CN102660882A

CN102660882A - 利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法

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Publication number: CN102660882A
Application number: CN2012101521878A
Authority: CN
Inventors: 刘德江; 董义惠; 刘笑吟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: CN102660882B

Abstract

本发明涉及一种利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其步骤是：将一种有机酸或两种以上有机酸的混配酸构成的溶剂，加热到60℃～160℃后再加入水解反应器中；按秸秆与溶剂的质量比1：4～1：6，向水解反应器中投入秸秆，并保持水解反应器的水解温度在60℃～160℃，水解10～90分钟；用溶剂洗脱水解物，得到纤维素；洗脱溶剂经精馏后重复利用，并得到糠醛、乙酸和木质素；纤维素经纤维素酶和半纤维素酶降解得到糖，用于乙醇发酵；乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇，乙醇得率可达到理论转化率的74%以上。本发明不仅可以生产纤维素，还可生产纸浆、寡聚糖、糠醛、木质素，可以实现工业化生产且能够降低生产成本。

Description

利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法

技术领域：

本发明涉及生物工程与能源领域，具体地说是利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素，再用纤维素酶水解纤维素进行乙醇发酵生产燃料乙醇的方法。

背景技术：

以生物质资源为原料制造清洁燃料乙醇以及精细化学品以补充或替代石油化学品显示出越来越重要的意义。植物生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。以植物生物质为原料制造乙醇以及精细化学品的关键一步是秸秆的预处理。通过秸秆的预处理可以得到相对单一组分，纤维素、半纤维素和木质素得以分离。纤维素、半纤维素通过水解得到单糖，然后通过酵母或者细菌发酵成乙醇。木质素可以作为精细化工产品的原料，从而实现植物生物质全面的资源利用。

在植物生物质原料转化燃料乙醇的研究中，虽然已经取得了很大的进展，但未能完全进入工业化生产，其中主要原因有几个方面：一是植物生物质原料预处理的成本较高；二是纤维素酶解成本高；三是酸水解法产生的发酵抑制物影响了酒精的产率；四是去除发酵抑制物的成本过高使得经济上不合算。因此寻找新的植物生物质原料预处理体系，对于实现生物质的清洁转化具有重要意义。

发明内容：

本发明旨在提供一种利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，以实现工业化生产且生产成本低的目的。

实现上述发明目的的技术方案是：

一种利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，按如下步骤进行：

a、将一种有机酸或两种以上有机酸的混配酸构成的溶剂，加热到60℃～160℃后再加入水解反应器中；

b、按秸秆与溶剂的质量比1：4～1:6，向水解反应器中投入秸秆，并保持水解反应器的水解温度在60℃～160℃，水解10～90分钟；

c、用溶剂洗脱水解物，得到纤维素；

d、洗脱溶剂经精馏后重复利用，并得到糠醛、乙酸和木质素；

e、纤维素经纤维素酶和半纤维素酶降解得到糖，用于乙醇发酵；

f、乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。

所述溶剂是甲酸、乙酸、植酸、糠醛其中之一或两种以上的混配酸，优选甲酸、乙酸混配。

所述甲酸、乙酸、植酸、糠醛混配比按质量百分比计是：甲酸48～58%，乙酸41～42%，植酸2～5%，糠醛1～3%。

所述甲酸、乙酸混配比按质量百分比计是：甲酸50～58%，乙酸42～50%。

所述秸秆是玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、高粱秸秆。

所述秸秆的水解温度优选110℃～145℃。

所述秸秆的水解时间优选10～35分钟。

所述步骤c的具体方法是：水解反应结束后趁热将水解液打入逆流洗涤器中，用相同质量比例的溶剂逆流洗涤，被洗涤物即为纤维素和半纤维素，再用无离子水洗涤，洗净溶剂，即得到纯净纤维素和半纤维素。

所述步骤d的具体方法是：将步骤c中高浓度洗涤残液送入蒸馏塔，分离溶剂并得到糠醛、乙酸和木质素。

所述步骤e的具体方法是：将步骤c获得纯净纤维素和半纤维素装于酶解容器中，再分别加入纤维素酶液、表面活性剂、pH缓冲溶液，并用保鲜膜封口，保持温度50℃摇床酶解液化，反应48小时，降解得糖。

所述步骤f的具体方法是：取步骤e后的酶解液化液加入酒精发酵罐中，并添加硫酸铵、磷酸氢二钾、硫酸镁、pH缓冲溶液，同时加入耐高温型酿酒高活性酵母液，用保鲜膜封口，保持温度37℃摇床酒精发酵，发酵60小时，乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。

与现有技术相比，本发明是用溶剂构建一种均相水解体系，在这种水解体系中，植物生物质在溶解过程中发生水解，木质素完全溶解，纤维素、半纤维素不被溶解。溶剂本身易于回收能重复利用，木质纤维原料三组分最大得率的分离，使木质纤维素得以综合利用。因此，本发明不仅可以生产纤维素和燃料乙醇，且乙醇得率可达到理论转化率的74%以上，还可生产纸浆、寡聚糖、糠醛、木质素，可以实现工业化生产且能够降低生产成本。

具体实施方式：

以下结合实施例进一步阐述本发明，目的仅在于更好地理解本发明内容。因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。

实施例1：

①溶剂配制：按质量百分比计：甲酸52%、乙酸42%、植酸5%、糠醛1%配料，加入到混配器中配成溶剂400公斤，搅拌加热到120℃，待用。

②按秸秆与溶剂的质量比1：4，将100公斤玉米秸秆切成不长于20cm的短节，投入到水解反应器中。

③将步骤①配制的溶剂加入到步骤②的水解反应器中，加热保持液体温度在140℃，搅拌反应20分钟。

④反应结束后趁热将水解液打入逆流洗涤器中，用相同质量比例的溶剂逆流洗涤。高浓度洗涤残液进入蒸馏塔分离溶剂、糠醛、乙酸和木质素。被洗涤物为纤维素和半纤维素用无离子水洗涤，洗净溶剂，得纯净纤维素和半纤维素39公斤，同时得到木质素26公斤、糠醛11公斤、乙酸5公斤。

⑤称取30克纯净纤维素和半纤维素装于500ML的三角瓶中，再分别加入纤维素酶液、表面活性剂、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，并用保鲜膜封口，保持温度50℃摇床酶解液化，反应48小时测得酶解糖得率为87%，降解得糖。

⑥取步骤⑤制得的酶解液化糖液30克，添加硫酸铵、磷酸氢二钾、硫酸镁等营养物、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，加入耐高温型酿酒高活性酵母液1ML并用保鲜膜封口，保持温度37℃摇床酒精发酵，发酵60小时测得乙醇得率可达到理论转化率的91%，乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。

实施例2：

①溶剂配制：按质量百分比计：甲酸58%、乙酸42%配料，加入到混配器中配成溶剂400公斤，搅拌加热到120℃，待用。

②将100公斤稻草的切成不长于20cm的短节，投入到水解反应器中。

③将步骤①配制的溶剂加到步骤②的水解反应器中，加热保持液体温度在140℃搅拌反应25分钟。

④反应结束后趁热将水解液打入逆流洗涤器中，用相同质量比例的溶剂逆流洗涤。高浓度洗涤残液进入蒸馏塔分离溶剂、糠醛、乙酸和木质素。被洗涤物为纤维素和半纤维素用无离子水洗涤，洗净溶剂，得纯净纤维素和半纤维素41公斤。同时得到木质素25公斤、糠醛11公斤、乙酸4.5公斤。

⑤称取30克纯净纤维素和半纤维素装于500ML的三角瓶中，再分别加入纤维素酶液、表面活性剂、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，并用保鲜膜封口，放持温度50℃摇床酶解液化，反应48小时测得酶解糖得率为91%，降解得糖。

⑥取步骤⑤制得的酶解液化糖液30克，添加硫酸铵、磷酸氢二钾、硫酸镁等营养物、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，加入耐高温型酿酒高活性酵母液1ML并用保鲜膜封口，放持温度37℃摇床酒精发酵，发酵60小时测得乙醇得率可达到理论转化率的93%，乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。

实施例3：

①溶剂配制：按质量百分比计：甲酸48%、乙酸42%、植酸7%、糠醛3%配料，加入到混配器中配成溶剂400公斤，搅拌加热到120℃，待用。

②将100公斤小麦秸秆的切成不长于20cm的短节，投入到水解反应器中。

③将步骤①配制的溶剂加到步骤②水解反应器中，加热保持液体温度在125℃搅拌反应25分钟。

④反应结束后趁热将水解液打入逆流洗涤器中，用相同质量比例的溶剂逆流洗涤。高浓度洗涤残液进入蒸馏塔分离溶剂、糠醛、乙酸和木质素。被洗涤物为纤维素和半纤维素用无离子水洗涤，洗净溶剂，得纯净纤维素和半纤维素39公斤。同时得到木质素27公斤、糠醛11公斤、乙酸4公斤。

⑤称取30克纯净纤维素和半纤维素装于500ML的三角瓶中，再分别加入纤维素酶液、表面活性剂、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，并用保鲜膜封口，放持温度50℃摇床酶解液化，反应48小时测得酶解糖得率为89%，降解得糖。

⑥取步骤⑤制得的酶解液化糖液30克，添加硫酸铵、磷酸氢二钾、硫酸镁等营养物、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，加入耐高温型酿酒高活性酵母液1ML并用保鲜膜封口，放持温度37℃摇床酒精发酵，发酵60小时测得乙醇得率可达到理论转化率的94%，乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。

实施例4：

①溶剂配制：将甲酸53%、乙酸42%、植酸4%、糠醛1%加入到混配器中配成溶剂400公斤，搅拌室温20℃留用。

③将步骤①配制的溶剂加到步骤②水解反应器中，130℃反应20分钟。

④反应结束后将水解液打入逆流洗涤器中，用相同质量比例的溶剂逆流洗涤。高浓度洗涤残液进入蒸馏塔分离溶剂、糠醛、乙酸和木质素。被洗涤物为纤维素和半纤维素用无离子水洗涤，洗净溶剂，得纯净纤维素和半纤维素52公斤。同时得到木质素19公斤、糠醛5公斤、乙酸3公斤。

⑤称取30克纯净纤维素和半纤维素装于500ML的三角瓶中，再分别加入纤维素酶液、表面活性剂、pH缓冲溶液，使总质量达到200克，并用保鲜膜封口，放持温度50℃摇床酶解液化，反应48小时测得酶解糖得率为79%，降解得糖。

Claims

1.一种利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，它按如下步骤进行：

c、用溶剂洗脱水解物，得到纤维素；

f、乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。

2.如权利要求1所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述溶剂是甲酸、乙酸、植酸、糠醛其中之一或两种以上的混配酸，优选甲酸、乙酸混配。

3.如权利要求1或2所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述甲酸、乙酸、植酸、糠醛混配比按质量百分比计是：甲酸48～58%，乙酸41～42%，植酸2～5%，糠醛1～3%；所述甲酸、乙酸混配比按质量百分比计是：甲酸50～58%，乙酸42～50%。

4.如权利要求1所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述秸秆是玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、高粱秸秆中的任意一种。

5.如权利要求1或4所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述秸秆的水解温度优选110℃～145℃。

6.如权利要求1或4所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述秸秆的水解时间优选10～35分钟。

7.如权利要求1所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述步骤c的具体方法是：水解反应结束后趁热将水解液打入逆流洗涤器中，用相同质量比例的溶剂逆流洗涤，被洗涤物即为纤维素和半纤维素，再用无离子水洗涤，洗净溶剂，即得到纯净纤维素和半纤维素。

8.如权利要求1所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述步骤d的具体方法是：将步骤c中高浓度洗涤残液送入蒸馏塔，分离溶剂并得到糠醛、乙酸和木质素。

9.如权利要求1所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述步骤e的具体方法是：将步骤c获得纯净纤维素和半纤维素装于酶解容器中，再分别加入纤维素酶液、表面活性剂、pH缓冲溶液，并用保鲜膜封口，保持温度50℃摇床酶解液化，反应48小，降解得糖。

10.如权利要求1所述的利用溶剂溶解植物秸秆生产纤维素和燃料乙醇的方法，其特征在于，所述步骤f的具体方法是：取步骤e后的酶解液化液加入酒精发酵罐中，并添加硫酸铵、磷酸氢二钾、硫酸镁、pH缓冲溶液，同时加入耐高温型酿酒高活性酵母液，用保鲜膜封口，保持温度37℃摇床酒精发酵，发酵60小时，乙醇发酵醪液经蒸馏得到燃料乙醇。