CN104450797A - 一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法 - Google Patents

一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，它涉及一种制备乙醇的方法。本发明的发方法为：首先将废弃烟叶进行糖提取及纤维素水解，过滤收集滤液；玉米秸秆经水热预处理，过滤收集固相物，将二者收集的物质进行同步糖化发酵，即完成。本发明选用水热预处理法作为预处理手段，移除玉米秸秆中的半纤维素，减小半纤维素对纤维素酶的阻碍并在玉米秸秆中富集纤维素；通过含有纤维素酶的缓冲液提取废弃烟叶中的可发酵单糖并水解废弃烟叶中的纤维素，固液分离后获得含糖滤液；最后以存在可见自由水的固液比(15:85，w/w)混合水热预处理后玉米秸秆和废弃烟叶提取液进行同步糖化共发酵获得高浓度(≥45g/L)的乙醇。

Description

一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种制备乙醇的方法。
背景技术
玉米秸秆(纤维素含量约为30-50％)是我国农业生产中的一种主要废弃物，2012年产量约为2.1亿吨；废弃烟叶是我国烟草工业中的一种主要废弃物。在卷烟生产中约20％的烤烟由于不符合质量要求而被废弃。这些废弃烟叶中不但含有约20％的可发酵单糖(葡萄糖和果糖)还含有约15％左右的纤维素。玉米秸秆和废弃烟叶的主要处理方法是焚烧，不仅浪费资源而且造成环境污染。近年来，利用含有纤维素的工农业废弃物生产燃料越来越受到研究者的关注。这是因为利用这些资源不但能够减轻环境污染，减少对石油等不可再生能源的依赖，与淀粉基乙醇相比还具有不与人征粮的优点。
然而应用木质纤维素材料规模化生产燃料乙醇尚有很多困难。一方面，木质纤维素基生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。其主要的应用途径是利用纤维素酶水解纤维素产生葡萄糖，葡萄糖发酵产生乙醇等燃料。由于半纤维素和木质素在结构上对纤维素的包裹和覆盖致使纤维素酶与纤维素直接接触面积较小，纤维素酶解的效率较低。为提高木质纤维素的酶解效率从而获得更高的燃料产量，木质纤维素在进行酶解之前必须经过适当的预处理。现有的预处理工艺包括物理法，化学法，物理化学法，生物法等多种方法。这些方法大多具有对仪器抗腐蚀性要求较高，添加酸碱等化学催化剂需进行回收及处理等问题。另一方面，纤维素基发酵液中获得的最终乙醇浓度较低，后期蒸馏获得产品乙醇的成本极高。据Eduardo Ximenes等人2010年在Enzyme and Microbial Technology发表的“Michael Ladisch.Inhibition ofcellulases by phenols”文章中报道乙醇浓度达到45g/L以上时才能实现蒸馏的经济性，这是单纯应用纤维素为原料产生乙醇所难以达到的。主要是因为木质纤维素材料即使经过预处理移除部分组分，纤维素的含量也仅为50～70％，且这些纤维素不能被完全水解产生葡萄糖；通过提高发酵体系的固液比也不能解决乙醇浓度较低的问题，这是因为木质纤维素材料吸水性较强，升高到一定比例后，水分被全部吸附在固相中，无自由水，体系粘度较大，搅拌困难，降低了发酵效率。
发明内容
本发明为解决上述问题，而选用无需添加化学催化剂，对仪器抗腐蚀性要求不高的水热预处理法作为预处理手段，移除玉米秸秆中的半纤维素，减小半纤维素对纤维素酶的阻碍并在玉米秸秆中富集纤维素；通过含有纤维素酶的缓冲液提取废弃烟叶中的可发酵单糖并水解废弃烟叶中的纤维素，固液分离后获得含糖滤液；最后以固液比(15:85，w/w)混合水热预处理后玉米秸秆和废弃烟叶提取液进行同步糖化共发酵获得高浓度(≥45g/L)的乙醇。
本发明的一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将玉米秸秆进行切断，然后进行粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；
二、将步骤一粉碎后的玉米秸秆在35℃温度下烘干12h；
三、将步骤二烘干后的玉米秸秆与水按质量体积比为1g：8～12mL的比例混合后，转移至水热反应釜内，将反应釜加温至200℃，维持20～30min，然后将反应釜浸入冰水混合物中结束水热反应；
四、对步骤三水热反应后的固液混合物，收集固相物作为同步糖化发酵原料备用；
五、将废弃烟叶切断，然后进行粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；
六、将步骤五粉碎后的废弃烟叶在35℃温度下烘干12h；
七、将步骤六烘干后的废弃烟叶与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液以固液比为1g:12～18mL的比例混合，得混液；添加纤维酶及β-葡萄糖苷酶，然后在温度为50℃，转速为150r/min的条件下提取24h；
八、对步骤七提取得到的提取液进行固液分离，收集液相作为同步糖化发酵的另一原料备用；
九、将步骤四中收集的固相物与步骤八中收集的液相以固液比为3g:15～20mL的比例混合后，进行同步糖化发酵获得乙醇。
本发明具有以下特点和优势:
本发明最大的优势是：通过水热预处理后玉米秸秆与含可发酵单糖的废弃烟叶水解液耦合经过同步糖化共发酵获得能够实现蒸馏经济性的高浓度(≥45g/L)乙醇。克服了现有技术中的难题，即单纯应用纤维素为原料产生高浓度(≥45g/L)乙醇难以达到的问题，本发明的技术方案产生了预料不到的技术效果。
1.本发明获得了实现蒸馏经济性的高浓度乙醇，大大降低了蒸馏的成本。
2.本发明能够同步将两种废弃物(玉米秸秆和废弃烟叶)资源化，提供了一条烟草工业废弃物--废弃烟叶的资源化途径。
3.废弃烟叶中含有较高含量的可发酵单糖及较低的木质素，无需预处理，直接利用含有纤维素酶的缓冲液提取既能提取出废弃烟叶中的可发酵单糖也能水解30％以上的纤维素，而且不经预处理则不产生抑制纤维素酶和发酵微生物的抑制物。
4.废弃烟叶的提取液中除含有可发酵的单糖外，还含有酵母菌发酵所必须的金属离子，自由氨基酸等营养物质，在同步糖化发酵中无需再添加这些物质。
本发明通过水热预处理后玉米秸秆(农业废弃物)与含可发酵单糖的废弃烟叶(烟草工业废弃物)提取液耦合经过同步糖化发酵获得能够实现蒸馏经济性的高浓度乙醇并实现两种废弃物的资源化。
附图说明
图1为以玉米秸秆和废弃烟叶为原料同步糖化共发酵制备乙醇的工艺流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将玉米秸秆进行切断，然后进行粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；
二、将步骤一粉碎后的玉米秸秆在35℃温度下烘干12h；
三、将步骤二烘干后的玉米秸秆与水按质量体积比为1g：8～12mL的比例混合后，转移至水热反应釜内，将反应釜加温至200℃，维持20～30min，然后将反应釜浸入冰水混合物中结束水热反应；
四、对步骤三水热反应后的固液混合物，收集固相物作为同步糖化发酵原料备用；
五、将废弃烟叶切断，然后进行粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；
六、将步骤五粉碎后的废弃烟叶在35℃温度下烘干12h；
七、将步骤六烘干后的废弃烟叶与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液以固液比为1g:12～18mL的比例混合，得混液；添加纤维酶及β-葡萄糖苷酶，然后在温度为50℃，转速为150r/min的条件下提取24h；
八、对步骤七提取得到的提取液进行固液分离，收集液相作为同步糖化发酵的另一原料备用；
九、将步骤四中收集的固相物与步骤八中收集的液相以固液比为3g:15～20mL的比例混合后，进行同步糖化发酵获得乙醇。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤三中的玉米秸秆与水按质量体积比为1:9的比例混合。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是:纤维酶的加入量为15FPU/g纤维素，β-葡萄糖苷酶的加入量为15CBU/g纤维素。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是:废弃烟叶与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1g:15mL。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤四中收集的固相物与步骤八中收集的液相以固液比为3g:17mL。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
下面通过以下实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
(1)将玉米秸秆研磨至0.250～0.425mm，按美国可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory,NREL)方法测定玉米秸秆成分如下(以干重计)：纤维素43.4％，半纤维素21.2％，木质素18.3％，抽提物13.5％。
(2)在35℃烘干上一步粉碎后的玉米秸秆12h。
(3)将上一步已烘干的玉米秸秆与水以固液比3g:27mL混合后转移至水热反应釜内，将反应釜加温至200℃，维持20min，然后立即将反应釜浸入冰水混合物中结束水热反应。
(4)分离水热反应预处理后固液混合物，将固相物经35℃烘干12h后作为同步糖化发酵原料。测定所得固体中纤维素含量从未处理的43.4％富集到60.2％。
(5)将废弃烟叶磨至0.250～0.425mm，按中华人民共和国烟草行业标准方法测定成分如下(以干重计)：葡萄糖9.4％，果糖12.1％，纤维素16.6％，半纤维素11.4％，木质素4.2％。
(6)在35℃条件下烘干上一步研磨后的废弃烟叶12h。
(7)将上一步已烘干的废弃烟叶与pH＝4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液以固液比1g:15mL混合，添加纤维素酶及β-葡萄糖苷酶酶解24h，酶用量为15FPU+15CBU/g纤维素。
(8)在酶解反应24h后，将废弃烟叶提取液经固液分离获得滤液，滤液用于同步糖化共发酵。测定烟叶提取液中可发酵糖及无机离子浓度见表1。
表1废弃烟叶提取液中可发酵糖及营养物质含量
(9)废弃烟叶提取液经灭菌后，与水热预处理后玉米秸秆以固液比15:85(w/w)混合，添加15FPU+15CUB/g纤维素的纤维素酶(Celluclast 1.5L)和β-葡萄糖苷酶(Novozym 188)以及干酵母(投加量：2g/L)，37℃，150rpm，发酵96h。
(10)经96h同步糖化发酵，获得乙醇浓度为48.16g/L。
实施例2：
(1)将玉米秸秆研磨至0.250-0.425mm，按美国可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory,NREL)方法测定玉米秸秆成分如下(以干重计)：纤维素43.4％，半纤维素21.2％，木质素18.3％，抽提物13.5％。
(2)35℃烘干玉米秸秆12h。
(3)已烘干的玉米秸秆与水以固液比3g:27mL混合后转移至水热反应釜内，将反应釜加温至200℃，维持30min，然后立即将反应釜浸入冰水混合物中结束水热反应。
(4)分离预处理后固液混合物，固相经35℃烘干12h后作为同步糖化发酵原料。测定所得固体中纤维素含量从未处理的43.4％富集到62.2％。
(5)将废弃烟叶磨至0.250-0.425mm，按中华人民共和国烟草行业标准方法测定成分如下(以干重计)：葡萄糖9.4％，果糖12.1％，纤维素16.6％，半纤维素11.4％，木质素4.2％。
(6)35℃烘干废弃烟叶12h。
(7)已烘干的废弃烟叶与pH＝4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液以固液比1:15混合，添加纤维素酶及β-葡萄糖苷酶酶解24h，酶用量为15FPU+15CBU/g纤维素。
(8)24h后，废弃烟叶提取液经固液分离获得滤液，滤液用于同步糖化共发酵。测定烟叶提取液中可发酵糖及无机离子浓度见表1。
表1废弃烟叶提取液中可发酵糖及营养物质含量
(9)废弃烟叶提取液经灭菌后，与水热预处理后玉米秸秆以固液比15:85混合，添加15FPU+15CUB/g纤维素的纤维素酶(Celluclast 1.5L)和β-葡萄糖苷酶(Novozym 188)以及干酵母(投加量：2g/L)，37℃，150rpm，发酵96h。
(10)经96h同步糖化发酵，获得乙醇浓度为50.3g/L。

Claims (5)

1.一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将玉米秸秆进行切断，然后进行粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；
二、将步骤一粉碎后的玉米秸秆在35℃温度下烘干12h；
三、将步骤二烘干后的玉米秸秆与水按质量体积比为1g：8～12mL的比例混合后，转移至水热反应釜内，将反应釜加温至200℃，维持20～30min，然后将反应釜浸入冰水混合物中结束水热反应；
四、对步骤三水热反应后的固液混合物，收集固相物作为同步糖化发酵原料备用；
五、将废弃烟叶切断，然后进行粉碎至颗粒度为0.250～0.425mm；
六、将步骤五粉碎后的废弃烟叶在35℃温度下烘干12h；
七、将步骤六烘干后的废弃烟叶与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液以固液比为1g:12～18mL的比例混合，得混液；添加纤维酶及β-葡萄糖苷酶，然后在温度为50℃，转速为150r/min的条件下提取24h；
八、对步骤七提取得到的提取液进行固液分离，收集液相作为同步糖化发酵的另一原料备用；
九、将步骤四中收集的固相物与步骤八中收集的液相以固液比为3g:15～20mL的比例混合后，进行同步糖化发酵获得乙醇。
2.根据权利要求1所述的一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤三中的玉米秸秆与水按质量体积比为1:9的比例混合。
3.根据权利要求1所述的一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，其特征在于纤维酶的加入量为15FPU/g纤维素，β-葡萄糖苷酶的加入量为15CBU/g纤维素。
4.根据权利要求1所述的一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，其特征在于废弃烟叶与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1g:15mL。
5.根据权利要求1所述的一种以玉米秸秆和废弃烟叶为原料共发酵制备乙醇的方法，其特征在于步骤四中收集的固相物与步骤八中收集的液相以固液比为3g:17mL。
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