CN106011182A - 一种由废纸制备燃料乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由废纸制备燃料乙醇的方法，属于生物质能领域，包括以下步骤，S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，以搅拌洗涤、抽滤方法，洗除碎纸中水溶性化学添加剂；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；S2对所述初始纸纤维素原料，用稀硫酸对其进行降解处理；之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；S3将所述低聚合度纸纤维素原料用专用水解酶制剂水解，得到还原糖；S4将所述还原糖发酵后蒸馏，得到燃料乙醇。本发明提供的制备方法大规模拓展燃料乙醇的原料资源量、降低燃料乙醇的生产成本、提高生产效率，能够带来诸多良好的社会和经济效益。

Description

一种由废纸制备燃料乙醇的方法
技术领域
本发明涉及生物质能领域，特别涉及一种由废纸制备燃料乙醇的方法。
背景技术
随着世界人口的增加和各国工业化程度的提高，能源和环境问题已成为全球关注的焦点。石油、煤炭和天然气等化石能源物质逐渐枯竭，为保护环境和实现人类可持续发展的目标，从可再生资源特别是木质生物质生产高附加值化工产品已成为许多国家的重要发展战略和科学研究的热点领域。生物质能是可再生的清洁能源，利用生物质为原料水解并发酵制取燃料乙醇等化工产品正日益受到广泛关注。
采用含糖和淀粉等的农作物发酵制取乙醇的技术已日趋成熟，并广泛应用。然而，随着世界人口增长，粮食供应紧张，以粮食作物为原料制备燃料乙醇的方法不可能大规模展开，因此采用木质纤维为原料，通过生物质水解制取燃料乙醇具有重要意义。组成木质生物质的三大组分是纤维素、半纤维素和木素等聚合物，其中纤维素和半纤维素都可以被转化为乙醇，理论得率可以同粮食相仿(大于400L/t)。从总量上看，纤维素、半纤维素和木素才是世界上存在的最广泛的可再生生物质资源。在生活中，废纸是困扰人们的污染源之一，常被焚烧和填埋等，这既浪费资源又污染环境。废纸中纤维素和半纤维素含量较高，加强对废纸二次纤维回用，不仅可有效减轻木质纤维素资源紧缺影响，还利于环保和可持续发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有燃料乙醇制备工艺中原料来源单一和乙醇产率低的缺点，提供一种由废纸制备燃料乙醇的方法，通过以废纸天然纤维素替代传统粮食作物作为原料，可实现对废纸高值化利用，也有助于降低燃料乙醇生产成本，同时制备工艺还具有乙醇产率高的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种由废纸制备燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，以搅拌洗涤、抽滤方法，洗除碎纸中水溶性化学添加剂；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；
S2对所述初始纸纤维素原料，用稀硫酸对其进行降解处理；之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；
S3将所述低聚合度纸纤维素原料用专用水解酶制剂水解，得到还原糖；
S4将所述还原糖发酵后蒸馏，得到燃料乙醇。
本发明的发明思路为，纸中原始纤维素聚合度较大，约600，较难被酶水解。因此，要对其进行适度酸预水解处理，降低其聚合度，提高其酶水解的转化率。在天然纸纤维素分子结构中有大量羟基，并存在着大量分子内、分子间氢键。通常，这些天然分子聚集而呈现不同水平结晶性原纤结构。大部分活性羟基被封闭在晶区内。具体体现为，由于纸纤维素聚合度过高而难溶于一般无机、有机、混合溶剂。用稀硫酸浸渍纸纤维素，可将杂质溶出，使纸纤维素分子中氢键受到破坏，提高纸纤维素反应活性。被酸水解后，纸纤维素聚合度有一定程度下降。然而，其分子量仍较大，仍难被一些酶制剂水解。为继续降低其聚合度，使其在空气中曝晒、降聚。最终，使其聚合度降至酶水解的要求。此外，研磨目的是使纸纤维素成细小、松散屑状、甚至粉状，增大其比表面积，强化其反应均一性、活性，利于后续水解操作。
进一步地，上述步骤S1中洗涤步骤包括将废纸浆在离心转速为4000-6000rpm的离心机中洗涤至中性。
进一步地，上述步骤S2中降解处理包括将所述初始纸纤维素原料在PH值为3-5的条件下于120-150℃蒸煮25-40min
进一步地，上述步骤S3中所述专用水解酶制剂包括纤维素酶和胰蛋白酶，所述纤维素酶的用量为0.01-0.25g/g纤维素，胰蛋白酶的用量为0.6-0.9g/Kg。
进一步地，上述纤维素酶包括纤维素内切酶蛋白、纤维素外切酶蛋白和β-葡萄糖苷酶蛋白，其中纤维素内切酶蛋白的浓度为40-80g/L，纤维素外切酶蛋白的浓度为10-30g/L，β-葡萄糖苷酶蛋白的浓度为1-4g/L。进一步地，上述纤维素酶的加入量为1-40FPU/g。
进一步地，上述步骤S3中酶水解反应在PH值为4-6，温度为50-70℃的条件下进行，反应时间为5-10h。
进一步地，上述步骤S4包括将所述还原糖和酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为15-19℃，时间为9-12h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为20-22℃，发酵时间为12-15h；进入后发酵期，再将温度调至21-23℃，维持60-72h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，收集其中的燃料乙醇。
进一步地，上述酿酒酵母加入量占还原糖重量的14-18％。
进一步地，上述步骤S4中还包括蒸馏后将蒸气经分子筛树脂或膜萃取的方式除去水分的处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提供的一种以废纸为原料制备燃料乙醇的方法，可被用以实现对废纸高效、高值化利用，及同比降低燃料乙醇生产成本。
2、本发明提供的一种以废纸为原料制备燃料乙醇的方法，所需工艺条件温和、操作便捷、安全、环保，所用原料价廉、易得，是一种经济、绿色、节能工艺，符合国家“节能、减排”发展要求。
3、本发明提供的一种以废纸为原料制备燃料乙醇的方法通过在纤维素酶中添加胰蛋白酶，其中胰蛋白酶起到活化作用，可以增强专用水解酶制剂的水解能力，解决了现有技术中废纸纤维素酶水解转化率低的问题，提高了最终燃料乙醇的产率。采用本技术可极大拓宽现有燃料乙醇制备技术应用范围。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种由废纸制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，对其进行多次强力搅拌洗涤、抽滤处理；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；S2用8.0wt.％稀硫酸浸泡初始纸纤维素原料在130℃下蒸煮30min。之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；S3将1.5KG所述低聚合度纸纤维素原料在PH值为4的条件下于70℃用50ml纤维素酶和200ml胰蛋白酶水解5h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为16℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为20℃，发酵时间为12h；进入后发酵期，再将温度调至22℃，维持65h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
实施例2
一种由废纸制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，对其进行多次强力搅拌洗涤、抽滤处理；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；S2用10.0wt.％稀硫酸浸泡初始纸纤维素原料在120℃下蒸煮25min。之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；S3将1.6KG所述低聚合度纸纤维素原料在PH值为5的条件下于50℃用45ml纤维素酶和210ml胰蛋白酶水解5h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为19℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为21℃，发酵时间为10h；进入后发酵期，再将温度调至23℃，维持60h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
实施例3
一种由废纸制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，对其进行多次强力搅拌洗涤、抽滤处理；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；S2用12.0wt.％稀硫酸浸泡初始纸纤维素原料在120℃下蒸煮25min。之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；S3将2KG所述低聚合度纸纤维素原料在PH值为4的条件下于55℃用60ml纤维素酶和180ml胰蛋白酶水解7h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和35g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为17℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为22℃，发酵时间为10h；进入后发酵期，再将温度调至23℃，维持60h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
对比例1
一种由废纸制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，对其进行多次强力搅拌洗涤、抽滤处理；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；S2用8.0wt.％稀硫酸浸泡初始纸纤维素原料在130℃下蒸煮30min。之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；S3将低聚合度纸纤维素原料在PH值为4的条件下于70℃用100ml的纤维素酶水解5h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为32℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为38℃，发酵时间为12h；进入后发酵期，再将温度调至34℃，维持65h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
对比例2
一种由废纸制备燃料乙醇的方法，包括以下步骤：S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，对其进行多次强力搅拌洗涤、抽滤处理；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；S2将1.5KG所述低聚合度纸纤维素原料在PH值为4的条件下于70℃用50ml纤维素酶和200ml胰蛋白酶水解5h，得到还原性糖。S4将所述还原糖和30g酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为16℃，时间为10h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为20℃，发酵时间为12h；进入后发酵期，再将温度调至22℃，维持65h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，脱水，收集其中的燃料乙醇。
对实施例1-3及对比例1-2制备工艺中燃料乙醇的产率、还原糖的转化率和水解速率进行测试对比发现，只加有纤维素酶的酶制剂的对比例1的酶水解转化率远低于实施例1组别的酶水解得率，并且在增大用量的基础上酶水解转化率仍然保持较低水平，而没有进行酸预水解、曝晒、老化和研磨处理的对比例2组别的还原糖的转化率相较对比例1的转化率更高，酶水解后仍然残留大量未反应的纤维素。

Claims (9)

1.一种由废纸制备燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1首先，用水浸泡废纸并将其打碎；然后，用水，以搅拌洗涤、抽滤方法，洗除碎纸中水溶性化学添加剂；最后，将其自然晾干得初始纸纤维素原料；
S2对所述初始纸纤维素原料，用稀硫酸对其进行降解处理；之后，对其进行过滤、曝晒、老化和研磨处理，得到低聚合度纸纤维素原料；
S3将所述低聚合度纸纤维素原料用专用水解酶制剂水解，得到还原糖；
S4将所述还原糖发酵后蒸馏，得到燃料乙醇。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中洗涤步骤包括将废纸浆在离心转速为4000-6000rpm的离心机中洗涤至中性。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中降解处理包括将所述初始纸纤维素原料在PH值为3-5的条件下于120-150℃蒸煮25-40min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述专用水解酶制剂包括纤维素酶和胰蛋白酶，所述纤维素酶的用量为0.01-0.25g/g纤维素，胰蛋白酶的用量为0.6-0.9g/Kg。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素酶包括纤维素内切酶蛋白、纤维素外切酶蛋白和β-葡萄糖苷酶蛋白，其中纤维素内切酶蛋白的浓度为40-80g/L，纤维素外切酶蛋白的浓度为10-30g/L，β-葡萄糖苷酶蛋白的浓度为1-4g/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中酶水解反应在PH值为4-6，温度为50-70℃的条件下进行，反应时间为5-10h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括将所述还原糖和酿酒酵母混合均匀，进行前发酵，控制温度为15-19℃，时间为9-12h；进入主发酵期，此时将发酵温度控制为20-22℃，发酵时间为12-15h；进入后发酵期，再将温度调至21-23℃，维持60-72h后得到发酵产物，然后进行蒸馏，收集其中的燃料乙醇。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述酿酒酵母加入量占所述还原糖重量的14-18％。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括蒸馏后将蒸气经分子筛树脂或膜萃取的方式除去水分的处理。
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