CN103966269B - 溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法，包括以下步骤：用溶剂溶解处理秸秆，通入二氧化碳，加入酶溶解，在溶剂体系中高效原位酶解秸秆，降解秸秆成为糖，调节pH加入微生物原位发酵转化糖制备乙醇。提取乙醇后，加入盐制成双水相体系，二氧化碳可促进溶剂的回收，秸秆溶剂回收率可达99.5%。本方法可以绿色高效地转化秸秆制备生物乙醇，而且溶剂、酶和微生物几乎可以完全回收再利用，整个体系几乎不产生废物，成本低，适于大规模应用。

Description

溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法，特别涉及混合物溶液中离子液体的回收与纯化同步进行的方法。

背景技术

由于纤维素不溶于普通溶剂，因此它的溶剂和溶解方法在纤维素工业和基础研究中都是十分重要的课题。纤维素的溶剂可以直接溶解纤维素，达到预处理的目的，可以最大限度地保留天然纤维素的特性。人们长期以来希望能将纤维素直接溶解在普通溶剂中变成透明溶液，然后加工成丝、膜、填料、无纺布等各种产品。纤维素溶剂分为非衍生化溶剂和衍生化溶剂，也可将其分为水相溶剂和非水相溶剂。目前研究得较多的纤维素溶剂主要有铜氨溶液、N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶剂体系等。纤维素在溶解过程中发生衍生化反应的称为衍生化溶剂（CS₂/NaOH/水、N₂O₄/二甲基甲酰胺、多聚甲醛/二甲亚砜等），而在溶解过程中没有形成衍生物的称为非衍生化溶剂（胺氧化物体系、LiOH/二甲基乙酰胺、液氨/NH₄SCN、离子液体、过渡金属络合物水溶液、碱水溶液体系等）。

传统的纤维素溶剂体系主要有铜氨法、黏胶法和醋酸法。铜氨溶液对纤维素的溶解能力很强，其溶解机理被认为是形成纤维素醇化物或是分子化合物，其溶解度主要取决于纤维素的聚合度、温度以及金属络合物的浓度，目前铜氨溶剂主要用于纤维素聚合度的测试。黏胶法是一个包含化学反应的复杂过程，其溶解机理是首先将纤维素用强碱处理生成碱纤维素，再与二硫化碳反应得到纤维素磺酸钠，然后溶解于NaOH中，在纺丝溶液挤出的同时，中间化合物重新转化为纤维素。黏胶法对空气和水造成污染，使生态环境遭到破坏，而且操作费用昂贵。因此，黏胶的制造在过去的几年中已大量减少，特别是在发达国家。1864年，P.Schutzenberger在实验室使用醋酸酐进行纤维素的乙酰化，得到了初级纤维素醋酸酯，即三醋酸酯，从而开辟了生产醋酸纤维的途径，它可用于制造纺织品、烟用滤嘴、片基、塑料制品等，且服用性能优良，生产过程无污染。缺点是制品的强力低，耐用性能差，所以它的应用前景受到一定限制。传统的溶剂体系在生产过程中由于二硫化碳和氨的存在，造成环境污染，环保问题无法解决，使其进一步的发展受到限制，有的已被淘汰。为了扩宽纤维素的应用，现在已有大量新的溶剂体系出现。因此人们寻求新型的纤维素溶剂体系。

近年来开始应用于纤维素材料的开发中，取得了初步研究进展。纤维素是地球上含量最多的天然有机物，全球每年的产量为1000-1500亿吨，秸秆等天然纤维素材料这样丰富的可再生资源备受人们关注。然而天然生物质材料在制备燃料过程中存在一种主要困难，天然纤维素中存在着较高的结晶度和分子间与分子内存在大量的氢键，导致其不溶于普通溶剂，这已成为纤维素材料应用的最大障碍之一。因此目前人们正在寻找新型绿色的纤维素材料的溶剂，以期破坏纤维素材料的紧密结构达到高效利用天然纤维素材料的目的。离子液体是绿色的溶剂，而且离子液体处理过的纤维素材料易于酶解，因此离子液体预处理纤维素材料的研究成为目前的研究热点。近3年来人们开发了离子液体体系中纤维素酶原位酶解技术。离子液体体系中纤维素酶原位酶解技术的应用首先采用离子液体预处理纤维素材料，然后不分离离子液体，将纤维素酶加入离子液体/纤维素体系中进行原位酶解。原位酶解技术减少了工艺步骤，避免了纤维素原料在操作过程中的损失，这项技术以天然植物纤维中生物量全利用为目的，是对预处理技术的深化和提升。

随着能够溶解纤维素的离子液体的发现，人们开始致力于离子液体处理纤维素和纤维素酶在离子液体中降解纤维素的研究。虽然有一些酶可以在离子液体介质中进行催化反应，但是离子液体会抑制纤维素酶的活性，离子液体中的离子会破坏纤维素酶的氢键使纤维素酶失活，因此还未开发出溶剂处理、酶解和发酵耦合的体系。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供了一种溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法，建立纤维素溶剂处理、酶解和发酵耦合的反应体系。

技术方案：本发明提供的溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法，包括以下制备步骤：（1）离子液体溶解处理秸秆：利用离子液体在25-150℃条件下溶解秸秆，离子液体和秸秆的比为10-12:1，搅拌均匀，保温20min；调节温度至40-50℃，通入CO₂，CO₂的摩尔终浓度达到离子液体的10-30%，得到溶解液；（2）二氧化碳辅助酶解：在溶解液中加入水使离子液体的终浓度为10-40%（w/w），再加入纤维素酶12500-70000FPU，混匀搅拌，酶解，得到酶解液；（3）微氧发酵产乙醇：酶解之后，调节pH至4.0-6.0，在酶解液中按照2-3%（v/v）加入酵母，停止通CO₂，发酵得到酒精。

所述离子液体为具有纤维素溶解功能的离子液体；所述CO₂的通入方式为鼓泡通入；所述酵母为可产酒精的酵母。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：①建立了纤维素溶剂处理、酶解和发酵耦合的反应体系，在该体系中可以将秸秆高效转化成生物燃料，有利于大规模应用，适于工业化生产。②该体系可以回收并且重复利用，不产生有害废弃物，过程绿色环保。通入的二氧化碳有利于形成气泡，对于溶剂和酶有一定的分隔作用，有利于保持酶的活性不受溶剂破坏，有利于微氧条件发酵产乙醇，有利于溶剂的回收。

具体实施方式

下面通过实施例的方式对本发明的技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

实施例1

[EMIM]DEP中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇

1）离子液体溶解处理秸秆：利用300g离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸盐([EMIM]DEP)在130℃条件下溶解30g玉米秸秆，磁力搅拌均匀，保温20min。降温至50℃，鼓泡通入CO₂，CO₂的摩尔终浓度达离子液体[EMIM]DEP的12%，得到溶解液。

2）二氧化碳辅助酶解：在溶解液中加入670g水使离子液体[EMIM]DEP的终浓度为30%（w/w），再加入纤维素酶12500FPU，混匀搅拌，50℃保温酶解，得到酶解液。

3）微氧发酵产乙醇：酶解之后，调节pH至4.5，在酶解液中按照2%（v/v）接种加入酿酒酵母，停止通CO₂，密封发酵36h得到酒精，产量可达3.6g。

4）各组分回收：发酵结束后，加入硫酸铵，构建成双水相体系，体系中存在的二氧化碳可促使离子液体和水相分相，回收离子液体、纤维素酶和酵母，离子液体的回收率可达99.5%。获得的离子液体可继续用于纤维素的预处理，同时离子液体与酶和酵母的分离，有利于酶和酵母的回收。

实施例2

[EMIM]Ac中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇

1）离子液体溶解处理秸秆：利用600g离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIM]Ac)在120℃条件下处理50g甘蔗秸秆，磁力搅拌均匀，保温20min。降温至40℃，鼓泡通入CO₂，CO₂摩尔终浓度达离子液体[EMIM]Ac的18%，得到溶解液。

2）二氧化碳辅助酶解：在溶解液中加入5kg水使离子液体[EMIM]Ac的终浓度为10.62%（w/w），再加入70000FPU纤维素酶，混匀搅拌，50℃保温酶解。

3）微氧发酵产乙醇：酶解之后，调节pH至5.0，在酶解液中加入按照3%（v/v）接种休哈塔假丝酵母，停止CO₂，密封发酵24h得到酒精，产量可达6g。

4）各组分回收：发酵结束后，加入硫酸铵，构建成双水相体系，体系中存在的二氧化碳可促使离子液体和水相分相，回收离子液体、纤维素酶和酵母，离子液体的回收率可达99.2%。获得的离子液体可继续用于纤维素的预处理，同时离子液体与酶和酵母的分离，有利于酶和酵母的回收。

Claims (1)

1.一种溶剂中二氧化碳辅助酶解与发酵耦合转化秸秆制乙醇的方法，其特征在于包括以下制备步骤：（1）离子液体溶解处理秸秆：利用离子液体在25-150℃条件下溶解秸秆，离子液体和秸秆的比为10-12:1，搅拌均匀，保温20min；调节温度至40-50℃，通入CO₂，CO₂的摩尔终浓度达到离子液体的10-30%，得到溶解液；（2）二氧化碳辅助酶解：在溶解液中加入水使离子液体的终浓度为10-40%（w/w），再加入纤维素酶12500-70000FPU，混匀搅拌，酶解，得到酶解液；（3）微氧发酵产乙醇：酶解之后，调节pH至4.0-6.0，在酶解液中按照2-3%（v/v）加入酵母，停止通CO₂，发酵得到酒精；

所述离子液体为具有纤维素溶解功能的离子液体；所述CO₂的通入方式为鼓泡通入；所述酵母为可产酒精的酵母。