CN105624205A - 一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其具体步骤为：(1)纤维素乙醇的生产：向乙醇发酵反应器中加入木质纤维素原料、乙醇生产菌种、纤维素酶，开始同步糖化与发酵生产乙醇；(2)间歇减压蒸馏分离乙醇；(3)纤维素酶的循环；(4)循环进行上述(2)和(3)的步骤。本发明的优点：与常规纤维素乙醇生产方法相比，本发明通过减压蒸馏保留了大部分纤维素酶酶活和乙醇生产菌种活性，显著加快了乙醇生产速率，有效降低了单位纤维素乙醇的用酶成本；而且乙醇产物的在位分离有效缓解了产物对纤维素酶和发酵微生物的抑制作用，大幅降低了纤维素乙醇的生产成本。

Description

一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法

技术领域

本发明涉及生物能源技术领域，具体地说，是一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法。

背景技术

现如今，能源问题是世界各国经济发展的一道瓶颈，随着传统化石燃料日渐枯竭、人口膨胀、环境恶化、全球变暖等问题凸显，寻找并开发新的可持续型再生清洁能源成为解决这一系列问题的突破口。

生物乙醇现已部分替代传统汽油，在美国、巴西以及一些欧洲国家已开始大规模使用，并将在未来几十年内成为最主要的可再生车用燃料。生物乙醇可与汽油以任意比例互溶，因提高汽油中氧含量而促进其充分燃烧，在现有发动机无需改动的条件下即可使用且无副作用，这些优势是其他燃料无法比拟的。但是，当前商业化生产的燃料乙醇属于第一代生物乙醇，即主要靠玉米、小麦等淀粉类原料发酵而成，产量远远不能满足经济社会发展的需求。根据2012年国务院“关于生物产业发展规划的通知”的要求，加大新一代生物液体燃料开发力度，应充分利用非粮淀粉类植物、农林工业废弃物等为主的非粮原料，这与我国“不与人争粮，不与粮争地”的基本能源发展战略要求是一致的。

木质纤维素原料，包括工农林业废弃物(如玉米秸秆、麦秆、稻草、玉米芯工业残渣、废纸、甘蔗渣、伐木产生的枝叶、木屑等)及可种植于边际土地的能源作物(如甜高粱、木薯、甜菜等)等，作为地球上最为丰富的可再生资源之一，蕴藏着巨大的可利用潜力。通过生物转化木质纤维素原料生产生物乙醇，不仅解决了原料不足的问题，且不与人和畜争粮，同时大大降低温室气体的排量，还为广阔的农村提升经济活力并提供就业岗位。然而由于现有纤维素乙醇原料预处理、低成本水解糖化关键技术瓶颈，致使以木质纤维素原料发酵所产的新一代生物乙醇价格竞争力还无法与同类化石能源产品相比。

在纤维素乙醇的生产过程中，纤维素酶的成本高是阻碍木质纤维素转化工艺商业化的重要原因，其约占糖化工段成本的50％。在现有的商品纤维素酶酶活水平下，循环利用纤维素酶是降低酶成本的有效手段之一。然而现有的有关纤维素酶的循环利用方法或发明专利大多是针对底物固体含量较低的酶解体系，同步糖化与发酵生产乙醇过程中，尤其是在高底物固体含量体系中，纤维素酶的循环则较少涉及。如专利《一种糠醛渣制备无水乙醇的方法》(公开号CN200810227978)采用同步糖化发酵与乙醇渗透汽化相耦合，进行乙醇的在位分离，底物固体含量仅有8％～12％，分离时发酵液中的乙醇浓度太低而导致分离的成本居高不下。专利《秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器》(公开号CN201320242635)采用陶瓷超滤膜分离乙醇产物，来实现纤维素酶的循环利用，但在同步糖化与发酵的过程中，细微的木质纤维素固体颗粒非常容易堵塞超滤膜的空隙，从而降低超滤膜的使用寿命。因此，目前缺乏切实可行的方法可以实现同步糖化与发酵生产乙醇过程中，尤其是高底物含量条件下纤维素酶的循环利用。

减压蒸馏(真空发酵)的原理是将罐内压力降低，保持一定真空度，使醪液在较低温度下处于沸腾状态，使乙醇不断被蒸出，从而在保留纤维素酶酶活的前提下，消除乙醇对酵母菌的产物抑制。尤其是当发酵醪中乙醇浓度较高时(4％，v/v)，乙醇的分离对于乙醇的生产具有重要意义。本发明在高木质纤维素底物浓度条件下，进行同步糖化与发酵生产纤维素乙醇，并通过间歇减压蒸馏的方式，在保留大部分纤维素酶酶活的前提下，实现乙醇产物的在位分离，从而实现高浓度纤维素乙醇生产过程中纤维素酶的循环利用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其具体步骤为：

(1)纤维素乙醇的生产：向乙醇发酵反应器中加入木质纤维素原料、纤维素酶、乙醇生产菌种，开始同步糖化与发酵生产乙醇；

所述的木质纤维素原料为经过预处理或未经预处理的玉米秸秆、玉米芯、玉米芯残渣、脱木质素的玉米芯残渣、木糖渣、糠醛渣、小麦秆、大麦秆、稻草、麸皮、稻壳、高粱杆、油菜秆、柳枝稷、芦苇、废纸、木屑、麻风树籽壳等富含纤维素和半纤维素原料中的一种或几种酶的混合物；

所述的纤维素酶包括纤维素外切酶、纤维素内切酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、木糖苷酶、木质素降解酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种酶的混合物；

所述的乙醇生产菌种为酿酒酵母、克鲁维酵母和运动发酵单孢菌等天然乙醇生产菌种或经过基因工程改造过的乙醇发酵微生物；

所述的同步糖化与发酵初始固含量为5～40％(w/w)，纤维素酶初始酶用量3～60FPU/gDM，同步糖化与发酵温度为30～60℃，pH值为3.0～7.0；

(2)间歇减压蒸馏分离乙醇：待反应器发酵醪中乙醇积累到一定浓度后，在特定条件下通过减压蒸馏将乙醇进行在位分离；

步骤(2)中，通过在位减压蒸馏的方法从发酵醪中分离乙醇，进行减压蒸馏的时刻点为批次同步糖化与发酵过程进行到第6～120小时，或者发酵醪中乙醇浓度达到20～100g/L；

如图1所示同步糖化与发酵过程纤维素酶循环利用装置示意图，首先在生物反应器中适度加热木质纤维素原料发酵生成的乙醇发酵醪，通过循环水真空泵将整个体系抽真空，生物反应器中发酵醪沸腾，产生的乙醇蒸汽在蛇形冷凝管中被冷凝收集至收集瓶中。减压蒸馏条件为：温度30℃～80℃，压力-0.1～-0.085MPa，持续时间1～120分钟，冷凝液温度-50℃～15℃；

(3)纤维素酶的循环：减压蒸馏结束后，将温度调回至同步糖化与发酵温度并迅速将减压蒸馏的抽气口密封，然后从生物反应器进料口补加新鲜的木质纤维素原料；还可以通过采取通气、补加乙醇生产菌种、补加部分纤维素酶、调整pH值、增加预酶解工段等措施中的一种或几种的组合来重新开启新一轮的纤维素乙醇生成过程；

(4)循环进行上述(2)和(3)的步骤；纤维素酶的循环次数可以达到1～50次。

一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法所使用的装置，主要包含同步糖化与发酵反应器，螺带搅拌桨，电机，蛇形冷凝管，乙醇收集瓶，循环水真空泵；其特征在于，电机固定在同步糖化与发酵生物反应器，螺带搅拌桨固定在电机的下端；同步糖化与发酵生物反应器通过管路与蛇形冷凝管相连，蛇形冷凝管的下端连接乙醇收集瓶，同时蛇形冷凝管通过管路与循环水真空泵相连；

所述的同步糖化与发酵生物反应器设有物料进口；

所述的同步糖化与发酵生物反应器分别设置pH电极和温度电极，用来控制pH和温度值；所述的同步糖化与发酵生物反应器设有压力表；

所述的蛇形冷凝管的上端设置冷凝液出口；下端设有冷凝液入口。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：与常规纤维素乙醇生产方法相比，本发明通过减压蒸馏保留了大部分纤维素酶酶活和乙醇生产菌种活性，有效降低了单位纤维素乙醇的用酶成本；而且乙醇产物的在位分离有效缓解了产物对纤维素酶和发酵微生物的抑制作用，显著加快了乙醇生产速率，大幅降低了纤维素乙醇的生产成本。

【附图说明】

图1.同步糖化与发酵过程纤维素酶循环利用装置示意图；

图2.玉米芯工业残渣同步糖化与发酵过程中纤维素酶的循环利用；

图3.脱木质素玉米芯工业残渣乙醇生产过程中纤维素酶的循环利用；

图4.预处理玉米秸秆同步糖化与发酵过程中纤维素酶的循环利用；

附图1中的标记为：1同步糖化与发酵生物反应器，2螺带搅拌桨，3pH电极，4温度电极，5物料进料口，6电机，7压力表，8蛇形冷凝管，9乙醇收集瓶，10循环水真空泵，11冷凝液入口，12冷凝液出口。

【具体实施方式】

以下提供本发明“一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法”的具体实施方式。

实施例1

在30％固体含量、15FPU/gDM初始酶用量的玉米芯工业残渣同步糖化与发酵生产乙醇的过程中(见图2)，发酵至第48小时和第96小时时，通过间歇减压蒸馏(压力-0.093MPa，温度45℃，时间30分钟)的方式在位分离乙醇，然后补加新鲜玉米芯工业残渣及营养盐，循环利用纤维素酶进行同步糖化与发酵生产乙醇，发酵周期达到144小时，发酵结束时纤维素酶的用量相当于10FPU/gDM，乙醇得率可达83.7％，比相同酶用量条件批次同步糖化与发酵过程的乙醇得率高19.7％。

实施例2

在10％初始固体含量、20FPU/gDM初始酶用量的脱木质素玉米芯工业残渣同步糖化与发酵生产乙醇的过程中(见图3)，发酵至第36、72、108、156小时时，通过间歇减压蒸馏(压力-0.097MPa，温度42℃，时间30分钟)的方式在位分离乙醇，然后添加新鲜脱木质素玉米芯工业残渣(按10％固含量重新补入)并通气1小时，其中第108小时补加少量β-葡糖苷酶，循环利用纤维素酶进行同步糖化与发酵生产乙醇，发酵周期达到240小时，发酵结束时纤维素酶的用量相当于4FPU/gDM，乙醇得率可达72.7％，比相同酶用量条件批次发酵过程的乙醇得率高29.5％。

实施例3

在20％初始固体含量、20FPU/gDM初始酶用量的预处理玉米秸秆同步糖化与发酵生产乙醇的过程中(见图4)，发酵至第48、108小时时，通过间歇减压蒸馏(压力-0.090MPa，温度50℃，时间40分钟)的方式在位分离乙醇，然后添加新鲜的预处理玉米秸秆(按20％固含量重新补入)，进行12小时的预酶解，通气并补入新鲜种子液，循环利用纤维素酶进行下一轮同步糖化与发酵生产乙醇，发酵周期达到204小时，发酵结束时纤维素酶的用量相当于6.7FPU/gDM，乙醇得率可达68.9％，比相同酶用量条件批次发酵过程的乙醇得率高18.3％。

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，在不脱离本发明构思的前提下，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内。

Claims (10)

1.一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)纤维素乙醇的生产：向乙醇发酵反应器中加入木质纤维素原料、纤维素酶、乙醇生产菌种，开始同步糖化与发酵生产乙醇；

(2)间歇减压蒸馏分离乙醇：待反应器发酵醪中乙醇积累到一定浓度后，在特定条件下通过减压蒸馏将乙醇进行在位分离；

(3)纤维素酶的循环：减压蒸馏结束后，补加新鲜木质纤维素原料，并采取通气或/和补加乙醇生产菌种或/和补加部分纤维素酶或/和调整pH值或/和增加预酶解等措施，继续同步糖化与发酵过程；

(4)循环进行上述(2)和(3)的步骤，纤维素酶的循环次数可以达到1～50次。

2.如权利要求1所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的木质纤维素原料为经过预处理或未经预处理的玉米秸秆、玉米芯、玉米芯残渣、脱木质素的玉米芯残渣、木糖渣、糠醛渣、小麦秆、大麦秆、稻草、麸皮、稻壳、高粱杆、油菜秆、柳枝稷、芦苇、废纸、木屑、麻风树籽壳等富含纤维素和半纤维素原料中的一种或几种酶的混合物；所述的纤维素酶包括纤维素外切酶、纤维素内切酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、木糖苷酶、木质素降解酶、酯酶或者果胶酶中的一种或几种酶的混合物。

3.如权利要求1所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的乙醇生产菌种为酿酒酵母、克鲁维酵母和运动发酵单孢菌等天然乙醇生产菌种或经过基因工程改造过的乙醇发酵微生物。

4.如权利要求1所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，在所述的步骤(1)中，所述的同步糖化与发酵初始固含量为5～40％(w/w)，纤维素酶初始酶用量3～60FPU/gDM，同步糖化与发酵温度为30～60℃，pH值为3.0～7.0。

5.如权利要求1所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，通过在位减压蒸馏的方法从发酵醪中分离乙醇，进行减压蒸馏的时刻点为批次同步糖化与发酵过程进行到第6～120小时，或者发酵醪中乙醇浓度达到20～100g/L。

6.如权利要求1所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，减压蒸馏条件为：温度30℃～80℃，压力-0.1～-0.085MPa，持续时间1～120分钟，冷凝液温度-50℃～15℃。

7.如权利要求1所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，该方法所用的装置主要包含同步糖化与发酵反应器，螺带搅拌桨，电机，蛇形冷凝管，乙醇收集瓶，循环水真空泵；其特征在于，电机固定在同步糖化与发酵生物反应器，螺带搅拌桨固定在搅拌轴上；同步糖化与发酵生物反应器通过管路与蛇形冷凝管相连，蛇形冷凝管的下端连接乙醇收集瓶，同时蛇形冷凝管通过管路与循环水真空泵相连。

8.如权利要求7所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，所述的同步糖化与发酵生物反应器设有物料进口并安装有压力表。

9.如权利要求7所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，所述的同步糖化与发酵生物反应器分别设置pH电极和温度电极，用来控制pH和温度值。

10.如权利要求7所述的一种纤维素乙醇生产中纤维素酶的循环利用方法，其特征在于，所述的蛇形冷凝管的上端设置冷凝液出口；下端设有冷凝液入口。