CN103555773B - 一种草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法,首先将原料切断至一定长度，装入高压容器中加水升温进行热水处理；热水处理后进行固液分离，固态物料不经过水洗涤，直接加入浓度为0.01%～3%的表面活性剂在常温下进行预处理；表面活性剂处理后进行固液分离，分离出来的表面活性剂液体再循环应用上述表面活性剂处理步骤；分离出的固态物料转入发酵罐中，依次加入纤维素酶和酵母，进行补料半同步糖化发酵生产乙醇。采用本发明方法，预处理后物料不需要进行洗涤即可直接进行发酵，具有可大量节约洗涤用水和能耗，纤维素酶用量低，表面活性剂可循环利用等优点。

Description

一种草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种生物乙醇的生产方法，尤其涉及一种以草类为原料经纤维素酶水解糖化发酵生产生物乙醇的方法。

背景技术

草类原料是价廉易得、来源丰富的可再生资源，将其通过生物转化生产出人类所需要的液体燃料和大宗化学品，以部分替代日益减少的石油等不可再生资源，对减少温室气体的排放、缓解石油和煤炭等化石能源危机等具有重要意义。草类原料生物转化生产燃料乙醇一般需要进过预处理、纤维素酶水解、乙醇发酵三个主要步骤，其中，利用纤维素酶将草类原料高效水解生成可发酵性的糖类是生物转化中的重要一步。但由于草类原料的致密结构和复杂的化学组成，使其具有天然的抗生物降解屏障，导致直接对草类原料进行纤维素酶水解时的效率低下，因此在纤维素酶水解前必须首先对原料进行预处理，以破坏其抗生物降解屏障，提高纤维素酶水解的效率。在已经报道的众多的物理或化学的原料预处理方法中，高温液态水预处理由于其在过程中不添加任何化学药品而被认为是一种环境友好的预处理方法。但由于原料在高温热水预处理过程中，原料中纤维素、半纤维素等会发生酸性水解和降解反应，形成部分糠醛、乙酸、羟甲基糠醛等化合物，这些产物会对后续的酵母发酵产生抑制作用，影响发酵效率。为消除这些抑制物的不利影响，需要对处理后的物料进行洗涤或进行中和脱毒处理，因此需要消耗大量洗涤水或增加脱毒费用，增加生产成本。此外，高温热水处理后的原料中仍含有大量的木质素组分，这些木质素组分包裹在纤维素表面，阻碍了纤维素酶接触纤维素，并会吸附纤维素酶导致酶的失活，降低纤维素酶的水解效率。为抵消木质素对纤维素酶的无效吸附，获得较高的纤维素酶水解效率，需要增加纤维素酶的用量，因而造成生产成本的增加。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种解决草类原料生物转化生产生物乙醇过程中常出现的纤维素酶用量高、能耗高、发酵液乙醇浓度低等问题的以草类为原料经纤维素酶水解糖化发酵生产生物乙醇的方法。

为了减少纤维素酶的用量，降低洗涤用水消耗或脱毒费用，减少在此过程中的能量消耗，提高纤维素酶的水解效率，本发明提出了对高温热水处理后的原料，无需洗涤，直接采用低浓度的表面活性剂对热水处理后的物料在室温下进行处理，发现可以有效地达到降低纤维素酶用量，提高纤维素酶解效率的效果。处理后分离出来的含表面活性剂的废液还可以再循环利用于后续工段的原料处理。进一步采用分批补料和半同步糖化发酵工艺对表面活性剂处理后的原料进行糖化发酵生产乙醇，以满足酶水解段和酒精发酵段各自对温度的不同需求，增加底物浓度，提高发酵液中的乙醇浓度，以有利于后续的酒精蒸馏操作。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明所述草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，步骤包括热水处理、表面活性剂处理、酶解糖化发酵；

具体是：用切草机将草类原料切成3～7cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:4～1:20的料液比加入水，然后加热升温至150～250℃，进行热水处理5～50min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:4～1:20的料液比直接加入体积比浓度为0.01%～3%的表面活性剂溶液，在温度0～80℃下处理30～120min；最后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以5～40FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度为重量比为10～20%，在40～50℃下预水解6～24h，待水解完毕后向罐中加入总料量5%～10%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵60～72h，其中分别在水解和发酵期间依据液化状态（由固体变为液态，即有流动性状态时）进行1～3次补料，每次补料量为发酵开始时固态物料干重重量的50～100%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

上述方法中，所述的草类原料是麦草、蔗渣、稻草、芦苇、玉米芯、玉米秸秆或芒秆，或其任意比例组合，但较优选是芦苇、玉米芯或玉米秸秆。所述表面活性剂是吐温20、吐温40、吐温60或吐温80，或其任意比例组合，但优先选择吐温40或吐温80。

上述方法中，热水处理时的条件优选为：按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:8～1:15的料液比加入水，然后加热升温至180～220℃，进行热水处理10–30min。

上述方法中，表面活性剂处理时的条件优选为：按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:6～1:15的料液比直接加入体积比浓度为0.5～2.0%的表面活性剂溶液，在温度20～50℃下处理30～90min。

上述方法中，酶解糖化发酵时的条件优选为：向固态物料中以15～30FPU/g物料的量加入纤维素酶，在45～50℃，浓度10～20%下预水解12～18h。

本发明的突出优点及效果是：

（1）在热水处理前原料不需要磨碎成粉状，仅简单采用切草机切成3-7cm的条状即可，降低了原料处理时的能量消耗；

（2）高温液态水预处理时无需添加任何化学药品，可有效地减少对环境的污染，并减少预处理过程中对后续酵母有抑制作用的抑制物的产生量；

（3）高温液态水预处理后，不溶性的固态物料无需洗涤，可直接进行表面活性剂预处理，大大减少了洗涤水的用量；且预处理后的含有表面活性剂的废液可以再循环利用于后续物料的处理；

（4）表面活性剂预处理后的固态物料经过浓缩后，可以直接进行酶解糖化发酵生产乙醇，且与未采用表面活性剂预处理的工艺相比，纤维素酶用量减少40-50%，大大降低了生产成本；

（5）发酵前物料不需要灭菌处理，发酵时也不需要添加酵母营养物质，降低了生产成本。

具体实施方式

实施例1：

用切草机将玉米秸秆切成3～7cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:15的料液比加入水，然后加热升温至180℃，进行热水处理20min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:15的料液比直接加入浓度为1.5%的表面活性剂吐温40溶液，在温度25℃下处理60min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以30FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为10%，在50℃下预水解18h，待水解完毕后向罐中加入总料量5%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵72h，其中分别在预水解时间6h和16h时各补料一次，每次补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的100%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达52.26g/L，酒精转化率达到64.6%。

实施例2：

用切草机将芦苇切成3～7cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:8的料液比加入水，然后加热升温至220℃，进行热水处理30min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:6的料液比直接加入浓度为2.0%的表面活性剂吐温80溶液，在温度0℃下处理90min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以20FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为20%，在45℃下预水解18h，待水解完毕后向罐中加入总料量10%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵60h，其中分别在预水解时间6h，16h和发酵6h时各补料一次，每次补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的50%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达62.0g/L。

实施例3：

用切草机将玉米芯切成3～5cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:20的料液比加入水，然后加热升温至250℃，进行热水处理10min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:20的料液比直接加入浓度为0.01%的表面活性剂吐温60溶液，在温度80℃下处理120min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以40FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为10%，在40℃下预水解18h，待水解完毕后向罐中加入总料量10%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵72h，其中分别在预水解时间6h，16h和发酵6h时各补料一次，每次补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的50%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达51.26g/L。

实施例4：

用切草机将麦草切成3～5cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:10的料液比加入水，然后加热升温至250℃，进行热水处理5min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:4的料液比直接加入浓度为3%的表面活性剂吐温20溶液，在温度25℃下处理30min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以5FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为15%，在50℃下预水解6h，待水解完毕后向罐中加入总料量5%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵72h，其中在预水解时间6h时补料一次，补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的100%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达46.23g/L。

实施例5：

用切草机将蔗渣切成3～5cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:4的料液比加入水，然后加热升温至150℃，进行热水处理50min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:10的料液比直接加入浓度为1.5%的表面活性剂吐温40和吐温80的混合溶液（按1:1比例混合），在温度25℃下处理60min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以15FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为10%，在50℃下预水解18h，待水解完毕后向罐中加入总料量8%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵72h，其中分别在预水解时间6h，16h和发酵6h时各补料一次，补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的100%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达52.6g/L

实施例6：

用切草机将稻草切成3～5cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:10的料液比加入水，然后加热升温至210℃，进行热水处理20min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:10的料液比直接加入浓度为1.5%的表面活性剂吐温40和吐温60的混合溶液（按1:1比例混合），在温度25℃下处理60min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以20FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为10%，在50℃下预水解18h，待水解完毕后向罐中加入总料量5%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵72h，其中分别在预水解时间6h，16h和发酵6h时各补料一次，补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的50%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达53.27g/L。

实施例7：

用切草机将芒杆切成3～5cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:10的料液比加入水，然后加热升温至210℃，进行热水处理30min；将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:10的料液比直接加入浓度为1.0%的表面活性剂吐温40溶液，在温度25℃下处理60min；然后，将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以15FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度重量比为10%，在50℃下预水解18h，待水解完毕后向罐中加入总料量5%的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵72h，其中分别在预水解时间6h，16h和发酵6h时各补料一次，补料量为发酵开始时固态物料重量（干重）的50%。发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇。

采用上述工艺，发酵液中生物乙醇浓度达55.7g/L。

Claims (7)

1.一种草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，步骤包括热水处理、表面活性剂处理、酶解糖化发酵；

其特征在于：

所述的热水处理的方法是：用切草机将草类原料切成3～7cm的长度后装入高压容器中，按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:4～1:20的料液比加入水，然后加热升温至150～250℃，进行热水处理5～50min；

所述表面活性剂处理的方法是：将热水处理后的物料进行固液分离，分离出的固态物料转入常压容器中，按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:4～1:20的料液比直接加入体积比浓度为0.01％～3％的表面活性剂溶液，在温度0～80℃下处理30～120min；

所述酶解糖化发酵的方法是：将表面活性剂处理后的物料进行固液分离，分离出来的含表面活性剂的液体再循环用于上述表面活性剂处理步骤，分离出的固态物料转入发酵罐中，然后向固态物料中以5～40FPU/g物料的量加入纤维素酶，并调整物料浓度为重量比为10～20％，在40～50℃下预水解6～24h，待水解完毕后向罐中加入总料量5％～10％的活化好酒精酵母种子液，在34～36℃下发酵60～72h，其中分别在水解和发酵期间依据液化状态进行1～3次补料，每次补料量为发酵开始时固态物料干重重量的50～100％；发酵完毕后对发酵液进行蒸馏提取乙醇；

其中，上述草类原料是麦草、蔗渣、芦苇或芒秆，或其任意比例组合。

2.如权利要求1所述的草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述草类原料是芦苇。

3.如权利要求1所述的草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，其特征在于：热水处理时按绝干原料重量与水体积之比，即千克:升为1:8～1:15的料液比加入水，然后加热升温至180～220℃，进行热水处理10–30min。

4.如权利要求1所述的草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述表面活性剂是吐温20、吐温40或吐温60，或其任意比例组合。

5.如权利要求4所述的草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述表面活性剂是吐温40。

6.如权利要求1所述的草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述表面活性剂处理时按物料重量与表面活性剂体积之比，即千克:升为1:6～1:15的料液比直接加入体积比浓度为0.5～2.0％的表面活性剂溶液，在温度20～50℃下处理30～90min。

7.如权利要求1所述的草类原料酶解糖化发酵生产乙醇的方法，其特征在于：所述酶解糖化发酵时，向固态物料中以15～30FPU/g物料的量加入纤维素酶，在45～50℃，浓度10～20％下预水解12～18h。