CN102703522A

CN102703522A - 木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法

Info

Publication number: CN102703522A
Application number: CN2012102074072A
Authority: CN
Inventors: 王永忠; 王艳梅; 朱恂; 廖强; 陈蓉; 李俊; 叶丁丁; 周劲
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法，包括如下步骤：A、制作包埋颗粒；B、填充床反应器的系统安装及包埋颗粒的填充；C、将酵母菌液均匀滴到包埋颗粒表面形成生物膜，包埋颗粒内部反应生成的葡萄糖在厌氧条件下被酵母菌生物膜利用生成乙醇和二氧化碳；D、在反应器的底部通入载气，载气均匀向上流过包埋颗粒填充床，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到集气瓶中，也带走了反应产生的代谢热。本发明采用固态同步糖化发酵方式，使糖化过程产生的葡萄糖很快被酵母菌在厌氧条件下转化为乙醇，在发酵过程中向反应器内通入载气，消除了产物抑制，带走乙醇的同时带走部分代谢热，增加了乙醇的产量。

Description

木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法

技术领域

本发明涉及一种生产乙醇的方法，尤其涉及一种木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法。

背景技术

纤维素乙醇作为一种绿色可再生资源，可替代不可再生的石油资源，应用领域非常广泛，在世界石油资源短缺、原油价格不断攀升、环境压力日益严重的条件下，拥有广阔的市场前景和社会效益。但是，由于纤维素乙醇生产成本较高，乙醇产率较低，而且生产技术仍然不够成熟，所以为了提高乙醇产率，降低成本，研究高效的纤维素乙醇生产技术具有十分重要的意义。

目前，纤维素乙醇的发酵方式主要有两种，一种是液态发酵，液态发酵是指基质呈液态进行发酵，这种发酵技术具有发酵均匀，技术成熟等优点被广泛应用于工业生产，但是液态发酵需要大量的水，接种比小于10%，产生大量的有机废水，操作空间也相应的增加，耗能量也很大。另外一种是固态发酵，固态发酵是指没有或者自由水很少的发酵方式，微生物需要从周围的湿基质中获得所需要的水分，该发酵方式具有发酵底物浓度和产物得率高，操作和提取工艺简单可控，投资和运行成本低，无大量有机废水产生，动力消耗少，节约能源等优点，但是在发酵过程中产生的代谢热，很难带出。

纤维素乙醇的生产过程主要包括四个方面，第一材料的预处理，第二糖化，将多糖转化为单糖的过程，第三发酵，将产生的单糖厌氧发酵为乙醇，第四乙醇的抽提。目前，第二步和第三步分别在不同的反应器中进行，即先进行糖化过程，将产生的单糖分离出来再进行发酵，即成为先糖化后发酵的方式，但是会存在很强的产物抑制作用，使得乙醇产量不高。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供了一种能够更大的提高乙醇产量的木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法，该方法包括如下步骤：

A、制作包埋颗粒：将纤维素酶、纤维二糖酶和粒径为40～80目的秸秆由聚乙烯醇和海藻酸钠制作成为包埋颗粒，包埋颗粒粒径为2～6mm；再放入含有1%～5%CaCl₂的饱和硼酸溶液中在4～5℃冰箱中交联12～24h；然后清洗掉包埋颗粒表面的硼酸和氯化钙溶液；保存备用；

B、填充床反应器的系统安装及包埋颗粒的填充：将制好的包埋颗粒放入反应器中堆积成填充床反应器，在反应器内的顶部、且位于包埋颗粒的上方设置液体分布器，在反应器内的底部、且位于包埋颗粒的下方设置气体分布器；使用反应器前进行反应器检漏；

C、将pH值为4.5～4.8的酵母菌液通过反应器内的液体分布器后均匀滴到包埋颗粒表面直到生物膜形成，包埋颗粒内酶解生成的葡萄糖被颗粒表面酵母菌生物膜在厌氧条件下发酵生成乙醇和二氧化碳；酵母菌液从反应器的底部流出，通过泵再抽入反应器的液体分布器内使酵母菌液循环使用；

D、在反应器的底部通入载气，载气通过气体分布器后均匀的向上通过包埋颗粒，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到集气瓶中，同时也带走了反应产生的代谢热，维持反应器内恒定的发酵温度。

本发明方法的具体反应原理是：包埋颗粒内部纤维素和纤维素酶，纤维二糖酶以及木糖酶反应生成还原糖（主要为葡萄糖、木糖等等），生成的葡萄糖通过扩散传出包埋颗粒表面，被包埋颗粒表面的酵母菌生物膜在厌氧条件下转化生成乙醇，由于乙醇具有强挥发性，因此被反应器下部通入的不含氧气的载气及时带出反应器，并进入乙醇收集瓶（罐）通过水等溶质溶解气相中被载出的乙醇，排出的载气可被回收再利用。

与现有技术相比，本发明的木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法具有如下优点：

1、本发明采用的是固态发酵，发酵底物浓度和产物得率高，操作和提取工艺简单可控，投资和运行成本低，无大量有机废水产生，动力消耗少，节约能源等。

2、本发明采用气载乙醇同步糖化发酵方式，即糖化过程和发酵过程在同一个反应器中进行，这样糖化过程产生的葡萄糖及时被酵母菌在厌氧条件下转化为乙醇，为了进一步解决产物抑制，在发酵过程中向反应器内通入载气，带走乙醇的同时带走部分代谢热。本发明即消除还原糖糖化过程的抑制作用，也消除了乙醇对发酵过程的抑制作用，提高了乙醇的产量；同时载气带走乙醇的同时也带走所释放的代谢热使得反应器内部能够维持在一个恒定的温度。

3、本发明采用了固定化颗粒填充床，包埋颗粒堆积在填充床内，增大了孔隙率，便于流体流动，使得产生的乙醇更容易被带走，产生的代谢热更容易被带走，也使酵母菌更容易在包埋颗粒表面成膜，接触面积更大。随着发酵进行，非包埋颗粒填充床中的基质容易坍塌，因此填充床的孔隙率将减小，不利于气体流动和传质过程，而包埋法制成的包埋颗粒具有一定的机械强度，反应20天后填充床仍具有较高的孔隙率；

4、另外颗粒填充床操作方便，只需将纤维素基质与纤维素酶、纤维二糖酶等其他酶混合均匀包埋起来，然后放入反应器即可，反应过程中无需搅拌，使酵母菌更易于吸附于包埋颗粒表面形成生物膜，提高产量，而基质填充床在反应过程中会产生很多水分在填充床下面沉积，使得具有一定目数的基质就会结团，反应变缓慢。

附图说明

图1为填充床的结构示意图。

附图中： 1—包埋颗粒； 2—反应器； 3—液体分布器； 4—气体分布器； 5—集气瓶； 6—气体流量计； 7—加湿器； 8—酵母菌液储存瓶； 9—泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

实施例一

A、制作包埋颗粒：将纤维素酶、纤维二糖酶以及木糖酶和粒径为40～80目的秸秆由聚乙烯醇和海藻酸钠制作成为包埋颗粒，包埋颗粒的制作方法为：称取一定量的海藻酸钠和聚乙烯醇放入加入适量水的烧杯中加热溶解，然后将其冷却到室温，加入纤维素酶、纤维二糖酶以及木糖酶混合均匀，然后用模具将其制作成为包埋颗粒，包埋颗粒粒径为2～6mm；再将包埋颗粒放入含有1%～5%CaCl₂的饱和硼酸溶液中在4～5℃冰箱中交联12～24h；然后清洗掉包埋颗粒表面的硼酸和氯化钙（CaCl₂）溶液，作为备用。

B、填充床反应器的系统安装（如图1所示）及包埋颗粒的填充：将制好的包埋颗粒1放入反应器2中堆积成填充床反应器，在反应器2内的顶部、且位于包埋颗粒1的上方设置液体分布器3，在反应器2内的底部、且位于包埋颗粒1的下方设置气体分布器4。反应器2的顶部设有出气口和进液口，出气口连接集气瓶5，进液口与泵9（本实施例中，泵采用蠕动泵）连接，在反应器2的底部设有进气口和出液口，进气口通过气管依次与气体流量计6和加湿器7连接，出液口连接酵母菌液储存瓶8，酵母菌液储存瓶8内的酵母菌液通过蠕动泵抽入液体分布器3内，系统安装好后，检漏。

C、将pH值为4.5～4.8的酵母菌液通过反应器内的液体分布器后均匀喷淋到包埋颗粒表面，包埋颗粒内部反应生成的葡萄糖被酵母菌生物膜在厌氧条件下反应生成乙醇和二氧化碳，流过包埋颗粒填充床后的酵母菌液然后从反应器的底部流出，通过泵再抽入到反应器内的液体分布器内使酵母菌液循环使用。

D、等颗粒表面挂膜完成以后，在反应器的底部通入载气（载气通过加湿器和气体流量计后通入反应器），载气通过气体分布器后均匀地向上通过包埋颗粒填充床层，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到乙醇收集瓶（罐）中，同时也带走了反应产生的代谢热。整个反应器处于恒定温度，使糖化和发酵都处于较好的温度控制范围，同时需要定时地向反应器内补充水分。

实施例二

B、填充床反应器的系统安装（如图1所示）及颗粒的填充：将制好的包埋颗粒1放入反应器2中堆积成填充床反应器，在反应器2内的顶部、且位于包埋颗粒1的上方设置液体分布器3，在反应器2内的底部、且位于包埋颗粒1的下方设置气体分布器4。反应器2的顶部设有出气口和进液口，出气口连接集气瓶5，进液口与泵9（本实施例中，泵采用蠕动泵）连接，在反应器2的底部设有进气口和出液口，进气口通过气管依次与气体流量计6和加湿器7连接，出液口连接酵母菌液储存瓶8，酵母菌液储存瓶8内的酵母菌液通过蠕动泵抽入液体分布器3内，系统安装好后，检漏。

C、将pH值为4.5～4.8的酵母菌液通过反应器内的液体分布器后均匀喷淋到包埋颗粒表面，包埋颗粒内部反应生成的葡萄糖被酵母菌生物膜在厌氧条件下反应生成乙醇和二氧化碳，流过包埋颗粒填充床后的酵母菌液然后从反应器的底部流出，通过泵再抽回到反应器内的液体分布器内使酵母菌液循环使用。

D、通入酵母菌液的同时，在反应器的底部通入载气（载气通过加湿器和气体流量计后通入反应器），载气通过气体分布器后均匀地向上通过包埋颗粒填充床层，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到乙醇收集瓶（罐）中，同时也带走了反应产生的代谢热。整个反应器处于恒定温度，使糖化和发酵都处于较好的温度控制范围。

本发明将纤维素酶、纤维二糖酶以及木糖酶和粒径为40～80目的秸秆由聚乙烯醇和海藻酸钠制作成为包埋颗粒，包埋颗粒内部进行糖化过程，即纤维素酶、纤维二糖酶以及木糖酶与秸秆反应生成还原糖（主要是葡萄糖、木糖），通过扩散的方式传至包埋颗粒表面，从反应器顶部喷淋进入的酵母菌在基质颗粒表面形成生物膜，生物膜在厌氧的条件下将扩散至表面的葡萄糖转化成乙醇，生产的乙醇通过扩散、对流的方式被反应器底部通入的载气及时带出反应器，并进入乙醇收集瓶（罐）通过水等溶质溶解气相中被载出的乙醇，排出的载气可被回收再利用。本发明即具有固态发酵的优势，又利用同步酶解发酵消除产物的抑制；还利用颗粒填充床的形式，增大了反应器的孔隙率，有利于酵母菌在颗粒表面成膜，也有利于载气及时将乙醇以及代谢热带走，同时操作简单。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、制作包埋颗粒：将纤维素酶、纤维二糖酶和粒径为40～80目的秸秆由聚乙烯醇和海藻酸钠制作成为包埋颗粒，包埋颗粒粒径为2～6mm；再放入含有1%～5%CaCl₂的饱和硼酸溶液中在4～5℃冰箱中交联12～24h；然后清洗掉包埋颗粒表面的硼酸和氯化钙溶液，保存备用；

B、填充床反应器的系统安装及包埋颗粒的填充：将制好的包埋颗粒放入反应器中堆积成填充床反应器，在反应器内的顶部、且位于包埋颗粒的上方设置液体分布器，在反应器内的底部、且位于包埋颗粒的下方设置气体分布器，使用反应器前进行反应器检漏；

C、将pH值为4.5～4.8的酵母菌液通过反应器内的液体分布器后均匀滴到包埋颗粒表面直到生物膜形成，包埋颗粒内酶解生成的葡萄糖被颗粒表面的酵母菌生物膜在厌氧条件下发酵生成乙醇和二氧化碳；酵母菌液从反应器的底部流出，通过泵再抽入反应器的液体分布器内使酵母菌液循环使用；

D、在反应器的底部通入不含氧气的载气，载气通过气体分布器后均匀的向上通过包埋颗粒，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到集气瓶中，同时也带走了反应产生的代谢热。

2.根据权利要求1所述的木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵方法，其特征在于：通过气相色谱仪测量集气瓶中的乙醇含量，直到乙醇不再生成时，停止反应。