CN104745643B - 一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，是采用蒸汽爆破的方法在高温高压蒸汽的作用下处理纤维原料，通过骤然降压的过程实现原料的组分分离。使物料中的纤维素、半纤维素和木质素降解而溶出，使纤维素易于被酶解转化为糖，然后选用东方伊萨酵母菌种进行纤维素乙醇的发酵。该预处理方法可应用于农业废弃物如甘蔗渣、麦草、稻草、玉米秸秆、玉米芯等各种农业废弃物，可显著提高纤维素的酶解率。利用烟草废弃物为原料发酵制备乙醇，不仅操作工艺简单，生产成本低，而且可以将农业废弃物变废为宝，减少环境污染，实现农业剩余资源的合理开发利用。
Description
技术领域
本发明属于农业生物质能源技术领域，具体涉及一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法。
背景技术
烟草是我国重要的经济作物之一，具有特殊的经济价值。我国烟草的种植面积和产量均居世界首位，烟草的种植与加工在国民经济中发挥着重要的作用。然而我国每年在完成烟叶采收之后，都会产生大量的低次烟叶、烟秆、烟花和烟根等废弃物，这些废弃物或被丢弃于田间或被晒干焚烧，不仅对环境造成了严重污染，而且也是对农业剩余资源的浪费。近年来，国内对烟草废弃物的综合利用主要是对烟叶中烟碱、茄尼醇、果胶、氨基酸、有机酸等成分的分析提取研究。我国烟秆年产量约为150万吨，合理利用烟秆，变废为宝，不仅可以增加烟农收入，同时可以减轻环境污染，有助于烟叶生产的可持续发展。
随着能源危机和环境污染等问题日益严重，纤维素乙醇作为一种清洁可再生的生物能源受到了世界各国的广泛重视。木质纤维素作为生产纤维素乙醇的原料，是自然界广泛存在并且十分廉价的可再生资源，具有容易运输和贮藏的特点。利用木质纤维素生产燃料乙醇不仅可以缓解能源危机，保护生态环境，同时还可以实现农林资源的合理利用。因此，以木质纤维素为原料生产燃料乙醇逐渐成为生物质转化技术领域研究的热点，成为未来燃料能源发展的必然方向。目前，高效的预处理技术以提高原料的转化率和选育耐高温和耐抑制物质的优良菌株是国内纤维素乙醇研究的主要方向。因此，本发明以废弃烟秆为原料，利用耐高温、耐烟碱微生物菌株发酵生产燃料乙醇，为烟秆等废弃物资源化利用提供了新的思路和途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作工艺简单、生产成本低、发酵效率高的利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
①原料的预处理：将粉碎过的烟秆进行蒸汽爆破预处理；
②物料的酶解糖化：向蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，混合，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆与加入水的固液比为1 kg∶5~10 L；将固液混合物的pH值调节为4.5~4.8，然后加入纤维素酶和木聚糖酶，在45~48℃下酶解36~48h，过滤，得酶解液；其中纤维素酶的添加量为15~50 FPU/g烟秆，木聚糖酶的添加量为200~500 U/g 烟秆；
③菌种活化：从保藏培养基上挑取东方伊萨酵母菌种，并接种到活化培养基中活化培养；
④种子液制备：将步骤③活化培养后的菌种接种到液体培养基中，制备种子液；
⑤向步骤②所得酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，115~121℃灭菌15~30 min，冷却至室温后将步骤④所得种子液接种到灭菌酶解液中；其中，酶解液中酵母膏、蛋白胨的浓度分别为2~10 g/L 、3~10 g/L，种子液的接种体积与酶解液的体积比为1∶5~10；
⑥发酵：将⑤所得酶解液在38℃下静置发酵36~96h。
优选的，步骤①中所述蒸汽爆破的方法为：爆破压力为1.5~2.5 MP，保压时间为1-5 min，然后瞬间释放压力至常压。
优选的，步骤③中所述菌种活化培养过程中，活化培养基为斜面培养基，35~38℃培养24~48 h。
优选的，步骤④中所述种子液制备过程中，液体培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L；35~38℃，180 r/min摇床培养10 ~18h。
优选的，所述斜面培养基的配方为葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L，琼脂15~20 g/L。
本发明产生的有益效果是，是采用蒸汽爆破的方法在高温高压蒸汽的作用下处理纤维原料，通过骤然降压的过程实现原料的组分分离。使物料中的纤维素、半纤维素和木质素降解而溶出，使纤维素易于被酶解转化为糖，然后选用东方伊萨酵母菌种进行纤维素乙醇的发酵。该预处理方法可应用于农业废弃物如甘蔗渣、麦草、稻草、玉米秸秆、玉米芯等各种农业废弃物，可显著提高纤维素的酶解率。利用烟草废弃物为原料发酵制备乙醇，不仅操作工艺简单，生产成本低，而且可以将农业废弃物变废为宝，减少环境污染，实现农业剩余资源的合理开发利用。
附图说明
图1为实施例1中不同的预处理方式下烟秆原料发酵乙醇的产量结果；
图2为实施例1中不同的预处理方式下烟秆原料液中还原糖浓度变化结果。
具体实施方式
以下实施例中所用的东方伊萨酵母菌种均为HN-1 菌株（“耐高温东方伊萨酵母乙醇发酵特性”，农业工程学报，2014年2月，第30卷第3期），由河南农业大学微生物能源工程研究室赠送。
实施例1
一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
① 原料的预处理：将烟秆粉碎至10目，然后将粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理，爆破压力为2.0 MP，保压时间为2.5min，然后瞬间释放压力至常压；
②物料的酶解糖化：向蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，混合，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆与加入水的固液比为1∶8（kg/L）；用10 mol/L氢氧化钠调节固液混合物的pH值为4.8，然后加入纤维素酶和木聚糖酶，在48℃下，120 r/min摇床振荡酶解48h，过滤，得酶解液；其中纤维素酶的添加量为15FPU/g烟秆、木聚糖酶的添加量为200 U/g 烟秆；
③菌种活化：从保藏培养基上挑取东方伊萨酵母菌种，并接种到斜面培养基，38℃活化培养48 h，所述斜面培养基的配方为葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L，琼脂20 g/L；
④种子液制备：将步骤③活化培养后的菌种接种到液体培养基中，液体培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L；液体培养基50mL置于250 mL三角瓶中，38℃，180 r/min摇床培养10 h，制备得种子液；
⑤向步骤②所得酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，121℃灭菌15 min，冷却后将步骤④所得种子液接种到灭菌酶解液中；其中，酶解液中酵母膏、蛋白胨的浓度分别为3 g/L 、5g/L，种子液的接种体积与酶解液的体积比为1∶10；
⑥发酵：将步骤⑤所得酶解液在38℃下静置发酵96h。
待发酵完成后，使用气相色谱仪（安捷伦7890A GC）每12 h 取样进行乙醇产量和酶解液中的还原糖含量的测定，测定结果如图1和2所示。
对比试验1：
将烟秆粉碎到10目，称取粉碎后的烟秆15 g置于300 mL三角瓶中，添加120 mL蒸馏水，搅拌均匀并于121℃灭菌20 min。冷却至室温后用10 mol/L的氢氧化钠调节pH 值为4.8，按15 FPU/g烟秆添加纤维素酶、200 U/g烟秆添加木聚糖酶，于48℃，120 r/min摇床振荡糖化48 h。结束糖化后用布氏漏斗过滤，除去未糖化的烟秆残渣，得到酶解液。酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，然后将酶解液于121℃灭菌15 min，其中酶解液中酵母膏3 g/L、蛋白胨5 g/L，冷却至室温后按10%的接种量接入活化好的东方伊萨酵母菌株种子液，控制最终装液量为240 mL，38℃静置发酵96 h。每12 h 取样测定乙醇产量和酶解液中的还原糖含量，测定结果如图1和2所示。
对比实验2
将烟秆粉碎到10目，称取粉碎后的烟秆15 g置于300mL三角瓶中，添加120mL 1%（质量浓度）的稀硫酸，搅拌均匀并于121℃灭菌60 min。冷却至室温后用10 mol/L的氢氧化钠调节pH 值为4.8，按15 FPU/g烟秆添加纤维素酶、200 U/g烟秆添加木聚糖酶，于48℃，120 r/min摇床振荡糖化48 h。结束糖化后用布氏漏斗过滤，除去未糖化的烟秆残渣，得到酶解液。酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，然后将酶解液于121℃灭菌15 min，其中酶解液中酵母膏3 g/L、蛋白胨5 g/L，冷却至室温后按10%的接种量接入活化好的东方伊萨酵母菌株种子液，控制最终装液量为240 mL，38℃静置发酵96 h。每12 h 取样测定乙醇产量和酶解液中的还原糖含量，测定结果如图1和2所示。
结果分析：
从图1－2可以看出，在对粉碎的烟秆原料无预处理（对比实验1）及稀酸预处理（对比实验2）、爆破预处理（实施例1）条件下烟秆水解液的总还原糖浓度分别为2.83g/L、15.43g/L、22.63g/L，东方伊萨酵母利用爆破烟秆水解液进行乙醇发酵产量最高为6.22g/L，分别比未预处理和稀酸预处理烟秆水解液的乙醇产量增加了5.7倍和0.7倍。并且实施例1中葡萄糖利用速率和乙醇产生速率明显高于对比实验1和2。进一步表明，蒸汽爆破预处理可以明显提高烟秆纤维素的酶解率，从而增加底物的还原糖浓度，并在此基础上选用东方伊萨酵母进行乙醇发酵，乙醇产量明显高于其他的预处理条件。
实施例2
一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
①原料的预处理：将烟秆粉碎至50目，然后将粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理，爆破压力为2.5MP，保压时间为1min，然后瞬间释放压力至常压；
②物料的酶解糖化：向蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，混合，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆与加入水的固液比为1∶5（kg/L）；用10 mol/L氢氧化钠调节固液混合物的pH值为4.5，然后加入纤维素酶和木聚糖酶，在45℃下，120 r/min摇床振荡酶解36h，过滤，得酶解液，其中，纤维素酶的添加量为50 FPU/g烟秆、木聚糖酶的添加量为500 U/g烟秆；
③菌种活化：从保藏培养基上挑取东方伊萨酵母菌种，并接种到斜面培养基，35℃活化培养48 h，所述斜面培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L，琼脂15 g/L；
④种子液制备：将步骤③活化培养后的菌种接种到液体培养基中，液体培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L；液体培养基50mL置于250 mL三角瓶中，35℃，150 r/min摇床培养18 h，制备得种子液；
⑤向步骤②所得酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，115℃灭菌30 min，冷却后将步骤④所得种子液接种到灭菌酶解液中；其中，酶解液中酵母膏、蛋白胨的浓度分别为2 g/L 、10 g/L，种子液的接种体积与酶解液的体积比为1∶5；
⑥发酵：将步骤⑤所得酶解液在38℃下下静置发酵36h。
经酶解糖化后总还原糖的浓度可达到38.45 g /L，发酵48 h后乙醇的浓度为10.18 g/L。
实施例3
一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
①原料的预处理：将烟秆粉碎至100目，然后将粉碎后的烟秆进行蒸汽爆破预处理，爆破压力为1.5 MP，保压时间为5min，然后瞬间释放压力至常压；
②物料的酶解糖化：向蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，混合，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆与加入水的固液比为1∶10（kg/L）；用10 mol/L氢氧化钠调节固液混合物的pH值为4.5，然后加入纤维素酶和木聚糖酶，在45℃下，120 r/min摇床振荡酶解48h，过滤，得酶解液；其中，纤维素酶的添加量为30 FPU/g烟秆，木聚糖酶的添加量为350 U/g 烟秆；
③菌种活化：从保藏培养基上挑取东方伊萨酵母菌种，并接种到斜面培养基，36℃活化培养36 h，所述斜面培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L，琼脂18 g/L；
④种子液制备：将步骤③活化培养后的菌种接种到液体培养基中，液体培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L；液体培养基50mL置于250 mL三角瓶中，36℃，160 r/min摇床培养14 h，制备得种子液；
⑤向步骤②所得酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，121℃灭菌20 min，冷却后将步骤④所得种子液接种到灭菌酶解液中；其中，酶解液中酵母膏、蛋白胨的浓度分别为10g/L 、3g/L，种子液的接种体积与酶解液的体积比为1∶8；
⑥发酵：将步骤⑤所得酶解液在38℃下静置发酵72h。
经酶解糖化后总还原糖的浓度为50.69 g/L，发酵48 h后乙醇的浓度为15.74 g/L。
Claims (5)
1.一种利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
①原料的预处理：将粉碎过的烟秆进行蒸汽爆破预处理；
②物料的酶解糖化：向蒸汽爆破预处理后的烟秆中加入水，混合，搅拌成均匀的固液混合物，烟秆与加入水的固液比为1 kg∶5~10 L；将固液混合物的pH值调节为4.5~4.8，然后加入纤维素酶和木聚糖酶，在45~48℃下酶解36~48h，过滤，得酶解液；其中纤维素酶的添加量为15~50 FPU/g烟秆，木聚糖酶的添加量为200~500 U/g 烟秆；
③菌种活化：从保藏培养基上挑取东方伊萨酵母菌，所用菌株为东方伊萨酵母菌HN-1菌株，并接种到活化培养基中活化培养；
④种子液制备：将步骤③活化培养后的菌种接种到液体培养基中，制备种子液；
⑤向步骤②所得酶解液中加入酵母膏和蛋白胨，115~121℃灭菌15~30 min，冷却至室温后将步骤④所得种子液接种到灭菌酶解液中；其中，酶解液中酵母膏、蛋白胨的浓度分别为2~10g/L 、3~10g/L，种子液的接种体积与酶解液的体积比为1∶5~10；
⑥发酵：将⑤所得酶解液在38℃下静置发酵36~96h。
2.如权利要求1所述的利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，其特征在于，步骤①中所述蒸汽爆破的方法为：爆破压力为1.5~2.5 MP，保压时间为1-5 min，然后瞬间释放压力至常压。
3.如权利要求1所述的利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，其特征在于，步骤③中所述菌株活化培养过程中，活化培养基为斜面培养基，35~38℃培养24~48 h。
4.如权利要求1所述的利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，其特征在于，步骤④中所述种子液制备过程中，液体培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L；35~38℃，180 r/min摇床培养10 ~18h。
5.如权利要求3所述的利用烟秆原料发酵生产乙醇的方法，其特征在于，所述斜面培养基的配方为：葡萄糖20 g/L，酵母浸粉10 g/L，蛋白胨20 g/L，琼脂15~20 g/L。
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