CN104388473B - 一种纤维素乙醇的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物工程领域和化工领域，特别涉及一种纤维素乙醇的制备方法。该制备方法包括：在木质纤维素原料酶解液中加入C5酵母菌，发酵14～18小时后，调节pH值至5.0～5.05，继续发酵30～34小时，获得纤维素乙醇。与现有技术相比，本发明提供的纤维素乙醇的制备方法可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生产成本，还可大大降低副产物甘油浓度和耗碱量，缓解了全程调控pH值酸碱消耗的高成本压力，降低了由于残糖、副产物过多和高盐浓度对后序污水处理的高负荷影响，且发酵过程仅调控一次pH值，生产操作简洁化。

Description

一种纤维素乙醇的制备方法
技术领域
本发明涉及生物工程领域和化工领域，特别涉及一种纤维素乙醇的制备方法。
背景技术
随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。一直以来，将纤维素生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。
纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。纤维素生物质是由纤维素(30％～50％)、半纤维素(20％～40％)和木质素(15％～30％)组成的复杂材料，纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素和半纤维素能被水解为单糖，单糖再发酵生成乙醇。
纤维素的性质很稳定，只有在催化剂存在下，纤维素的水解反应才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶，由此分别形成了酸水解和酶水解工艺，其中的酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖，易于发酵成乙醇。
半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物，聚合度较低，也无晶体结构，故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖，还包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖，含量因原料不同而不同。普通酵母不能将木糖发酵成乙醇，因此五碳糖的发酵成为研究的热点。Terranol开发的C5酵母菌具备同时发酵相对易于获取的C6糖(葡萄糖)与难以利用的C5糖(木糖和阿拉伯糖)能力，是生产纤维素乙醇不可或缺的必要成分。
目前，利用C5酵母菌生产纤维素乙醇发酵过程中，pH值控制方式有两种：一种是全程自然，另外一种是全程控制pH值在5.0。前者的木糖利用率低，残糖过高，总糖醇转化率低；后者发酵副产物产量高，总糖醇转化率无明显增幅，而且调节pH值消耗的碱量升高；以上两种方式均会提升后续污水处理的难度。因此，提供一种既能提高原料利用率、又能减少对后序污水处理环节的压力的纤维素乙醇发酵工艺，具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种纤维素乙醇的制备方法。该制备方法与现有技术相比，可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生产成本，还可大大降低副产物甘油浓度和耗碱量，缓解了全程调控pH值酸碱消耗的高成本压力，降低了由于残糖、副产物过多和高盐浓度对后序污水处理的高负荷影响，且发酵过程仅调控一次pH值，生产操作简洁化。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种纤维素乙醇的制备方法，包括如下步骤：
在木质纤维素原料酶解液中加入C5酵母菌，发酵14～18小时后，调节pH值至5.0～5.05，继续发酵30～34小时，获得纤维素乙醇。
在本发明中，研究发现纤维素乙醇发酵过程中，前14小时菌株主要利用葡萄糖进行代谢，这个过程发酵速度快，pH值降低幅度大，在这过程中pH值控制在4.5左右，葡萄糖利用率最高，副产物的产量最少(主要是甘油)；18小时之后葡萄糖已经完全消耗，菌株主要利用木糖代谢，这个过程发酵速度慢，pH值无明显变化，此阶段pH值控制在5.0～5.05，木糖利用率最高。
木质纤维素原料经预处理、酶解后获得的酶解液，葡萄糖浓度8.5g/100mL，木糖浓度3.0g/100mL，水解液的pH值在4.9～5.0之间，8％～10％接种后pH值会≤4.9，0～6小时酵母大量繁殖的过程pH值迅速下降至4.7，葡萄糖主发酵期pH值会自然稳定在4.5～4.6之间，因此这个阶段无需调控pH值。
18小时之后需将pH值调至5.0～5.05以保证木糖利用率最大化，由于木糖浓度低，发酵速度慢，这个阶段的pH值稳定的维持在4.9～5.0，调控pH值木糖利用率也无明显变化，因此在将pH值调至5.0后，后续发酵过程不再继续调控pH值，防止调控过程pH值上下波动，增加酸碱的消耗。
因此，以高原料利用率、低辅料消耗的原则，在发酵14～18小时调控一次pH值，就可达到最优的pH调控目标，既可以提高乙醇的得率，降低副产物的产出，又能缓解全程调控pH值酸碱消耗的高成本压力，还可降低由于残糖、副产物过多和高盐浓度对后序污水处理的高负荷影响，同时提高了原料利用率，降低了生产成本，发酵过程仅调控一次pH值，生产操作简洁化。
为了达到C5酵母菌分解木糖的最佳pH值，作为优选，发酵16小时后，调节pH值至5.0。pH值过高容易染菌，pH值过低影响微生物酶活性。
在纤维素乙醇的制备过程中，酶解阶段已为发酵阶段的酵母生长繁殖提供氮源，如果在发酵过程中继续用氨水调节pH值势必会导致废水氨氮含量升高，增加污水处理难度，同时氨水由于挥发性的问题会伤害员工，且20％氨水调pH值会一定程度降低发酵干物，提高蒸馏能耗。作为优选，调节pH值采用的试剂为氢氧化钠。
在本发明提供的一些实施例中，氢氧化钠为液体氢氧化钠或固体氢氧化钠。
为了达到C5酵母菌分解木糖的最佳温度，在本发明提供的一些实施例中，发酵的温度为30℃。
木质纤维素原料包括所有以纤维素或半纤维素为有效利用成份的原料。在本发明提供的一些实施例中，木质纤维素原料为麦秆、稻秆、玉米秸秆或木材下脚料中的一种或两者以上的混合物。
作为优选，C5酵母菌与木质纤维素原料酶解液的质量比为8％～10％。
在本发明提供的一些实施例中，C5酵母菌的菌活为85％～100％。
作为优选，C5酵母菌的菌活为85％～95％。
优选地，C5酵母菌的菌活为95％。
在本发明提供的一些实施例中，木质纤维素原料酶解液的制备方法具体为：将木质纤维素原料预处理、酶解，获得木质纤维素原料酶解液。
在本发明提供的一些实施例中，酶解具体为：取预处理后的木质纤维素原料与纤维素酶混合，调节pH值至4.95～5.05。
在纤维素乙醇的制备过程中，酶解阶段需要为发酵阶段的酵母生长繁殖提供氮源。作为优选，酶解步骤中调节pH值采用的试剂为氨水。采用氨水调节pH值可降低辅料成本，缓冲了pH调控过程中的上下波动幅度，保证了酶水解的高效运行，节省了其他类氮源辅料的添加，同时还减弱了污水处理过程中氨氮类指标的高负荷影响。酶水解工序如果用氢氧化钠调节，发酵过程需要额外添加氮源，辅料消耗增加，污水处理难度增加。
在本发明提供的一些实施例中，预处理为采用蒸汽爆破法、氨纤爆破法、二氧化碳爆破法、湿氧化法、过氧化物法或二氧化硫法进行处理。
作为优选，预处理为采用蒸汽爆破法进行处理。
本发明提供了一种纤维素乙醇的制备方法。该制备方法包括：在木质纤维素原料酶解液中加入C5酵母菌，发酵14～18小时后，调节pH值至5.0～5.05，继续发酵32～34小时，获得纤维素乙醇。本发明至少具有如下优势之一：
与现有技术相比，采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生产成本；
采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法可大大降低副产物甘油浓度和耗碱量，缓解了全程调控pH值酸碱消耗的高成本压力，还可降低由于残糖、副产物过多和高盐浓度对后序污水处理的高负荷影响；
采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法，发酵过程仅调控一次pH值，生产操作简洁化。
具体实施方式
本发明公开了一种纤维素乙醇的制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供的纤维素乙醇的制备方法中所用原料药或辅料均可由市场购得。C5酵母菌购自美国绿色科技公司(Green Tech America，Inc)。
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
实施例1 纤维素乙醇的制备
取1000kg木质纤维素原料玉米秸秆，经蒸汽爆破法，制得的含水物料输送到酶水解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调节pH值至5.0，加入19.2kg纤维素酶，水解72h，获得酶解液。
在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活为95％，加入量为8％酶解液的量，在30℃的条件下发酵16小时后，加入氢氧化钠调节pH值至5.0，继续发酵32小时，获得纤维素乙醇。
计算纤维素乙醇的得率、耗碱量、原料单耗，并测定副产物甘油的浓度，计算公式如下：
纤维素乙醇得率(％)＝(C1-C0)/0.511*(C葡+C木)
其中，C1为发酵结束乙醇浓度，C0为发酵开始乙醇浓度，C葡为发酵开始葡萄糖浓度，C木为发酵开始木糖浓度。
耗碱量＝碱(kg)/乙醇(t)；
原料单耗＝原料(t)/乙醇(t)。
实验结果见表1。
表1 纤维素乙醇的得率等测定结果
乙醇得率 甘油浓度 耗碱量 原料单耗
81.19％ 0.37％ 32 4.62
实施例2 纤维素乙醇的制备
取1000kg木质纤维素原料稻秆，经蒸汽爆破法，制得的含水物料输送到酶水解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调节pH值至4.95～5.05，加入19.2kg纤维素酶，水解72h，获得酶解液。
在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活为90％，加入量为9％酶解液的量，在30℃的条件下发酵14小时后，加入氢氧化钠调节pH值至5.05，继续发酵34小时，获得纤维素乙醇。
计算纤维素乙醇的得率、耗碱量、原料单耗，并测定副产物甘油的浓度，实验结果与实施例1的实验结果相近。
实施例3 纤维素乙醇的制备
取1000kg木质纤维素原料木材下脚料，经蒸汽爆破法，制得的含水物料输送到酶水解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调节pH值至4.95～5.05，加入19.2kg纤维素酶，水解72h，获得酶解液。
在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活为85％，加入量为10％酶解液的量，在30℃的条件下发酵18小时后，加入氢氧化钠调节pH值至5.02，继续发酵30小时，获得纤维素乙醇。
计算纤维素乙醇的得率、耗碱量、原料单耗，并测定副产物甘油的浓度，实验结果与实施例1的实验结果相近。
对比例1 纤维素乙醇的制备
纤维素乙醇发酵过程pH值的控制方式采用全程自然的方式，具体操作如下：
取1000kg木质纤维素原料玉米秸秆，经蒸汽爆破法，制得的含水物料输送到酶水解反应器中，加入19.2纤维素酶，水解72h，获得酶解液。
在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活为95％，加入量为8％酶解液的量，在30℃的条件下发酵48小时，获得纤维素乙醇。
计算纤维素乙醇的得率、耗碱量、原料单耗，并测定副产物甘油的浓度，实验结果见表2。
表2 纤维素乙醇的得率等测定结果
乙醇得率 甘油浓度 耗碱量 原料单耗
68.61％ 0.34％ 0 5.47
由表2可知，采用全程自然的方式控制纤维素乙醇发酵过程pH值，所得的乙醇得率为68.61％，副产物甘油浓度为0.34％，耗碱量为0，原料单耗为5.47。而采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法所得的乙醇得率为81.19％，副产物甘油浓度为0.37％，耗碱量为32，原料单耗为4.62。可见，相对于采用全程自然的方式，采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量。按氢氧化钠3000元/吨、玉米秸秆400元/吨的价格行情计算，与本对比例提供的制备方法相比，采用本发明实施例1提供的制备方法生产1吨乙醇可节约生产成本244元。
对比例2 纤维素乙醇的制备
纤维素乙醇发酵过程pH值的控制方式采用全程控制pH值在5.0的方式，具体操作如下：
取1000kg木质纤维素原料玉米秸秆，经蒸汽爆破法，制得的含水物料输送到酶水解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调节pH值至5.0，加入19.2纤维素酶，水解72h，获得酶解液，水解过程中随时监控并调节pH值至5.0。
在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活为95％，加入量为8％酶解液的量，在30℃的条件下发酵48小时，获得纤维素乙醇，发酵过程中随时监控并采用氢氧化钠调节pH值至5.0。
计算纤维素乙醇的得率、耗碱量、原料单耗，并测定副产物甘油的浓度，实验结果见表3。
表3 纤维素乙醇的得率等测定结果
乙醇得率 甘油浓度 耗碱量 原料单耗
74.08％ 0.63％ 50 5.06
由表3可知，采用全程控制pH值在5.0的方式控制纤维素乙醇发酵过程pH值，所得的乙醇得率为74.08％，副产物甘油浓度为0.63％，耗碱量为50，原料单耗为5.06。而采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法所得的乙醇得率为81.19％，副产物甘油浓度为0.37％，耗碱量为32，原料单耗为4.62。可见，相对于采用全程控制pH值在5.0的方式，采用本发明提供的纤维素乙醇的制备方法可大大提高乙醇的得率，还可大大降低副产物甘油浓度、耗碱量、原料单耗。按氢氧化钠3000元/吨、麦秆400元/吨的价格行情计算，与本对比例提供的制备方法相比，采用本发明实施例1提供的制备方法生产1吨乙醇可节约生产成本230元。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在木质纤维素原料酶解液中加入C5酵母菌，发酵14～18小时后，调节pH值至5.0，继续发酵30～34小时，获得纤维素乙醇；所述C5酵母菌购自美国绿色科技公司。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述调节pH值采用的试剂为氢氧化钠。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述发酵的温度为30℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述木质纤维素原料为麦秆、稻秆、玉米秸秆或木材下脚料中的一种或两者以上的混合物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述C5酵母菌与所述木质纤维素原料酶解液的质量比为8％～10％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述C5酵母菌的菌活为85％～100％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述木质纤维素原料酶解液的制备方法具体为：将木质纤维素原料预处理、酶解，获得木质纤维素原料酶解液。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述酶解具体为：取预处理后的木质纤维素原料与纤维素酶混合，调节pH值至4.95～5.05。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述酶解步骤中调节pH值采用的试剂为氨水。
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