2后，静置，然后离心分离得到碱木质素。去木质素残渣的成分组成为：纤维素41.95％、半纤维素26.20％、木质素14.52％。
取去木质素残渣0.5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，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，调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为10FPU/g底物，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解。
酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化72h纤维素的转化率为8.22％。
将酶解混合液在115℃灭菌20min，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个酵母细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵20h。乙醇收率达90.05％。
酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。
实施例4
收割成熟的甜高粱，以总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70％。向密闭料仓中加入TSH-Sc-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10％(即粉碎物料与酵母液的比例为1kg∶100mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。向每50g发酵料加入15mL 6.67mol/L的NaOH溶液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数(mL)达到达加入发酵料量(g)的一半后停止。发酵后测得乙醇收率92.09％。
先抽滤碱蒸馏混合液得到去木质素残渣和碱木质素溶液，然后用稀酸将碱木质素溶液pH值调至2后，静置，然后离心分离得到碱木质素。去木质素残渣的成分组成为：纤维素61.63％、半纤维素27.55％、木质素7.86％。
取去木质素残渣0.5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，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，调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为10FPU/g底物，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解。
酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化72h纤维素的转化率为57.05％。
将酶解混合液在115℃灭菌20min，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个酵母细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵30h。乙醇收率达91.12％。
酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。
实施例5
收割成熟的甜高粱，以总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70％。向密闭料仓中加入TSH-Sc-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10％(即粉碎物料与酵母液的比例为1kg∶100mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。向每50g发酵料喷入25mL 2.5mol/L的NaOH溶液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数(mL)达到达加入发酵料量(g)的一半后停止。发酵后测得乙醇收率93.02％。
先抽滤碱蒸馏混合液得到去木质素残渣和碱木质素溶液，然后用稀酸将碱木质素溶液pH值调至2后，静置，然后离心分离得到碱木质素。去木质素残渣的成分组成为：纤维素57.58％、半纤维素31.13％、木质素7.87％。
取去木质素残渣0.5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，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，调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为30FPU/g底物，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解。
酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化72h纤维素的转化率为83.68％。
将酶解混合液在115℃灭菌20min，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个酵母细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵30h。乙醇收率达90％。
酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。
实施例6
收割成熟的甜高粱，以总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70％。向密闭料仓中加入TSH-Sc-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10％(即粉碎物料与酵母液的比例为1kg∶100mL，每mL酵母液中约含1×107个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30～35℃，发酵罐回转速度为0.25rpm，发酵时间30h。向每50g发酵料喷入25mL 2.5mol/L的的KOH溶液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数(mL)达到达加入发酵料量(g)的一半后停止。发酵后测得乙醇收率94.10％。
先抽滤碱蒸馏混合液得到去木质素残渣和碱木质素溶液，然后用稀酸将碱木质素溶液pH值调至2后，静置，然后离心分离得到碱木质素。去木质素残渣的成分组成为：纤维素51.48％、半纤维素27.04％、木质素7.21％。
取去木质素残渣0.5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，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，调节酶解液的pH值为5.1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为30FPU/g底物，在50℃的温度下，以150rpm的转速酶解。
酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化72h纤维素的转化率为93.98％。
将酶解混合液在115℃灭菌20min，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个酵母细胞)，罐内温度为30℃的条件下发酵30h。乙醇收率达90％。
酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。
Claims (8)
1.一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
（1）将甜高粱秆粉碎，调节含水量为60-80%；按照如下比例接种酵母菌：甜高粱秆质量：酵母菌培养液体积为1kg：100-200ml；调节发酵罐罐内温度为25～35℃，发酵罐回转速度为0.1～1rpm，发酵，发酵时间为18～42h；
（2）向每50g发酵料上喷淋5～25mL0.5-10.0mol/L的碱液，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液的体积数达到达加入发酵料质量的一半后停止，剩余固相为打开木质纤维素结构的蒸馏料，体积以毫升计，质量以克计；
（3）水洗碱蒸馏料并固液分离得到液相的碱木质素和固相的去木质素残渣；
（4）将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，酶解的条件为：在酶解液pH值为4～6，酶解底物的重量百分数为5～30%的条件下，将酶加入到酶解缓冲液中，加入量为5～30FPU/g底物，在45～55℃的温度酶解24～120h，得到酶解混合液；
（5）将酶解混合液接种酵母发酵，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酶解混合液体积的5～20%，发酵罐内温度为25～35℃的条件下，发酵20～42h，得到乙醇溶液。
2.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，步骤（1）中所述粉碎是将甜高粱秆粉碎成直径1～2mm，长度小于30mm的丝状。
3.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，步骤（1）所述酵母菌培养液的浓度为每mL酵母液中含5×106-8×107个酵母细胞。
4.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，步骤（4）中所述的酶为纤维素酶。
5.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，所述酵母为保藏号为CGMCC1949的菌种或者安琪酵母。
6.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，所述固液分离的方法为抽滤、离心、沉降或旋液分离中的一种或一种以上。
7.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的碱液为0.5～10.0mol/L的NaOH、Ca(OH)2或者KOH溶液。
8.根据权利要求1所述一种甜高粱秆联产燃料乙醇和木质素的方法，其特征在于，所述酶解缓冲液为柠檬酸钠缓冲溶液。
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