CN105624208A - 一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法 - Google Patents

一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，包括：（1）对木质纤维素原料进行预处理，获得预处理原料；（2）将预处理原料、纤维素酶、水和甘油加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系干物质浓度为15wt%-25wt%；（3）酶解后料液打入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵；（4）发酵液打入到精馏装置分离乙醇。本发明在酶解体系中加入甘油，提高了纤维素酶的耐受高温的能力，在高温条件下酶解纤维素酶的活性高，降低了纤维素酶的使用量，提高了木质纤维素的酶解效率，提高了经济性。

Description

一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法
技术领域
本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法。
背景技术
随着世界人口增长和各国工业化程度提高，能源消耗持续上升。石油是满足能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，科学家预测到2050年原油产量将由2009年的258亿桶（35.25亿吨）下降到50亿桶。生物能源作为一种可再生的交通运输燃料，能够有效的降低室温效应，减缓环境污染，同时改变现有不平等的石油供求关系，保持持续供应，比矿质燃料具有明显优势。与生物柴油等其它生物能源相比，燃料乙醇的生产已经具有了相当规模（2002年全球大约1700万吨），主要以含糖物质为原料通过发酵法生产。在汽油中掺入10%的无水乙醇(E10)不仅可以缓解能源压力，还能提高辛烷值，改善尾气排放质量。在美国和巴西，燃料乙醇作为石油替代品已经广泛用作交通燃料。
我国政府十分重视能源多元化和环境污染问题，采取财政补贴和税收减免等鼓励措施，大力推进多元化替代石油能源的技术和产业开发。《可再生能源法》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的出台，极大地推进了生物柴油和燃料乙醇等生物液体燃料的开发进程。我国规划到2020年，生物燃料消费量占到全部交通燃料的15%左右，建立起具有国际竞争力的生物燃料产业，这给我国燃料乙醇产业带来了良好的发展机遇。目前我国乙醇汽油已经覆盖全国9个省市，现有燃料乙醇产能152万吨，2010年实际生产燃料乙醇180万吨以上，以玉米和小麦为主要原料。我国人多地少，耕地资源紧缺，粮食供应紧张，以玉米、小麦为原料生产燃料乙醇将威胁到国家的粮食安全，导致农产品价格上涨等连锁反应，所以我国严格控制以粮食为原料的燃料乙醇新建和扩能项目。
相对于糖类和淀粉作物而言，木质纤维素属于非粮原料，而且资源丰富。它可以来源于农业废弃物，如麦草、玉米秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；林业废弃物；城市废弃物，如废纸、包装纸等。据估计木质纤维素原料占世界生物量100亿-500亿吨的50%，我国就农作物秸秆每年产量即可达7亿吨，大量被废弃而未加利用的纤维物（小枝、树皮、树叶、屑和废纸等）约有五亿吨/每年，只用其中的1亿吨也要年产2000万吨的燃料乙醇。由此可见，开发木质纤维素生产乙醇的新工艺具有很好的前景。
纤维素酶水解过程中纤维素酶的成本、乙醇蒸馏过程的能耗，以及酶解工艺的连续性一直是纤维乙醇工业化的制约因素。中国专利CN200910098877.8公开了一种纤维素酶产生菌及其制备和应用，该菌株具有耐高温的能力，其分泌的纤维素酶具有耐高温的特点。中国专利CN201110025776.5公开了一种高温酸性纤维素酶EgG5及其基因和应用，该发明的纤维素酶具有以下性质：最适pH3.5～5.0，最适温度70℃，比活为60.3U/mg；良好的稳定性，在极端酸性范围内依然保持较高酶活。CN200810189465.0公开了一种纤维素乙醇的生产方法，其中包括如下步骤：（1）将含有纤维素和/或半纤维素原料的培养基加入到发酵反应釜中；（2）向发酵反应釜中加入纤维素酶，并接种葡萄牙假丝酵母；（3）在纤维素酶和葡萄牙假丝酵母的共同作用下进行同步糖化发酵，分离得到纤维素乙醇。
传统的纤维素酶工艺采用的纤维素酶较优化的酶解温度为45-50℃，研究表明更高的温度酶解可以提高酶解效率，减少纤维素酶的使用量，现有耐高温纤维素酶可以用于高温酶解发酵制乙醇，但还不成熟，远未到工业化的程度。开发一种能够使常规市售纤维素酶提高酶解温度的方法对纤维素乙醇工业的发展具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法。本发明方法可以提高酶的活性和利用率，增加发酵产物得率，可降低了酶解和发酵成本。
本发明木质纤维素高温酶解与发酵产乙醇方法，包括如下内容：
（1）对木质纤维素原料进行预处理，获得预处理原料；
（2）将预处理原料、纤维素酶、水和甘油加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系的干物质浓度为15wt%-25wt%，预酶解温度控制在54-62℃，酶解料液的停留时间为8-48h；预酶解的pH为4.5-5.5；
（3）预酶解后料液打入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵，发酵温度控制在36-42℃；
（4）发酵液打入到精馏装置分离乙醇。
步骤（1）中的木质纤维素原料优选为玉米秸秆；所述预处理方式优选采用稀酸蒸汽爆破组合预处理。
步骤（2）中加入的甘油加入量为0.02-0.20g/L。
步骤（2）中，控制酶解料液的停留时间优选为12-24h；预酶解的pH优选为4.8-5.2；温度优选为56-60℃。
步骤（2）中，所述的纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为5-25IU/g纤维素。
步骤（3）中的同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇的同时继续被水解的过程。
步骤（3）中，所述的耐温酿酒酵母优选使用可耐受36-42℃的耐温酿酒酵母，耐温乙醇发酵菌种子液的接种量为1v%-5v%，酶解后直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为36-42℃，发酵时间为12-96h。
步骤（3）中，同步糖化发酵体系中加入氮源，氮源选自酵母膏、蛋白胨、玉米浆、硫酸铵或尿素中的一种或几种，氮源加入量为同步糖化发酵体系总质量的0.02wt%-0.2wt%。
步骤（3）中，同步糖化发酵体系中加入的氮源优选尿素。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、在酶解体系中加入甘油，提高纤维素酶的耐受高温的能力，提高酶解的温度，有利于提高纤维素酶的活性，降低纤维素酶的使用量，提高木质纤维素的酶解效率，提高经济性。
2、采用耐高温酵母菌对经过高温预酶解后残余的纤维素进行同步糖化发酵，可以降低葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制，进一步提高纤维素的酶解效率，降低酶成本。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
其中，1-酶解罐，2同步糖化发酵罐，3-产品分离单元。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明方法作进一步说明。本发明中，wt%为质量分数，v%为体积分数。
实施例1
本发明实施例使用的木质纤维素原料为玉米干秸秆，其中纤维素38.2wt%，半纤维素22.1wt%，木质素20.2wt%，灰分3.9wt%，用粉碎机粉碎至颗粒大小为1-5mm。采用稀酸蒸汽爆破进行预处理，反应温度为190℃，反应时间5min，固液比为1:2，稀硫酸浓度为2.0wt%。从蒸汽爆破装置出来后用NaOH调节pH为5.0，其中干物质浓度为32wt%，干物质中纤维素含量为40wt%，预处理干物质回收率为96wt%。
酵母种子液培养基为2wt%葡萄糖，2wt%蛋白胨和1wt%酵母膏，115℃灭菌30min备用。酵母种子液的制备共分3级培养：第一级利用接种环从斜面刮取1-2环菌泥，接入到置于100mL三角瓶中的25mL种子培养基中，37℃，100r/m，振荡培养24h；第二级培养把第一级培养液全部接种到1L发酵罐中的500mL种子培养基中，37℃，100r/m，培养24h；第三级培养把第二级培养液全部接种到50L发酵罐中的25L种子培养基中，37℃，100r/min，培养24h。
按图1所示的流程，采用立式酶解罐的有效容积为240L，同步糖化发酵罐的有效容积为240L。将预处理好的玉米秸秆、纤维素酶（购自诺维信生物技术有限公司，型号为Ctec2，滤纸酶活135IU/g）和水按比例连续加入到酶解罐中进行预酶解，其中预处理玉米秸秆的加入量为150kg，纤维素酶加入量1.056kg加入后相当于8.1IU/g纤维素），甘油加入量0.03kg，自来水加入量88.914kg，酶解体系中干物质浓度为20wt%，酶解罐中温度为58℃，pH5.0，搅拌速率50r/min，预酶解时间为24h。然后从酶解罐泵入到同步糖化发酵罐中，同时接入耐温酵母种子液24L。氮源采用尿素，加入量0.24kg。同步糖化发酵罐中温度为37℃，搅拌速率为100r/min，同步糖化发酵时间为96h。
通过液相色谱检测，最终发酵液中的乙醇浓度为4.54wt%。经过计算葡萄糖得率为88%，乙醇得率为92%。
比较例1
处理流程和工艺条件与实施例1相同，不同之处在于：酶解罐中不加入甘油，预酶解温度为50℃。
通过液相色谱检测，最终发酵液中的乙醇浓度为4.14wt%。经过计算葡萄糖得率为81%，乙醇得率为91%。
比较例2
处理流程和工艺条件与实施例1相同，不同之处在于：酶解罐中不加入甘油，预酶解温度为58℃。
通过液相色谱检测，最终发酵液中的乙醇浓度为3.52wt%。经过计算葡萄糖得率为69%，乙醇得率为91%。
实施例2
本发明木质纤维素高温酶解与发酵产乙醇方法，包括如下内容：
（1）对木质纤维素原料玉米秸秆进行稀酸蒸汽爆破组合预处理，获得预处理原料；
（2）将预处理原料、纤维素酶、水和甘油加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系的干物质浓度为15wt%，预酶解温度控制在54℃，酶解料液的停留时间为8h；预酶解的pH为4.5；甘油加入量为0.02g/L；纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为5IU/g纤维素。
（3）预酶解后料液打入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵，同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇的同时继续被水解的过程；所述的耐温酿酒酵母使用可耐受36℃的耐温酿酒酵母，耐温乙醇发酵菌种子液的接种量为1v%，酶解后直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为36℃，发酵时间为96h；同步糖化发酵体系中加入氮源，氮源选自酵母膏，氮源加入量为同步糖化发酵体系总质量的0.02wt%。
（4）发酵液打入到精馏装置分离乙醇。
实施例3
本发明木质纤维素高温酶解与发酵产乙醇方法，包括如下内容：
（1）对木质纤维素原料玉米秸秆进行稀酸蒸汽爆破组合预处理，获得预处理原料；
（2）将预处理原料、纤维素酶、水和甘油加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系的干物质浓度为25wt%，预酶解温度控制在62℃，酶解料液的停留时间为48h；预酶解的pH为5.5；甘油加入量为0.20g/L；纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为25IU/g纤维素。
（3）预酶解后料液打入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵，同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇的同时继续被水解的过程；所述的耐温酿酒酵母使用可耐受42℃的耐温酿酒酵母，耐温乙醇发酵菌种子液的接种量为5v%，酶解后直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为42℃，发酵时间为12h；同步糖化发酵体系中加入氮源，氮源选自尿素，氮源加入量为同步糖化发酵体系总质量的0.2wt%。
（4）发酵液打入到精馏装置分离乙醇。
实施例4
本发明木质纤维素高温酶解与发酵产乙醇方法，包括如下内容：
（1）对木质纤维素原料玉米秸秆进行稀酸蒸汽爆破组合预处理，获得预处理原料；
（2）将预处理原料、纤维素酶、水和甘油加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系的干物质浓度为20wt%，预酶解温度控制在58℃，酶解料液的停留时间为28h；预酶解的pH为5；甘油加入量为0.1g/L；纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为15IU/g纤维素。
（3）预酶解后料液打入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵，同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇的同时继续被水解的过程；所述的耐温酿酒酵母优选使用可耐受40℃的耐温酿酒酵母，耐温乙醇发酵菌种子液的接种量为3v%，酶解后直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为40℃，发酵时间为50h；同步糖化发酵体系中加入氮源，氮源选自硫酸铵，氮源加入量为同步糖化发酵体系总质量的0.1wt%。
（4）发酵液打入到精馏装置分离乙醇。
实施例5
所述的步骤（2）中，控制酶解料液的停留时间为12h；预酶解的pH为4.8；温度为56℃。其它同实施例1。
实施例6
所述的步骤（2）中，控制酶解料液的停留时间为24h；预酶解的pH为5.2；温度为60℃。其它同实施例1。
本发明步骤（1）中的木质纤维素原料包括一切含纤维素的生物质原料，如秸秆、木屑、能源植物（如柳枝稷）和废纸等，优选为玉米秸秆。所述预处理方式可以采用一切可提高木质纤维素酶解性能的物理、化学和热化学技术，包括机械粉碎、辐射、微波、酸处理、碱处理、蒸汽爆破预处理和溶剂预处理，或上述方法的组合预处理等，优选采用稀酸蒸汽爆破组合预处理。
步骤（2）中加入的甘油可以提高纤维素酶耐受高温的能力，加入量为0.02-0.20g/L。
步骤（2）中，控制酶解料液的停留时间为8-48h，优选12-24h。酶解体系的干物质浓度为15wt%-25wt%；本发明中所提到的干物质浓度为可溶性固体和不可溶性固体质量之和与体系总质量的百分比。所述的纤维素酶采用一切可水解木质纤维素组分的酶蛋白或酶蛋白混合物，可在工厂在线生成纤维素酶，也可采用市售商品纤维素酶，如诺维信酶或者泽生酶。控制纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为5-25IU/g纤维素。预酶解的pH为4.5-5.5，优选为4.8-5.2；温度为54-62℃，优选为56-60℃。
步骤（3）中的同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇的同时继续被水解的过程。所述的耐温酿酒酵母采用目前已知的可在较高温度利用木质纤维素原料发酵产乙醇的菌株，优选使用可耐受36-42℃的耐温酿酒酵母。采用本领域常规的培养方式制备发酵菌种子液，种子液的接种量为1v%-5v%。本发明中，酶解后不需要调节pH，直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为36-42℃，发酵时间为12-96h。同步糖化发酵体系中加入的氮源可选自酵母膏、蛋白胨、玉米浆、硫酸铵或尿素等中的一种或几种，优选尿素，加入量为体系总质量的0.02wt%-0.2wt%。
步骤（4）采用本领域常规方法对发酵液中的乙醇进行分离。

Claims (9)

1.一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）对木质纤维素原料进行预处理，获得预处理原料；
（2）将预处理原料、纤维素酶、水和甘油加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系的干物质浓度为15wt%-25wt%，预酶解温度控制在54-62℃，酶解料液的停留时间为8-48h；预酶解的pH为4.5-5.5；
（3）预酶解后料液打入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵，发酵温度控制在36-42℃；
（4）发酵液打入到精馏装置分离乙醇。
2.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（1）中的木质纤维素原料优选为玉米秸秆；所述预处理方式优选采用稀酸蒸汽爆破组合预处理。
3.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（2）中加入的甘油加入量为0.02-0.20g/L。
4.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（2）中，控制酶解料液的停留时间优选为12-24h；预酶解的pH优选为4.8-5.2；温度优选为56-60℃。
5.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（2）中，所述的纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为5-25IU/g纤维素。
6.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（3）中的同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇的同时继续被水解的过程。
7.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（3）中，所述的耐温酿酒酵母优选使用可耐受36-42℃的耐温酿酒酵母，耐温乙醇发酵菌种子液的接种量为1v%-5v%，酶解后直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为36-42℃，发酵时间为12-96h。
8.根据权利要求1所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（3）中，同步糖化发酵体系中加入氮源，氮源选自酵母膏、蛋白胨、玉米浆、硫酸铵或尿素中的一种或几种，氮源加入量为同步糖化发酵体系总质量的0.02wt%-0.2wt%。
9.根据权利要求8所述的一种木质纤维素高温酶解发酵产乙醇的方法，其特征在于步骤（3）中，同步糖化发酵体系中加入的氮源优选尿素。
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