CN106011183A - 一种用芦苇高效生产纤维素乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用芦苇高效生产纤维素乙醇的方法，涉及一种生产纤维素乙醇的方法。本方法是：①将芦苇切碎和加水调节；②水蒸汽爆破预处理；③收集汽爆后残渣；④氧化钙预处理；⑤pH值调节；⑥纤维素酶解；⑦发酵；⑧收集乙醇。与现有技术相比，本发明具将蒸汽爆破和氧化钙两种预处理技术组合使用，显著提高了纤维素的降解效率；在纤维素酶解时加入表面活性剂吐温‑80，进一步提高了纤维素的降解效率；以芦苇作为原材料，采用此项组合技术，可以将原料中98%的纤维素转化成葡萄糖；此项组合技术用于纤维素乙醇的生产，每公斤芦苇（干重）可生产乙醇190克，乙醇产率高达19%。

Description

一种用芦苇高效生产纤维素乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种生产纤维素乙醇的方法，尤其涉及一种用芦苇高效生产纤维素乙醇的方法。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源已成为世界各国主要的能源发展战略。生物能源是重要的可再生能源，由于其资源丰富，对环境污染较小，具有广阔的市场前景。纤维素乙醇是指用农作物秸秆或植物茎秆细胞壁中的纤维素产生的乙醇，是具有重要发展前景的生物能源。

植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。细胞壁组成复杂，且结构致密，可以抵抗纤维素酶对纤维素的水解作用，使得纤维素水解产糖的效率低，发酵生产乙醇的成本高，限制了纤维素乙醇的大规模商业化生产。目前已有多种预处理方法用于去除或破坏植物细胞壁中的半纤维素和木质素，改变纤维素的表面结构，增加酶对纤维素的有效接触，提高了纤维素的酶解效率。常用的预处理方法包括酸碱预处理、氧化钙预处理、离子液预处理、蒸汽爆破预处理、液体热水预处理、超声波预处理和霉菌预处理等，这些方法都可以不同程度地提高纤维素的水解效率（Zhang et al.，2013；Vancov et al.，2012；Harun et al.；2011； Zhang et al.，2015）。

蒸汽爆破是在高温蒸汽下对生物质处理一段时间，然后突然减压的预处理方法。此方法可以促进半纤维素的分解和溶解，使得木质素重新分配，并在一定程度上被去除，使得纤维素暴露出来，酶可以很容易接触和水解，进而提高酶解效率。影响蒸汽爆破效果的因素有温度、粒径和停留时间（Sun et al.，2014；Zhu et al.，2015；Zoulikha et al.，2015；Cantarella et al.，2004；Rocha et al.，2012）。

氧化钙预处理用于去除木质素，降低木质素对纤维素酶的无效吸附，并进一步暴露细胞壁中的纤维素，增加酶对纤维素的有效接触，提高酶解效率。（Kim et al.，2005；Sierra et al.，2009）。氧化钙预处理的成本较低，较安全，同时只需要在水解产物中通入二氧化碳就能很容易对氧化钙进行回收（Falls et al.，2011）。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种用芦苇高效生产纤维素乙醇的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明是纤维素乙醇生产过程中的原料预处理方法和纤维素的水解方法。先用蒸汽爆破方法，后用氧化钙方法，分别对原料进行两步预处理，再用纤维素酶催化纤维素水解，并加入表面活性剂吐温-80；上述方法的组合运用，显著提高了原料中纤维素的水解效率。

具体地说，本方法的材料是成熟的芦苇，包括下列步骤：

①将芦苇切碎和加水调节

将芦苇切割成长度约10 cm的片段，加水调节使含水量达到50%；

②水蒸汽爆破预处理

蒸汽压力为2.5 MPa，温度225℃，持续时间3 分钟；

③收集汽爆后残渣

将残渣在55℃干燥48小时，研磨成粉末；

④氧化钙预处理

用5.0%（W/W）氧化钙处理汽爆后的粉末，固液比1：20（W/W），温度50℃，处理时间48小时；

⑤pH值调节

用浓盐酸将溶液的pH值调节到7.0；

⑥纤维素酶解

加入纤维素酶，使得酶解液中纤维素酶的浓度达到2.0g/L，加入吐温-80，使得酶解液中吐温-80的浓度达到1.0%（V/V），固液比1：20，温度50℃，水解时间48小时；

⑦发酵

将纤维素水解后的糖液用于发酵，每升糖液加入2.0g酿酒酵母（细胞干重），发酵温度37°C，时间48小时；

⑧收集乙醇

用蒸溜法收集发酵液中的乙醇。

工作机理：

将芦苇先用蒸汽爆破的方法去除植物细胞壁中的大部分半纤维素，再用氧化钙法去除或破坏细胞壁中的大部分木质素，这两步处理使得原料中的纤维素充分暴露出来，增加酶的可及性，可提高纤维素的酶解效率；在纤维素酶催化纤维素水解时加入表面活性剂吐温-80，可以通过竞争性结合木质素，降低木质素对纤维素酶的吸附作用，从而进一步提高纤维素酶对纤维素的水解效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：

①将蒸汽爆破和氧化钙两种预处理技术组合使用，显著提高了纤维素的降解效率；

②在纤维素酶解时加入表面活性剂吐温-80，进一步提高了纤维素的降解效率；

③以芦苇作为原材料，采用此项组合技术，可以将原料中98%的纤维素转化成葡萄糖；

④此项组合技术用于纤维素乙醇的生产，每公斤芦苇（干重）可生产乙醇190克，乙醇产率高达19%。

附图说明

图1是本方法的步骤图；

图2是采用本方法生产纤维素乙醇的效率坐标图；

横坐标：吐温-80的浓度；纵坐标：纤维素的糖化效率。

图3是水蒸气爆破后的芦苇材料在不加吐温-80和加吐温-80后的生产纤维素乙醇的效率坐标图；

横坐标：吐温-80的浓度；纵坐标：纤维素的糖化效率。

图4是水蒸气爆破后的芦苇材料在不加吐温-80和加吐温-80后的生产纤维素乙醇的效率坐标图；

横坐标：吐温-80的浓度；纵坐标：糖醇转化率率。

缩略语

CaO：氧化钙

H₂SO₄：硫酸十六烷基三甲基溴化铵；

LHW：液体热水；

NaOH：氢氧化钠。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、实验结果比较表

由此看出：采用本方法，并以芦苇为原料，可以高效生产纤维素乙醇。

二、实施例

一）溶液配制

1、样品保存液（CTAB溶液）（步骤②中）

1）CTAB，按质量/体积比： 3%，即3g/100 mL；

2）Tris-HCl，pH=8.0： 100mM；

3）EDTA，pH=8.0： 20 mM；

4）NaCl： 1.4M；

5）PVP-30，按质量/体积比： 1%，即1g/100 mL，灭菌后加入；

6）β-Mercaptoethanol，按体积/体积比： 0.2-0.6%，临用前加入。

配制方法：

A、将前4种组分用超纯水溶解和混合后，将pH调至8.0（1M的NaOH和1M的HCl调节pH），定容，然后置于灭菌瓶中在121℃、0.1Mpa、灭菌20分钟；

B、灭菌后加入1%的PVP-30；

C、使用前加入0.2-0.6% 的β-巯基乙醇。

2、TE缓冲液（步骤⑦中）

1）Tris-HCl，pH=8.0： 10mM；

2）EDTA, NaOH调pH=8.0： 1mM；

灭菌后使用。

3、75%乙醇（步骤⑤中）

75%为乙醇在溶液中所占的体积比，具体配制方法为75毫升无水乙醇加超纯水至总体积100毫升。

二）实验结果

芦苇原料经过水蒸气爆破和氧化钙处理，再用纤维素酶加吐温-80酶解，最佳的吐温浓度是1%。结果见说明书附图2。由图2可知，在加入1%的吐温-80进行纤维素酶解时，纤维素的糖化效率可以达到98%，芦苇原料中几乎全部的纤维素都转化成了可以发酵的葡萄糖。

用不同的方法处理水蒸气爆破后的芦苇材料，然后用纤维素酶加吐温-80酶解，都可以获得极高的纤维素糖化效率。结果见说明书附图3。由图3可知，分别用0.5% H₂SO₄、4%NaOH、5% CaO和液体热水等4种方法处理水蒸气爆破以后的芦苇材料，再用纤维素酶加吐温-80酶解，芦苇材料中纤维素的糖化效率都超过95%。

采用蒸汽爆破处理芦苇原料，将汽爆后的残渣用氧化钙处理，再用纤维素酶加吐温-80酶解，最后进行乙醇发酵，可以获得最高的糖醇转化率，每公斤芦苇（干重）可生产乙醇190克。结果见图4。

Claims (1)

1.一种用芦苇高效生产纤维素乙醇的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将芦苇切碎和加水调节

将芦苇切割成长度约10 cm的片段，加水调节使含水量达到50%；

②水蒸汽爆破预处理

蒸汽压力为2.5 MPa，温度225℃，持续时间3 分钟；

③收集汽爆后残渣

将残渣在55℃干燥48小时，研磨成粉末；

④氧化钙预处理

用5.0%（W/W）氧化钙处理汽爆后的粉末，固液比1：20（W/W），温度50℃，处理时间48小时；

⑤pH值调节

用浓盐酸将溶液的pH值调节到7.0；

⑥纤维素酶解

加入纤维素酶，使得酶解液中纤维素酶的浓度达到2.0g/L，加入吐温-80，使得酶解液中吐温-80的浓度达到1.0%（V/V），固液比1：20，温度50℃，水解时间48小时；

⑦发酵

将纤维素水解后的糖液用于乙醇发酵，每升糖液加入2.0g酿酒酵母（细胞干重），发酵温度37°C，时间48小时；

⑧收集乙醇

用蒸溜法收集发酵液中的乙醇。