CN105755071A - 利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法 - Google Patents

利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，包括以下步骤：步骤1、生物质原料经机械处理，减小尺寸，增加底物比表面积；将机械处理并过筛后的生物质加入至低温氢氧化钠/尿素溶液体系中搅拌至室温，得到生物质混合液，备用；步骤2、向步骤1中的生物质混合液加入酸调节pH，加入酶水解；测定酶解液中糖含量，计算生物质原料中糖的酶解转化率；步骤3、酶水解24～48h后，向步骤2中的酶解液中接种菌种，发酵制备生物乙醇，测定目标产品的产率。本发明中预处理、酶水解、发酵一锅法完成，操作便捷，耗时短，减少了过程中木质纤维素底物的流失及大量废水的产生。

Description

利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种“一锅法”制备可发酵糖或可再生燃料的方法，具体是一种利用低温氢氧化钠体系预处理生物质，进而制备可发酵糖或者生物乙醇的方法，属于新能源技术开发与利用领域。
背景技术
随着经济的快速发展，人类社会对能源需求日益增加。化石能源储量有限，且大量燃烧造成环境污染。寻找新型可再生能源迫在眉睫。生物质是地球上最丰富的可再生资源。基于非粮生物质的第二代生物乙醇是最有前途的可再生能源之一(WymanCE.Whatis(andisnot)vitaltoadvancingcellulosicethanol[J].TrendsBiotechnol,2007,25(4):153-7)。
生物质原料制备生物乙醇等可再生能源一般包括预处理、酶解和发酵等过程。植物细胞壁在长期的自然进化过程中，形成了抵御外部微生物及酶降解的复杂结构。常规酶用量下，未经预处理的木质纤维素酶解转化率一般低于20％(MosierN,WymanC,DaleB,ElanderR,LeeYY,HoltzappleM,LadischM.Featuresofpromisingtechnologiesforpretreatmentoflignocellulosicbiomass[J].BioresourceTechnol,2005,96(6):673-86)。木质纤维素预处理的目的是破坏纤维细胞的致密结构，提高底物后续酶解转化率(YangB,WymanCE.Pretreatment:thekeytounlockinglow-costcellulosicethanol[J].BiofuelsBioproducts&Biorefining-Biofpr,2008,2(1):26-40)。酶解糖化是一个复杂的多相催化反应，不仅受到木质纤维素底物和纤维素酶自身性质影响，同时还与纤维素酶在木质纤维素底物上的吸附、渗透等传质过程密切相关。生物质水解液发酵生产乙醇,一般首先要对原料进行前处理,然后接种酿酒酵母，将六碳糖或五碳糖经发酵转化成乙醇。酶解糖化与发酵分开的这一过程称为单独糖化发酵(SHF,SeparateHydrolysisandFermentation)。酶解糖化发酵同步进行的过程称为同步糖化发酵(SSF,SimultaneousSaccharificationandFermentation)。将产纤维素酶和半纤维素酶、生物质中纤维素和半纤维素酶解糖化、发酵六碳糖和五碳糖的过程一步完成称为―综合的生物过程(ConsolidatedBioprocessing)(Menon,V.andM.Rao.Trendsinbioconversionoflignocellulose:Biofuels,platformchemicals&biorefineryconcept[J].ProgressInEnergyandCombustionScience2012,38(4):522-550)。
预处理、酶解、发酵等单元操作组合过程复杂、能耗高、耗水多、同时产生大量废水。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法。本方法具有耗时短、转化效率高、用水量少，可一步完成等优点，不经过中间产物的分离、直接获得可发酵糖或者生物乙醇的方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，包括以下步骤：
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：生物质原料经机械处理，减小尺寸，增加底物比表面积；将机械处理并过筛后的生物质加入至低温氢氧化钠/尿素溶液体系中搅拌至室温，得到生物质混合液，备用；
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的生物质混合液加入酸调节pH，加入酶水解；测定酶解液中糖含量，计算生物质原料中糖的酶解转化率；
步骤3、水解液的发酵：酶水解24～48h后，向步骤2中的酶解液中接种菌种，发酵制备生物乙醇，测定目标产品的产率。
步骤1中，所述的生物质原料为玉米秸秆、麦草秸秆、桉树木片、竹片、水稻秸秆中的任意一种，所述的过筛后的生物质为40～100目。
步骤1中，所述的温度为-5～-25℃；氢氧化钠/尿素溶液体系中氢氧化钠：尿素：水的质量比为(5～10)：(0～20)：(70～95)；生物质与氢氧化钠溶液体系的质量比为1：(3～20)。所述的温度优选为-10～-15℃；氢氧化钠/尿素溶液体系中氢氧化钠：尿素：水的质量比优选为(7～9)：(0～15)：(76～93)；生物质与氢氧化钠溶液体系的质量比优选为1：(4～10)。
步骤2中，所述酶为纤维素酶，所述酶的用量为每g生物质对应加入5～50IU酶，优选为每g生物质对应加入10～20IU酶。
步骤2中，所用的酸为醋酸或柠檬酸，用酸调节至所述的PH＝4～6，优选为pH＝4.6～5.4。
步骤3中，所述的菌种为酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，接种量为10％(v/v)，离心后接种到酶解液中。
本发明具有以下优点和效果：
(1)本发明使用的原料为农业废弃物、木材或木材加工剩余物等生物质，不仅来源广，而且解决了废弃物处理的问题，保护了环境；
(2)本发明使用氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物，氢氧化钠、尿素等化学药品价格便宜，成本低，产品转化效率高；
(3)本发明中预处理、酶水解、发酵一锅法完成，操作便捷，耗时短，减少了过程中木质纤维素底物的流失及大量废水的产生；
(4)本发明预处理过程在低温下进行，条件易于达到，可在北方冬季室外常温下进行；
(5)本方法的步骤1、步骤2中采用酸碱中和的方法，减少了水洗、过滤过程，大量减少了水的消耗及过程的复杂性，并且在整个反应过程中，都是在“一锅”内进行的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
本发明中所用的醋酸、柠檬酸浓度、用量均无需限定，以调节至所需pH为终点。
实施例1:
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：用植物粉碎机磨碎玉米秸秆，过筛选取4g100目的玉米秸秆加入至-20℃的氢氧化钠/尿素溶液体系(氢氧化钠：尿素：水的重量比为7：12：81)中在200rmp的转速下搅拌至室温，得到玉米秸秆的生物质混合液，备用；其中，玉米秸秆与氢氧化钠/尿素溶液的质量比为1：4。
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的玉米秸秆的生物质混合液加入醋酸调节pH至4.8，按照每g玉米秸秆加入15IU纤维素酶进行水解；测定水解后的酶解液中玉米秸秆中葡萄糖的72h酶解转化率为98.3％，木糖的酶解转化率为90％。
实施例2：
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：用植物粉碎机磨碎麦草秸秆，过筛选取4g100目的麦草秸秆加入至-15℃的氢氧化钠/尿素溶液体系(氢氧化钠：尿素：水的重量比为7：0：93)中，在200rmp的转速下搅拌至室温，得到麦草秸秆的生物质混合液，备用；其中，麦草秸秆与氢氧化钠/尿素溶液的质量比为1：3。
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的麦草秸秆的生物质混合液加入柠檬酸调节pH至4，按照每g麦草秸秆加入10IU纤维素酶进行水解；测定水解后的酶解液中麦草秸秆中葡萄糖的72h酶解转化率为94.8％，木糖的酶解转化率为86.3％。
实施例3:
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：用植物粉碎机磨碎桉树木片，过筛选取4g40目的桉树木片加入至-5℃的氢氧化钠/尿素溶液体系(氢氧化钠：尿素：水的重量比为10：20：70)中，在200rmp的转速下搅拌至室温，得到桉树木片的生物质混合液，备用；其中，桉树木片与氢氧化钠/尿素溶液的质量比为1：10。
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的桉树木片的生物质混合液加入柠檬酸调节pH至5.4，按照每g桉树木片加入5IU纤维素酶进行水解。
步骤3、水解液的发酵：酶水解24小时后，向步骤2中的酶解液中接种酿酒酵母，接种量为10％，离心后接种到酶解液中，所述的酿酒酵母在酵母浸出粉胨葡萄糖培养基中培养12h。接种后进行发酵制备生物乙醇，乙醇的72小时得率为25％。
实施例4:
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：用植物粉碎机磨碎竹片，过筛选取4g100目的竹片加入至-25℃的氢氧化钠/尿素溶液体系(氢氧化钠：尿素：水的重量比为5：0：95)中，在200rmp的转速下搅拌至室温，得到竹片的生物质混合液，备用；其中，竹片与氢氧化钠/尿素溶液的质量比为1：5。
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的竹片的生物质混合液加入柠檬酸调节pH至4.6，按照每g竹片加入50IU纤维素酶进行水解。
步骤3、水解液的发酵：酶水解24小时后，向步骤2中的酶解液中接种酿酒酵母，接种量为10％(v/v)，离心后接种到酶解液中，所述的酿酒酵母在酵母浸出粉胨葡萄糖培养基中培养12h。接种后进行发酵制备生物乙醇，乙醇的72小时得率为21％。
实施例5:
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：用植物粉碎机磨碎水稻秸秆，过筛选取4g40目的水稻秸秆加入至-10℃的氢氧化钠/尿素溶液体系(氢氧化钠：尿素：水的重量比为9：15：76)中，在200rmp的转速下搅拌至室温，得到水稻秸秆的生物质混合液，备用；其中，水稻秸秆与氢氧化钠/尿素溶液的质量比为1：20。
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的水稻秸秆的生物质混合液加入醋酸调节pH至6，按照每g水稻秸秆加入20IU纤维素酶进行水解。
步骤3、水解液的发酵：酶水解48小时后，向步骤2中的酶解液中接种酿酒酵母，接种量为10％(v/v)，离心后接种到酶解液中，所述的酿酒酵母在酵母浸出粉胨葡萄糖培养基中培养12h。接种后进行发酵制备生物乙醇，乙醇的72小时得率为23％。

Claims (9)

1.利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、生物质原料的机械处理和化学处理：生物质原料进行机械处理；将机械处理并过筛后的生物质加入至低温氢氧化钠/尿素溶液体系中搅拌至室温，得到生物质混合液，备用；
步骤2、生物质的酶水解：向步骤1中的生物质混合液加入酸调节pH，加入酶水解；测定酶解液中糖含量，计算生物质原料中糖的酶解转化率；
步骤3、水解液的发酵：酶水解24～48h后，向步骤2中的酶解液中接种菌种，发酵制备生物乙醇，测定目标产品的产率。
2.根据权利要求1所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，步骤1中，所述的生物质原料为玉米秸秆、麦草秸秆、桉树木片、竹片、水稻秸秆中的任意一种，所述的过筛后的生物质为40～100目。
3.根据权利要求1所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，步骤1中，所述的温度为-5～-25℃；氢氧化钠/尿素溶液体系中氢氧化钠：尿素：水的质量比为(5～10)：(0～20)：(70～95)；生物质与氢氧化钠溶液体系的质量比为1：(3～20)。
4.根据权利要求3所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，所述的温度为-10～-15℃；氢氧化钠/尿素溶液体系中氢氧化钠：尿素：水的质量比为(7～9)：(0～15)：(76～93)；生物质与氢氧化钠溶液体系的质量比为1：(4～10)。
5.根据权利要求1所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，步骤2中，所述酶为纤维素酶，所述酶的用量为每g生物质对应加入5～50IU酶。
6.根据权利要求5所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，所述酶的用量为每g生物质对应加入10～20IU酶。
7.根据权利要求1所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，步骤2中，所用的酸为醋酸或柠檬酸，用酸调节至所述的PH＝4～6。
8.根据权利要求7所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，所述pH＝4.6～5.4。
9.根据权利要求1所述的利用生物质“一锅法”制备可发酵糖或生物乙醇的方法，其特征在于，步骤3中，所述的菌种为酿酒酵母，接种量为10％，所述的酿酒酵母在酵母浸出粉胨葡萄糖培养基中培养12h。
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