CN103103217B

CN103103217B - 一种燃料乙醇的生产方法

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Publication number: CN103103217B
Application number: CN201110352446.7A
Authority: CN
Inventors: 张全; 黎元生; 关浩; 佟明友; 金平
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: CN103103217A

Abstract

本发明涉及一种燃料乙醇的生产方法，包括：（1）纤维质原料进行预处理，廉价碳源原料进行预处理；（2）预处理纤维质原料与预处理的廉价碳源原料混合，然后进行预酶解，廉价碳源原料与纤维质原料按干基计的重量比为1:3-3:1；预酶解过程中使用专性水解酶制剂，专性水解酶制剂中含有纤维素酶，同时包括淀粉糖化酶和/或菊糖酶；（3）经过预酶解的纤维质原料中，选择性地加入可发酵糖原料，调整温度至24-44℃，加入酿酒酵母，进行同步糖化共同发酵生产乙醇。本发明方法可以有效提高纤维原料发酵液中的乙醇浓度，降低乙醇提浓阶段的能耗，同时生产流程简单，乙醇产率高。

Description

一种燃料乙醇的生产方法

技术领域

本发明涉及一种燃料乙醇的生产方法，特别是提高纤维质原料发酵液中乙醇浓度的方法。

背景技术

随着世界人口增长和各国工业化程度提高，能源消耗持续上升。石油是满足能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，科学家预测到2050 年原油产量将由2009年的258亿桶（35.25亿吨）下降到 50亿桶（Campbell C J, Laherrere J H. The end of cheap oil. Sci Am, 1998, 3: 78-83；顶峰.世界油气资源储产量动态. 中国石油和化工，2010, 04:14-15）。生物能源作为一种可再生的交通运输燃料，能够有效的降低室温效应，减缓环境污染，同时改变现有不平衡的石油供求关系，保持持续供应，比矿质燃料具有明显优势。目前燃料乙醇中，60%以糖类作物和33%以其它作物为原料通过发酵法生产，剩余7%左右通过合成的方法生产(Carlo N. Hamelinck, Geertje van Hooijdonk, André P.C. Faaij. Prospects for ethanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance as development progresses, Universiteit Utrecht Copernicus Institute Science Technology Society, The Nethelands, 1-29)。我国政府十分重视能源多元化和环境污染问题，采取财政补贴和税收减免等鼓励措施，大力推进多元化替代石油能源的技术和产业开发。目前我国乙醇汽油已经覆盖9个省市，现有燃料乙醇产能152万吨，以玉米和小麦为主要原料。我国人多地少，耕地资源紧缺，粮食供应紧张，以玉米、小麦为原料生产燃料乙醇将威胁到国家的粮食安全，导致农产品价格上涨等连锁反应，所以我国严格控制以粮食为原料的燃料乙醇新建和扩能项目。

相对于糖类和淀粉作物而言，木质纤维素属于非粮原料，而且资源丰富。它可以来源于农业废弃物，如麦草、玉米秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；林业废弃物；城市废弃物，如废纸、包装纸等。据估计木质纤维素原料占世界生物量的50%左右，我国农作物秸秆每年产量即可达7亿吨，大量被废弃而未加利用的纤维物（小枝、树皮、树叶、屑和废纸等）每年也约有5亿吨，只用其中的1亿吨就可以年产2000万吨的燃料乙醇。由此可见，开发木质纤维素生产乙醇的新工艺具有很好的前景。

现有以纤维原料发酵生产燃料乙醇的技术/装置运行时，发酵液中的乙醇浓度普遍偏低，造成后续乙醇蒸馏能耗较高。CN200910204295.3提供了一株耐高温酿酒酵母菌FE-B及其在秸秆同步糖化发酵生产乙醇过程中的应用，通过分批加料，最终干物质浓度达到40%条件下，体系中的乙醇浓度可达8%以上。CN00107969.7公开了一种利用木糖渣生产乙醇的方法，水解糖液中的葡萄糖浓度为5%-12%，将水解糖液中加入酵母菌发酵生产乙醇，根据专利中报道的水解糖浓度数据，发酵液中乙醇浓度可达到的理论值为2.5wt%-6wt%。CN200610131965.x公开了一种利用玉米芯加工残渣发酵生产纤维素乙醇的方法，最终发酵液中的乙醇浓度为8%。US7,598,069B2采用了高固体含量酶解技术，酶解体系的干物质浓度为30%，最终发酵液中的乙醇浓度为6.8%。但是实际装置中的乙醇浓度经常只能到4%-5%（王栋，常春，王林风等. 利用SSF 制取纤维乙醇的工艺研究. 酿酒， 2010，37（1）：77-79）。

可见在酶解过程中采用30%-40%干物质浓度条件下，发酵液中的乙醇浓度仅6%-8%（w/w），但是高干物质浓度的酶解体系流动性差，搅拌功率高，而且传质、传热不均匀，水解实施需要专门的设备，能耗大，而且纤维素酶解率相对较低。最终发酵液中的乙醇浓度很难达到粮食乙醇（发酵液乙醇浓度可达到12% v/v以上）的水平。发酵液中乙醇浓度低造成下一步乙醇精馏能耗过大，增加了乙醇生产成本。

发明内容

为了解决现有纤维乙醇技术需开发专有设备进行高干物质浓度体系水解，以及发酵液中乙醇浓度不高的问题，本发明通过调整原料结构，补加廉价碳源原料和同步糖化发酵等手段，提高纤维原料发酵液中的乙醇浓度，降低乙醇提浓阶段的能耗。

本发明燃料乙醇的生产方法包括如下内容：

（1）纤维质原料进行预处理，廉价碳源原料进行预处理；

（2）预处理纤维质原料与预处理的廉价碳源原料混合，然后进行预酶解，廉价碳源原料与纤维质原料按干基计的重量比为1:3-3:1；预酶解过程中使用专性水解酶制剂，专性水解酶制剂中含有纤维素酶，同时包括淀粉糖化酶和/或菊糖酶，纤维素酶用量为0.03-3 g/g纤维素，淀粉糖化酶用量为0.02-0.5g/Kg廉价碳源原料（干基），菊糖酶用量为0.1-5 g/Kg廉价碳源原料（干基），预酶解在45～60℃下处理0-36 h，优选5～24h。

（3）经过预酶解的纤维质原料中，选择性地加入可发酵糖原料，调整温度至24-44 ℃，加入酿酒酵母0.02‰-5‰（以干酵母质量为基准计），进行同步糖化共同发酵生产乙醇。

本发明方法中，步骤（1）的纤维质原料指一切含有纤维素的原材料，包括木材、工业纤维废弃物、林业废弃物、城市废弃物、废纸和农业废弃物等，本发明优选农业废弃物的玉米秸秆和/或玉米芯等。

本发明方法中，步骤（1）廉价碳源原料包括甘蔗、甜高粱、甜菜、鲜秸秆、橡实、葛根、蕨根、菊芋、莴苣、大丽花根部、蒲公英、橡胶草等中的一种或几种。

本发明方法中，步骤（1）纤维质原料预处理方法可以是一切能够提高纤维质原料中酶对纤维素可及性和/或降低纤维素结晶度的物理化学方法，包括本领域中常用的机械粉碎法、高温分解法、液态热水法、稀酸水解法、碱法、氧化脱木质素法、有机溶剂法、蒸汽爆破法、氨法纤维爆破、CO₂爆破法和生物预处理等，这些方法可以单独使用，也可以组合使用，本发明优先使用稀酸水解法或稀酸蒸汽爆破法。稀酸水解法条件为160-200℃，质量浓度0.5%-2%的H₂SO₄，时间2-20min；稀酸蒸汽爆破条件为温度140-180℃，质量浓度0.2%-2.0% H₂SO₄，时间1-10min。

本发明方法中，廉价碳源原料预处理的方法包括粉碎、加入淀粉酶液化、稀酸水解等。工艺条件如下：原料粉碎到50-200目，利用自来水调配成乳液，乳液的干物质质量浓度10%-40％，乳液pH 5.6-6.4，喷射温度102-115℃，耐高温α-淀粉酶质量用量0.03%-0.09％（固形物），在喷射器管道中保温2-10分钟，闪冷至90-98℃，并在隔板式罐中保持0.5-3 h。稀酸水解工艺条件一般为：酸质量浓度0.5%-5%，水解温度为50-95℃，优选55-65℃；水解时间为30-180 min，优选45-75 min；水解过程中带搅拌，搅拌速率视反应器规模，以整个反应体系传质均匀为佳。

本发明方法中，所需的酶如纤维素酶、淀粉糖化酶和菊糖酶均可以采用市售商品。

本发明方法步骤（3）中，选择性加入的可发酵糖原料可以是糖密，可发酵糖原料的加入比例为：纤维质原料与可发酵糖（以干基质量计）的质量比为1:1-3:1。

本发明方法中，专性水解酶制剂中的纤维素酶包括纤维素内切酶蛋白、纤维素外切酶蛋白和β-葡萄糖苷酶蛋白，3种蛋白协同作用把纤维素水解生成葡萄糖，同时把其它廉价碳源原料中的纤维素有效酶解。其中纤维素内切酶蛋白的浓度为10-30 g/L，纤维素外切酶蛋白的浓度为40-100 g/L，β-葡萄糖苷酶蛋白的浓度为5-30 g/L。

本发明方法中，乙醇发酵菌种可以使用任意能把葡萄糖发酵生成乙醇的菌株，本发明为了实现高效同步糖化发酵生产乙醇，优选耐温酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B。Saccharomyces cerevisiae FE-B，于2008年11月10日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”（简称CGMCC），其保藏号为CGMCC NO. 2735。耐温酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B是从米酒酒曲中筛选出的一株耐温酿酒酵母，可以在24~44℃条件下生长，能够在24~44℃条件下发酵葡萄糖生产乙醇，特别是可以在较高温度下实现同步糖化和发酵。酿酒酵母的扩大培养可以采用本领域的常规方法，如将含糖50质量%的糖蜜稀释25倍，加入1 g/L的尿素灭菌，接入酵母菌通风搅拌培养12 h即可。

本发明方法中，同步糖化共同发酵条件如下：采用釜式搅拌罐进行反应，在相对较高的温度下进行同步糖化和共同发酵生产乙醇，同步糖化和共同发酵过程采用间歇搅拌，搅拌速率根据反应器体积和形状具体确定；反应时间48-144 h；pH控制在4.0-7.0，优选4.5-5.0。

本发明方法中补加的廉价碳源原料，其中非粮淀粉和含菊糖类原料在酶解之前加入，与纤维质原料一起进行预酶解，加入方式可根据情况一次性加入，也可分批加入；可发酵糖类在发酵前加入，与纤维质原料和其它原料一起共同发酵生成乙醇，可发酵糖类加入方式可一次性加入，也可采用流加方式加入。体系最终干物质固体质量浓度为20%-40%。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）将不同来源的原料的发酵过程有机结合在一起，可以有效提高最终发酵液中乙醇的浓度，为后续提浓过程降低能耗。

（2）不同来源的原料预酶解过程有机结合在一起，与分别酶解处理相比，一方面降低了能耗，简化了过程和设备，另一方面，不同原料酶解过程互相促进，提高了酶解效率，共同酶解时，淀粉酶和菊糖酶共同作用，对不同原料的酶解具有良好的协同促进作用。

（3）预酶解过程采用优化组合的3种不同蛋白协同作用，一方面有效把纤维素水解生成葡萄糖，同时把其它廉价碳源原料中的纤维素类物质有效酶解，实现不同来原物质的综合有效预处理。

（4）采用同步糖化和发酵过程，利用专门的耐温酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B，在相对较高的温度下，对各种原料糖化的同时进行发酵处理，缩短了工艺流程，提高了生产效率，有利于提高乙醇产率。

具体实施方式

实施例1（比较方案）玉米秸秆单独发酵

5L发酵罐中加入2 L自来水，0.4 kg蒸汽爆破预处理的玉米秸秆，50 g酵母粉，调节pH为5.0。同时配制800 mL YPD培养基于3 L三角瓶中，灭菌，接种FE-B酵母，过夜培养。

往5 L发酵罐中加入200 mL纤维素酶，接入过夜培养的800 mL酵母菌。于42℃条件进行同步糖化与发酵。24h，48h，72h和96h分别补加蒸汽爆破预处理玉米秸秆0.2 kg，120h后体系中的乙醇浓度为8.2 wt%（重量百分含量）。

实施例2（比较方案）橡实单独发酵

取1.2 kg橡实粉加入3L自来水置于双层玻璃反应器（5L），利用夹层保持体系的温度为50℃，浸提24 h，离心分离，固体渣取等体积热水洗涤1次，再离心分离。洗涤的固体渣用低于50℃的水配制乳液，乳液固含量为34wt%，在不断搅拌条件下加一定量的10wt%稀碱液使乳液的pH达5.8。加入诺维信公司的Liquozyme Supra/ 2.2x 淀粉酶 0.464 g。95℃液化1h，测得液化液的DX值为15%。然后降温，调节pH4.5，加入0.387 g 诺维信公司的Suhong GA 475糖化酶，58℃糖化48 h，测得糖化料液中的DX值为65%。然后接入0.05%干重的酵母菌，采用5L发酵罐，间歇搅拌，搅拌速率为100 r/min， 36 ℃发酵48 h，测得发酵料液中的乙醇浓度为11.8 wt%。

实施例3（比较方案）玉米秸秆和橡实粉共同发酵

双层玻璃反应器（10 L）加入1.2 kg橡实粉和1 kg蒸汽爆破预处理玉米秸秆，5.5 L自来水，在不断搅拌条件下加一定量的10wt%稀碱液使乳液的pH达5.8。加入诺维信公司的Liquozyme Supra/ 2.2x 淀粉酶 0.464 g。95℃液化1h，然后降温，调节pH4.5，打入到10L发酵罐中，加入50 g酵母粉，200 mL纤维素酶和0.387 g 诺维信公司的Suhong GA 475淀粉糖化酶50℃酶解48h。同时配制800 mL YPD培养基于3 L三角瓶中，灭菌，接种FE-B酵母，过夜培养，作为种子打入到上述10L发酵罐中，36℃培养24 h，然后42 ℃再培养48 h，发酵液中的乙醇浓度为8.5wt%。

实施例4（本发明方案）玉米秸秆和橡实粉共同发酵

双层玻璃反应器（5 L）加入1.2 kg橡实粉和3 L自来水，在不断搅拌条件下加一定量的10wt%稀碱液使乳液的pH达5.8。加入诺维信公司的Liquozyme Supra/ 2.2x 淀粉酶 0.464 g。95℃液化1h，测得液化液的DX值为15%。然后降温，调节pH4.5，打入到10L发酵罐中，再加入2.5 L自来水，1 kg蒸汽爆破预处理玉米秸秆，50 g酵母粉，200 mL纤维素酶和0.387 g 诺维信公司的Suhong GA 475淀粉糖化酶50℃酶解48h。同时配制800 mL YPD培养基于3 L三角瓶中，灭菌，接种FE-B酵母，过夜培养，作为种子打入到上述10L发酵罐中，36℃培养24 h，然后42 ℃再培养48 h，发酵液中的乙醇浓度可达到10wt%。

实施例5（本发明方案）玉米秸秆和菊芋粉共同发酵

双层玻璃反应器（5 L）加入1.2 kg菊芋粉和3 L自来水，缓慢加入80 g密度为1.84的浓硫酸，边加边搅拌，直到混合均匀，得到的浆液pH为0.4。把反应体系的温度升高到60 ℃，并保持90 min。调节反应器温度为50℃，然后利用NaOH调节反应液中的pH为4.5，打入到10L发酵罐中，加入2.5 L自来水，1 kg蒸汽爆破预处理玉米秸秆，50 g酵母粉，200 mL纤维素酶，0.5 g菊糖酶，0.05 g 诺维信公司的Suhong GA 475淀粉糖化酶，50℃酶解48h。同时配制800 mL YPD培养基于3 L三角瓶中，灭菌，接种FE-B酵母，过夜培养，作为种子打入到上述10L发酵罐中，36℃培养24 h，然后42 ℃再培养48 h，发酵液中的乙醇浓度可达到11.8 wt%。

实施例6（本发明方案）发酵过程补充糖蜜进行共发酵

按照实施例5的方法和过程，在36℃发酵培养24 h后，往体系中流加糖蜜（总糖浓度52.69wt%），流加速率为3.7 g/h，流加时间为24 h-36h，最终发酵液中的乙醇浓度可达到12.5 wt%。

实施例7（本发明方案）使用优化的酶制剂

按照实施例5的方法和过程，纤维素酶制剂按如下优化组成配制，其它过程和条件与实施例5的方案相同。

组成1：纤维素内切酶10 g/L，纤维外切酶45 g/L，β-葡萄糖苷酶5 g/L；

组成2：纤维素内切酶22 g/L，纤维外切酶65 g/L，β-葡萄糖苷酶15 g/L。

使用组成1纤维素酶制剂时，最终发酵液中的乙醇浓度可达到12.7 wt%，使用组成1纤维素酶制剂时，最终发酵液中的乙醇浓度可达到13.2 wt%。

Claims

1.一种燃料乙醇的生产方法，其特征在于包括如下内容：

（1）纤维质原料进行预处理，廉价碳源原料进行预处理，其中

廉价碳源原料预处理的方法包括粉碎、加入淀粉酶液化和稀酸水解，具体工艺条件如下：原料粉碎到50-200目，利用自来水调配成乳液，乳液的干物质质量浓度10%-40％，乳液pH 5.6-6.4，喷射温度102-115℃，以固形物计耐高温α-淀粉酶质量用量0.03%-0.09％，在喷射器管道中保温2-10分钟，闪冷至90-98℃，并在隔板式罐中保持0.5-3 h；稀酸水解工艺条件为：酸质量浓度0.5%-5%，水解温度为50-95℃；水解时间为30-180 min；水解过程中带搅拌，搅拌速率视反应器规模，以使整个反应体系传质均匀；

（2）预处理纤维质原料与预处理的廉价碳源原料混合，然后进行预酶解，廉价碳源原料与纤维质原料按干基计的重量比为1:3-3:1；预酶解过程中使用专性水解酶制剂，专性水解酶制剂中含有纤维素酶，同时包括淀粉糖化酶和/或菊糖酶，纤维素酶用量为0.03-3 g/g纤维素，淀粉糖化酶用量为0.02-0.5g/Kg，菊糖酶用量为0.1-5 g/Kg，预酶解在45～60℃下处理0-36 h；

（3）经过预酶解的纤维质原料中，加入可发酵糖原料，调整温度至24-44 ℃，以干酵母质量为基准计加入酿酒酵母0.02‰-5‰，进行同步糖化共同发酵生产乙醇，其中

乙醇发酵菌种采用耐温酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae FE-B，于2008年11月10日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，其保藏号为CGMCC NO. 2735。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）的纤维质原料包括木材、工业纤维废弃物、林业废弃物、城市废弃物、废纸和农业废弃物。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）的廉价碳源原料包括甘蔗、甜高粱、甜菜、鲜秸秆、橡实、葛根、蕨根、菊芋、莴苣、大丽花根部、蒲公英、橡胶草中的一种或几种。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤（1）纤维质原料预处理方法包括机械粉碎法、高温分解法、液态热水法、稀酸水解法、碱法、氧化脱木质素法、有机溶剂法、蒸汽爆破法、氨法纤维爆破、CO₂爆破法和生物预处理，上述预处理方法单独使用或者组合使用。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤（1）纤维质原料预处理方法使用稀酸水解法或稀酸蒸汽爆破，稀酸水解法条件为160-200℃，使用质量浓度0.5%-2%的H₂SO₄，时间为2-20min；稀酸蒸汽爆破条件为温度140-180℃，质量浓度0.2%-2.0% H₂SO₄，时间为1-10min。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，加入的可发酵糖原料为糖蜜，可发酵糖原料的加入比例为：纤维质原料与可发酵糖的质量比为1:1-3:1。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：专性水解酶制剂中的纤维素酶包括纤维素内切酶、纤维素外切酶和β-葡萄糖苷酶，3种酶协同作用把纤维素水解生成葡萄糖，同时把其它廉价碳源原料中的纤维素有效酶解；其中纤维素内切酶的浓度为10-30 g/L，纤维素外切酶的浓度为40-100 g/L，β-葡萄糖苷酶的浓度为5-30 g/L。

8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：同步糖化共同发酵条件如下：采用釜式搅拌罐进行反应，进行同步糖化和共同发酵生产乙醇，同步糖化和共同发酵过程采用间歇搅拌，反应时间为48-144 h，pH控制在4.0-7.0。