CN105838743B - 一种通过分批补料半同糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法 - Google Patents

一种通过分批补料半同糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种通过分批补料半同步糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法，包括如下步骤：1)蒸汽爆破处理；2)碱性过氧化氢处理：过氧化氢浓度(w/v)0.5～5％，固液比1：5～1：20，pH 9～12，温度10～70℃，处理1～5次，处理时间1～10h；3)分批补料半同步糖化浓醪发酵乙醇：将得到的固体和含有营养物的溶液分别在高温下灭菌，然后将二者与过滤除菌后纤维素酶混合，在45～50℃下振荡8～16h，再向体系添加初始量0.8～2倍干物料和相应量的酶液，继续在45～50℃下振荡12～30h。酶解结束后接入酿酒酵母进行乙醇发酵。本发明为纤维素乙醇商业化提供了一种生产途径。

Description

一种通过分批补料半同糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法
技术领域
本发明属于生物质资源循环利用和生物质能源技术领域，具体涉及一种通过分批补料半同步糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法
背景技术
随着现代工业的快速发展和全球人口的不断增加，人们对各种能源燃料和化学品的需求量和消耗量与日俱增，这就导致了粮食危机、能源危机、温室效应和环境污染等问题日益突出。上述问题让人们意识到大规模开发清洁性、可再生性能源的必要性和急迫性。目前，已有很多国家把生物质能源产业作为一项重大的国家战略进行推进。在众多的生物燃料和生物基化学品中，纤维素乙醇以其可再生性、原材料广泛、“不与人争粮”和无污染性等特点被公认为最具有应用价值的可再生能源之一，得到了众多的研究者的研究。
目前，虽然纤维素乙醇的生产方法(主要包括原料的预处理、酶解、乙醇发酵和分离提纯等步骤)已经打通，但是过高的生产成本严重阻碍了纤维素乙醇的商业化进程。研究者们认为造成生产成本较高的主要原因之一是由于纤维素乙醇发酵方法未达到淀粉质乙醇发酵的“三高”(高浓度、高转化率和高效率)指标。因此，国内外研究者从提高基质纤维素含量、优化酶解发酵方法、提高传质传热效率和降低发酵抑制物影响等方面出发来实现纤维素乙醇的浓醪发酵，从而达到“三高”指标。天津大学的zhang等以酸碱耦合预处理后的玉米芯为基质，在加酶量为30FPU/g葡聚糖条件下，以19％基质浓度为起始浓度，通过在发酵过程中采取分批补料的方式，最终补料到相当于25％总基质浓度，发酵96h后乙醇浓度达到84.7g/L，发酵效率为0.88g/(L·h)。Cannella等利用一种自由落体混合式卧式反应器进行软木高浓度发酵乙醇，在30％基质浓度下，发酵120h后，乙醇浓度达50g/kg，创造了杉木纤维素乙醇发酵历史新高。王亮等利用常压甘油自催化麦草为发酵原料，采用分批补料式半同步糖化策略进行浓醪乙醇发酵；以15％基质浓度为起始浓度，分批补料到相当于30％基质浓度，发酵72h后，乙醇产量为51.2g/L，发酵效率为0.72g/(L·h)。由此可见，国内外在纤维乙醇浓醪发酵乙醇方面取得了很大的进展，基质浓度可达到30g/L，乙醇浓度在可达50g/L以上。
在纤维素乙醇浓醪发酵方面，我们课题组有大量的研究，用发明的甘油有机溶剂预处理技术(CN 101148830 B；CN 101440108 B)对农林生物质进行预处理，然后以预处理得到高纤维素含量、高酶解性的基质为底物，开展不同方式(同步糖化发酵、半同步糖化发酵和分批补料式半同步糖化发酵等等)下的浓醪乙醇发酵研究，取得了很好的成果。但是纤维素乙醇发酵效率明显低于淀粉乙醇发酵效率(2.4g/(L·h))。所以，在课题组前期工作的基础上，本发明公布了一种通过分批补料半同步糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法。
发明内容
本发明目的在于解决现有的纤维素乙醇浓醪发酵技术综合指标不佳的问题，即浓醪发酵得到的乙醇浓度达到工业标准，但是生产效率不理想，提出了分批补料半同糖化发酵生产纤维素乙醇的方法。
本发明提供了一种通过分批补料半同步糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法，方法的具体步骤如下：
1)蒸汽爆破处理：将粉粹后的木质纤维素材料与水混合放入蒸煮罐内，升温至升温至150～250℃，然后维持1～30min，然后过滤干燥得到固体。
2)碱性过氧化氢处理：然后用碱性过氧化氢溶液在过氧化氢浓度(w/v)0.5～5％，固液比1：5～1：20，pH 9～12，温度10～70℃的条件下，处理时间1～10h，处理1～5次。对处理液进行固液分离并对固体洗涤至中性，得到富含纤维素的固体部分。
分批补料半同步糖化浓醪发酵乙醇：将得到的固体和含有营养物的溶液分别在高温下灭菌，然后将二者与过滤除菌后的纤维素酶液混合，在45～50℃下振荡8～16h，再向体系添加初始量0.8～2倍的干物料和相应量的酶液，继续在45～50℃下振荡12～30h。酶解结束后，向体系中接入耐高温的酿酒酵母进行乙醇发酵；发酵结束后，对发酵液进行固液分离即得到高生产效率的、高浓度的纤维素乙醇。
所述的木质纤维素材料可为农林废弃物、能源作物和森林废弃物等。
所述的将富含纤维素的固体、含有营养物的液体和纤维素酶混合，是先含有营养物的液体和纤维素酶混合，然后再与富含纤维素的固体混合。
纤维素酶为商业纤维素酶，添加量为7～40FPU/g干物质
酶解温度优选48～53℃。
酿酒酵母是耐高温的安琪商业酵母。
乙醇发酵温度为35～43℃，发酵时长为6～48h。
有效效果：与现有的纤维素乙醇的制备方法相比，本发明方法同时实现了纤维素乙醇发酵的高浓度(>60g/L)、高生产效率(>2g/(L·h))的双重指标，近一步降低了生产纤维素乙醇的的商业成本，有喜欢推动纤维素乙醇的商业化进程。
附图说明
图1底物浓度与酶解率的关系
图2底物浓度与还原糖产量的关系
图3分批补料补料量与还原糖产量的关系
具体实施方式
下面通过实例，来对发明的技术方案进行进一步的说明。
以下实施例中，葡萄糖浓度、木糖浓度以及乙醇浓度均采用高效液相色谱法(HPLC)测定。色谱条件如下:色谱仪：日立高线液相色谱仪；色谱柱：Bio-Rad Aminex HPX-87H；流动相0.005mol/L硫酸；流速：0.6mL/min；柱温60℃；检测器：示差检测器；进样量20μL。外标法测定
实施例1
1)蒸汽爆破处理：将玉米秸秆放入蒸汽爆破反应器中在200℃下，维持10min，得到固液分离物，固体部分在60℃下干燥6h；汽爆处理后三大组分组成为：纤维素含量33％，木聚糖含3.32％，木质素含量36.1％。
2)碱性过氧化氢溶液处理：然后用2％(w/w)的过氧化氢溶液在pH为11.5，固液比1：20，温度25℃的条件下，处理时间6h，处理3次。然后对得到的固液混合物进行固液分离，然后用热水洗涤至中性。最后放于60℃下烘干，即得到富含纤维素的干燥固体。碱性过氧化氢溶液处理后的三大组分含量为纤维素61.2％，半纤维素5.21％，木质素9.26％。
3)分批补料半同糖化浓醪发酵乙醇：取上一步烘干的物料，用粉碎机粉碎到70目左右。首先物料和含有16g/L酵母提取物的溶液(陈放于250mL离心瓶)分别灭菌，对纤维素酶解进行过滤除菌；先将135FPU的酶液和30mL含酵母提取物的溶液混合，再将4.5g的物料加入到混合液中；将混合物反应摇床中，在温度50℃、180rpm条件下，酶解12h，再向体系中加入6g的灭菌后的干物料和180FPU酶液，进行酶解24h；酶解结束后，向体系中接入1.8mg干菌体，然后在39℃下发酵24h，乙醇产量分别为70.53g/L，发酵效率分别为2.94g/(L·h)。
实施例2
1)蒸汽爆破处理：将玉米秸秆放入蒸汽爆破反应器中在200℃下，维持10min，得到固液分离物，固体部分在60℃下干燥6h；汽爆处理后三大组分组成为：纤维素含量33％，木聚糖含3.32％，木质素含量36.1％。
2)碱性过氧化氢溶液处理：然后用4％(w/w)的过氧化氢溶液在pH为11.5，固液比1：8，温度25℃的条件下，处理时间6h，处理2次。然后对得到的固液混合物进行固液分离，然后用热水洗涤至中性。最后放于60℃下烘干，即得到富含纤维素的干燥固体。碱性过氧化氢溶液处理后的三大组分含量为纤维素62.6％，半纤维素4.71％，木质素8.54％。
3)分批补料半同糖化发酵浓醪发酵乙醇：取上一步烘干的物料，用粉碎机粉碎到70目左右。首先物料和含有16g/L酵母提取物的溶液(陈放于250mL离心瓶)分别灭菌，对纤维素酶解进行过滤除菌；先将135FPU的酶液和30mL含酵母提取物的溶液混合，再将4.5g的物料加入到混合液中；将混合物反应摇床中，在温度50℃、180rpm条件下，酶解12h，再向体系中加入6g的灭菌后的干物料和180FPU酶液，进行酶解24h；酶解结束后，向体系中接入1.8mg干菌体，然后在39℃下发酵24h，乙醇产量分别为71.62g/L，发酵效率分别为2.98g/(L·h)。
实施例3
1)蒸汽爆破处理：将玉米秸秆放入蒸汽爆破反应器中在200℃下，维持10min，得到固液分离物，固体部分在60℃下干燥6h；汽爆处理后三大组分组成为：纤维素含量33％，木聚糖含3.32％，木质素含量36.1％。
2)碱性过氧化氢溶液处理：然后用4％(w/w)的过氧化氢溶液在pH为11.5，固液比1：8，温度25℃的条件下，处理时间6h，处理2次。然后对得到的固液混合物进行固液分离，然后用热水洗涤至中性。最后放于60℃下烘干，即得到富含纤维素的干燥固体。碱性过氧化氢溶液处理后的三大组分含量为纤维素62.6％，半纤维素4.71％，木质素8.54％。
3)分批补料半同糖化浓醪发酵乙醇：取上一步烘干的物料，用粉碎机粉碎到70目左右。首先物料和含有16g/L酵母提取物的溶液(陈放于250mL离心瓶)分别灭菌，对纤维素酶解进行过滤除菌；先将135FPU的酶液和30mL含酵母提取物的溶液混合，再将4.5g的物料加入到混合液中；将混合物反应摇床中，在温度50℃、180rpm条件下，酶解12h，再向体系中加入6g的灭菌后的干物料和180FPU酶液，进行酶解24h；酶解结束后，向体系中接入1.8mg干菌体，然后在37℃下发酵24h，乙醇产量分别为65.04g/L，发酵效率分别为2.71g/(L·h)。

Claims (4)

1.一种通过分批补料半同糖化浓醪发酵纤维素乙醇的方法，其特征在于，方法的步骤如下：
1)蒸汽爆破处理：将粉粹后的木质纤维素材料与水混合放入蒸煮罐内，升温至150～250℃，然后维持1～30min，然后过滤干燥得到固体；
2)碱性过氧化氢处理：然后用碱性过氧化氢溶液在过氧化氢浓度(w/v)0.5～5％，固液比1：5～1：20，pH 9～12，温度10～70℃的条件下，处理时间1～10h，处理1～5次，对处理液进行固液分离并对固体洗涤至中性，得到富含纤维素的固体部分；
3)分批补料半同步糖化浓醪发酵乙醇：将得到的固体和含有营养物的溶液分别在高温下灭菌，然后将二者与过滤除菌后的纤维素酶液混合，在45～50℃下振荡8～16h，再向体系添加初始量0.8～2倍的干物料和相应量的酶液，继续在45～50℃下振荡12～30h；酶解结束后，向体系中接入耐高温的酿酒酵母进行乙醇发酵，发酵温度为35～43℃，发酵时长为6～48h；发酵结束后，对发酵液进行固液分离即得到高生产效率的、高浓度的纤维素乙醇，其中，所述的营养物为0～20g/L硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、尿素、蛋白胨、酵母膏、玉米浆或豆粕氮源的一种或它们的混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的木质纤维素包括农林废弃物或能源作物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的半同步糖化发酵初始底物浓度w/v为8～20％，补料后累积总底物浓度(w/v)为20～50％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高生产效率的、高浓度的纤维素乙醇，纤维素乙醇浓度为60～120g/L，生产效率为1～5g/(L·h)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110452933B (zh) * 2018-05-08 2022-03-29 中国石油天然气股份有限公司 乙醇的制备方法
CN110982848B (zh) * 2019-11-18 2021-08-10 福建农林大学 一种脱脂花生粉预水解液和预处理固体基质半同步酶解发酵产乙醇的方法
CN113106128B (zh) * 2021-05-27 2022-11-15 华南农业大学 一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103074385A (zh) * 2013-01-29 2013-05-01 大连工业大学 利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法
CN105385724A (zh) * 2015-12-24 2016-03-09 齐鲁工业大学 一种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法以及高效制备乙醇的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103074385A (zh) * 2013-01-29 2013-05-01 大连工业大学 利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法
CN105385724A (zh) * 2015-12-24 2016-03-09 齐鲁工业大学 一种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法以及高效制备乙醇的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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