CN106086085A - 利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法 - Google Patents

利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，包括蔗渣预处理、蔗渣纤维素酶水解糖化、甘蔗糖蜜预处理和蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵步骤。采用双酶糖化蔗渣纤维素和吸附固定材料将酵母菌株固定起来进行乙醇发酵，不仅可以增加酵母菌株密度，而且可以反复循环使用，减少酵母增殖消耗的糖分，提高了发酵强度和产物产率，乙醇得率93.5%，实现蔗渣和糖蜜资源的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。

Description

利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法
技术领域
本发明属于生物化工、发酵工程与生物质能源领域，特别是涉及一种利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产高浓度乙醇的方法。
背景技术
蔗渣是甘蔗糖厂最大量的副产物，其产率为加工甘蔗量的24%-27%。我国是世界第三甘蔗种植大国，在南方地区蔗渣的产量达到7000 kt/a。蔗渣是一种丰富的可再生生物质资源，其主要成分为纤维素、半纤维素以及木质素等天然高分子物质。其中半纤维素主要是以木糖、阿拉伯糖聚合而成的木聚糖，而纤维素则是葡萄糖的聚合物。目前这些蔗渣除少量用于造纸外，绝大部分被烧掉或废弃，不仅造成资源浪费，还严重污染环境。因此，如果能从甘蔗渣中提取出优质的纤维素应用于工业生产将会产生巨大的经济效益和生态效。蔗渣可以蔗渣除部分用作造纸外，大部分作为废弃物或作为锅炉燃料，利用率不高。若能通过生物质转化利用工程技术将蔗渣进行充分的综合利用，将显著提高其经济价值和环保价值。乙醇是来自生物质资源的最有发展前景的液态燃料。以蔗渣为原料生产燃料乙醇首先要实现纤维素和半纤维素的水解。目前，半纤维素水解研究已进入成熟阶段，但纤维素因其结构特性以及水解过程中产物对水解反应强烈的反馈抑制作用，水解比较困难。虽然人们对甘蔗渣的综合利用做了大量的研究，但对于纤维素提取工艺方面的研究却较少。甘蔗渣中纤维素和木质素与半纤维素紧密地交织在一起，很难进行分离，而木质素和半纤维素的存在又会破坏纤维素的加工性能。因此，如何在保持甘蔗渣纤维素提取量的基础上，尽量脱除木质素和半纤维素成为纤维素工业上一个重要而紧迫的问题。
糖蜜是制糖工业的副产物，其总糖含量可达45%-50%，同时亦含有大量的胶体物质。由于其价格低廉，在化工、轻工、食品、医药和建材行业中有很大的开发价值。目前，国内外对糖蜜的利用主要分两类：一是直接利用，也就是糖蜜经过简单处理或不处理，直接作为原料或辅料加以利用，例如作饲料添加剂或混凝土外加剂。此途径虽然工艺简单，但糖蜜的价值难以被完全发掘。二是深度利用，即从中提取有效成分，或作为发酵原料生产高附加值的发酵制品和生物制品，如焦糖色、酒精、乳酸等。目前国内糖蜜主要用于生产酒精，但其生产过程中排放出的废水和废渣不易处理，成品酒精不适于远距离运输销售等问题，严重限制了糖蜜在酒精厂的消化量。
燃料乙醇作为一种优良的生物质液体燃料，是目前世界范围内研发的热点，以量大价廉的木质纤维素原料为底物发酵生产燃料乙醇是未来的发展趋势。但目前尚有诸多的关键技术瓶颈尚待攻克，致使纤维乙醇的生产成本还比较高，无法与淀粉质原料乙醇相媲美。目前一致的观点认为，只有当发酵醪液中的乙醇浓度≥4%，采用蒸馏浓缩工艺生产乙醇才经济上合算。而蔗渣等木质纤维素原料由于其浸润性较差，在水解糖化过程中底物浓度不能太高，否则会造成搅拌上的困难。但底物浓度过低，发酵醪液中的乙醇浓度就很难超过4%，进而也会引起乙醇蒸馏浓缩成本的大幅上升。所以，如何有效开发利用蔗渣和甘蔗糖蜜资源化利用技术，一直是甘蔗糖业界面临的难题，也是制约我国甘蔗糖业发展的关键技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产成本低，乙醇得率高的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产高浓度乙醇的方法，实现蔗渣和糖蜜资源的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。
本发明是这样实现的：
一种利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤 ：
（1）蔗渣预处理：将蔗渣用粉碎机粉粹、过20-40目筛网，将粉粹后的蔗渣浸入氯化铁和氢氧化钠的混合溶液中处理，固液比为1:10-20，蔗渣在常温下浸泡20-25小时；再加热升温至130℃-140℃蒸煮8-12小时，反应结束后的蔗渣用水洗至洗液呈中性，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成蔗渣预处理；
（2）蔗渣纤维素酶水解糖化：将预处理后的纤维状浆料置于反应罐中，按照固液比为1:25-30加入柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，调节pH＝4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，在30℃-45℃温度下水解糖化50-80小时，即得到甘蔗纤维素水解液，备用；
（3）甘蔗糖蜜预处理：在甘蔗糖蜜中加入澄清剂，甘蔗糖蜜与澄清剂的体积比为5-7:1，静置沉降，待澄清剂沉淀完全，用3000rpm离心机分离，取上清液与水按照体积比1:0.5进行混合稀释，再用质量浓度为10%-15%的稀硫酸调节甘蔗糖蜜稀释液pH至3.0，在95-100℃条件下保温5分钟，静置12-15小时后取上清液；用质量浓度为15%的石灰乳回调上清液pH至6.0，在40℃条件下保温10分钟，4000rpm离心，取上清液，备用；
（4）蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵：将吸附固定材料固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，按照甘蔗纤维素水解液体积比0.5%-2%添加基础营养液，吸附固定材料充分吸涨后，按甘蔗纤维素水解液体积比5-10%的接种量接种酵母种子液，然后控制发酵温度为30-40℃，发酵12-24h后再按照甘蔗纤维素水解液体积10%-15%的比例添加预处理后的甘蔗糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
进一步，所述氯化铁和氢氧化钠混合溶液中碳酸钠的浓度为70-75g/L，氢氧化钠的浓度为20-25g/L。
进一步，所述纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.5-2.0g/L。
进一步，所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为6-7:3-4。
进一步，所述纤维素酶的制备方法为：在温度为25-35℃、pH=4.0-5.0的条件下，用里氏木霉作为宿主细胞分泌纤维素酶，其中，以烟草废弃物作为碳源，豆饼粉为氮源，培养时间为6-10小时，通气量0.4-1.0vvm，搅拌速度为200-500转/分钟。
进一步，所述木聚糖酶的制备方法为：以木聚糖酶生产菌株中挑选出黑曲霉诱变株作为生产菌株，在曲盘发酵培养基上进行固态发酵，获得发酵曲料后对发酵曲料用缓冲液进行提取，获得木聚糖酶液；所述曲盘发酵培养基的组成为：曲盘装100g基料，(NH4)2SO4 0.5-1.5g，蛋白胨 0.5-1g，KH2PO4 0.3-0.4g，CaCl2 0.2-0.3g，ZnCl2 0.1-0.2g，MgSO4 0.1-0.2g，Fe2(SO4)3 0.02-0.08g，吐温40 0.4-0.8 g，自来水120-140mL，其中基料的组成为麸皮50-80 g，玉米芯 10-40g，豆饼粉10-20g。
进一步，所述澄清剂为乙酸锌和亚铁氰化钾的混合溶液，乙酸锌溶液质量分数为10%-11%，亚铁氰化钾的浓度为20-22g/L。
进一步，所述步骤（4）中的基础营养液各成分配比为：添加量g/L计算：(NH4)2SO4 2g/L，MnSO4 0.1g/L，酵母粉2g/L，玉米浆20g/L，K2HPO4 0.2g/L，CaCO3 0.2g/L。
进一步，所述吸附固定材料为富含网状结构的植物纤维、富含网状结构的人造纤维或金属网状材料。
本发明突出的实质性特点和显著的进步是：
1、本发明采用蔗渣和甘蔗糖蜜混合生产乙醇，生产成本低，乙醇得率高，发酵成熟醪液的乙醇体积分数为13.5%，乙醇得率93.5%，实现蔗渣和糖蜜资源的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。
2、本发明采用纤维素酶和木聚糖酶对蔗渣混合物进行双酶糖化，能够极大的减小产物的抑制作用以及产物的进一步降解，不仅提高了酶解得率，使得蔗渣的酶解效率得到较大提高，减少了酶的消耗，降低了生产成本。
3、本发明蔗渣预处理能够使得半纤维素和木质素成分的完全分离，纤维素含量从50%增加到80%以上，蔗渣纤维素表面呈现很多有序而清晰的空隙和凹孔，降低了纤维素的结晶度，提高了纤维素对酶的可及度。
4、本发明预处理混合溶液中添加氯化铁溶液预处理原料，能有效地破坏木素与碳水化合物间的醚健，脱除蔗渣中的半纤维素，半纤维素脱除率可高达95%，并使预处理后蔗渣纤维素酶解率高达90%，实现蔗渣纤维素充分水解，提高蔗渣生物质资源的综合利用率。
5、本发明通过对甘蔗糖蜜预处理，一方面可除掉糖蜜中不利于微生物生长代谢的胶体、重金属、亚硝酸盐等杂质，另一方面可促使糖蜜中的蔗糖转化为易于被微生物利用的葡萄糖、果糖等单糖。
6、本发明采用吸附固定材料将酵母菌株固定起来进行乙醇发酵，不仅可以增加酵母菌株密度，而且可以反复循环使用，减少酵母增殖消耗的糖分，提高了发酵强度和产物产率。
具体实施方式
实施例1
本实施例所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产高浓度乙醇的方法，主要包括以下步骤：
（1）蔗渣预处理：将蔗渣用粉碎机粉粹、过20-40目筛网，将粉粹后的蔗渣浸入氯化铁和氢氧化钠的混合溶液中处理，固液比为1:10，蔗渣在常温下浸泡20小时；再加热升温至130℃-蒸煮8小时，反应结束后的蔗渣用水洗至洗液呈中性，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成蔗渣预处理；
（2）蔗渣纤维素酶水解糖化：将预处理后的纤维状浆料置于反应罐中，按照固液比为1:25加入柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，调节pH＝4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.5g/L，在30℃温度下水解糖化50-80小时，即得到甘蔗纤维素水解液，备用；
（3）甘蔗糖蜜预处理：在甘蔗糖蜜中加入澄清剂，甘蔗糖蜜与澄清剂的体积比为5:1，静置沉降，待澄清剂沉淀完全，用3000rpm离心机分离，取上清液与水按照体积比1:0.5进行混合稀释，再用质量浓度为10%-15%的稀硫酸调节甘蔗糖蜜稀释液pH至3.0，在95-100℃条件下保温5分钟，静置12-15小时后取上清液；用质量浓度为15%的石灰乳回调上清液pH至6.0，在40℃条件下保温10分钟，4000rpm离心，取上清液，备用；
（4）蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵：将富含网状结构的植物纤维固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，富含网状结构的植物纤维充分吸涨后，按甘蔗纤维素水解液体积比5-10%的接种量接种酵母种子液，然后控制发酵温度为30℃，发酵12h后再按照甘蔗纤维素水解液体积10%-15%的比例添加预处理后的甘蔗糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
实施例2
本实施例所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产高浓度乙醇的方法，主要包括以下步骤：
（1）蔗渣预处理：将蔗渣用粉碎机粉粹、过20-40目筛网，将粉粹后的蔗渣浸入氯化铁和氢氧化钠的混合溶液中处理，固液比为1:15，蔗渣在常温下浸泡22小时；再加热升温至135℃蒸煮10小时，反应结束后的蔗渣用水洗至洗液呈中性，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成蔗渣预处理；
（2）蔗渣纤维素酶水解糖化：将预处理后的纤维状浆料置于反应罐中，按照固液比为1:26加入柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，调节pH＝4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.6g/L，在35℃温度下水解糖化50-80小时，即得到甘蔗纤维素水解液，备用；
（3）甘蔗糖蜜预处理：在甘蔗糖蜜中加入澄清剂，甘蔗糖蜜与澄清剂的体积比为6:1，静置沉降，待澄清剂沉淀完全，用3000rpm离心机分离，取上清液与水按照体积比1:0.5进行混合稀释，再用质量浓度为10%-15%的稀硫酸调节甘蔗糖蜜稀释液pH至3.0，在95-100℃条件下保温5分钟，静置12-15小时后取上清液；用质量浓度为15%的石灰乳回调上清液pH至6.0，在40℃条件下保温10分钟，4000rpm离心，取上清液，备用；
（4）蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵：将富含网状结构的人造纤维固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，富含网状结构的人造纤维充分吸涨后，按甘蔗纤维素水解液体积比5-10%的接种量接种酵母种子液，然后控制发酵温度为35℃，发酵15h后再按照甘蔗纤维素水解液体积10%-15%的比例添加预处理后的甘蔗糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
实施例3
本实施例所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产高浓度乙醇的方法，主要包括以下步骤：
（1）蔗渣预处理：将蔗渣用粉碎机粉粹、过20-40目筛网，将粉粹后的蔗渣浸入氯化铁和氢氧化钠的混合溶液中处理，固液比为1:18，蔗渣在常温下浸泡24小时；再加热升温至138℃蒸煮11小时，反应结束后的蔗渣用水洗至洗液呈中性，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成蔗渣预处理；
（2）蔗渣纤维素酶水解糖化：将预处理后的纤维状浆料置于反应罐中，按照固液比为1:28加入柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，调节pH＝4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.8g/L，在40℃温度下水解糖化50-80小时，即得到甘蔗纤维素水解液，备用；
（3）甘蔗糖蜜预处理：在甘蔗糖蜜中加入澄清剂，甘蔗糖蜜与澄清剂的体积比为6:1，静置沉降，待澄清剂沉淀完全，用3000rpm离心机分离，取上清液与水按照体积比1:0.5进行混合稀释，再用质量浓度为10%-15%的稀硫酸调节甘蔗糖蜜稀释液pH至3.0，在95-100℃条件下保温5分钟，静置12-15小时后取上清液；用质量浓度为15%的石灰乳回调上清液pH至6.0，在40℃条件下保温10分钟，4000rpm离心，取上清液，备用；
（4）蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵：将金属网状材料固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，金属网状材料充分吸涨后，按甘蔗纤维素水解液体积比5-10%的接种量接种酵母种子液，然后控制发酵温度为38℃，发酵20h后再按照甘蔗纤维素水解液体积10%-15%的比例添加预处理后的甘蔗糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
实施例4
本实施例所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产高浓度乙醇的方法，主要包括以下步骤：
（1）蔗渣预处理：将蔗渣用粉碎机粉粹、过20-40目筛网，将粉粹后的蔗渣浸入氯化铁和氢氧化钠的混合溶液中处理，固液比为1:20，蔗渣在常温下浸泡25小时；再加热升温至140℃蒸煮12小时，反应结束后的蔗渣用水洗至洗液呈中性，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成蔗渣预处理；
（2）蔗渣纤维素酶水解糖化：将预处理后的纤维状浆料置于反应罐中，按照固液比为1:30加入柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，调节pH＝4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为2.0g/L，在45℃温度下水解糖化50-80小时，即得到甘蔗纤维素水解液，备用；
（3）甘蔗糖蜜预处理：在甘蔗糖蜜中加入澄清剂，甘蔗糖蜜与澄清剂的体积比为7:1，静置沉降，待澄清剂沉淀完全，用3000rpm离心机分离，取上清液与水按照体积比1:0.5进行混合稀释，再用质量浓度为10%-15%的稀硫酸调节甘蔗糖蜜稀释液pH至3.0，在95-100℃条件下保温5分钟，静置12-15小时后取上清液；用质量浓度为15%的石灰乳回调上清液pH至6.0，在40℃条件下保温10分钟，4000rpm离心，取上清液，备用；
（4）蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵：将富含网状结构的植物纤维固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，富含网状结构的植物纤维充分吸涨后，按甘蔗纤维素水解液体积比5-10%的接种量接种酵母种子液，然后控制发酵温度为40℃，发酵24h后再按照甘蔗纤维素水解液体积10%-15%的比例添加预处理后的甘蔗糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。

Claims (8)

1.一种利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤 ：
（1）蔗渣预处理：将蔗渣用粉碎机粉粹、过20-40目筛网，将粉粹后的蔗渣浸入氯化铁和氢氧化钠的混合溶液中处理，固液比为1:10-20，蔗渣在常温下浸泡20-25小时；再加热升温至130℃-140℃蒸煮8-12小时，反应结束后的蔗渣用水洗至洗液呈中性，再用磨浆机疏解成纤维状浆料，即完成蔗渣预处理；
（2）蔗渣纤维素酶水解糖化：将预处理后的纤维状浆料置于反应罐中，按照固液比为1:25-30加入柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，调节pH＝4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，在30℃-45℃温度下水解糖化50-80小时，即得到甘蔗纤维素水解液，备用；
（3）甘蔗糖蜜预处理：在甘蔗糖蜜中加入澄清剂，甘蔗糖蜜与澄清剂的体积比为5-7:1，静置沉降，待澄清剂沉淀完全，用3000rpm离心机分离，取上清液与水按照体积比1:0.5进行混合稀释，再用质量浓度为10%-15%的稀硫酸调节甘蔗糖蜜稀释液pH至3.0，在95-100℃条件下保温5分钟，静置12-15小时后取上清液；用质量浓度为15%的石灰乳回调上清液pH至6.0，在40℃条件下保温10分钟，4000rpm离心，取上清液，备用；
（4）蔗渣纤维素水解液和甘蔗糖蜜混合发酵：将吸附固定材料固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，吸附固定材料充分吸涨后，按甘蔗纤维素水解液体积比5-10%的接种量接种酵母种子液，然后控制发酵温度为30-40℃，发酵12-24h后再按照甘蔗纤维素水解液体积10%-15%的比例添加预处理后的甘蔗糖蜜进行混合发酵，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
2.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述氯化铁和氢氧化钠混合溶液中碳酸钠的浓度为70-75g/L，氢氧化钠的浓度为20-25g/L。
3.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.5-2.0g/L。
4.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述纤维素酶的制备方法为：在温度为25-35℃、pH=4.0-5.0的条件下，用里氏木霉作为宿主细胞分泌纤维素酶，其中，以烟草废弃物作为碳源，豆饼粉为氮源，培养时间为6-10小时，通气量0.4-1.0vvm，搅拌速度为200-500转/分钟。
5.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述木聚糖酶的制备方法为：以木聚糖酶生产菌株中挑选出黑曲霉诱变株作为生产菌株，在曲盘发酵培养基上进行固态发酵，获得发酵曲料后对发酵曲料用缓冲液进行提取，获得木聚糖酶液；所述曲盘发酵培养基的组成为：曲盘装100g基料，(NH4)2SO4 0.5-1.5g，蛋白胨0.5-1g，KH2PO4 0.3-0.4g，CaCl2 0.2-0.3g，ZnCl2 0.1-0.2g，MgSO4 0.1-0.2g，Fe2(SO4)3 0.02-0.08g，吐温40 0.4-0.8 g，自来水120-140mL，其中基料的组成为麸皮50-80 g，玉米芯 10-40g，豆饼粉10-20g。
6.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述澄清剂为乙酸锌和亚铁氰化钾的混合溶液，乙酸锌溶液质量分数为10%-11%，亚铁氰化钾的浓度为20-22g/L。
7.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的基础营养液各成分配比为：添加量g/L计算：(NH4)2SO4 2g/L，MnSO4 0.1g/L，酵母粉2g/L，玉米浆20g/L，K2HPO4 0.2g/L，CaCO3 0.2g/L。
8.根据权利要求1所述的利用蔗渣纤维素和甘蔗糖蜜生产乙醇的方法，其特征在于：所述吸附固定材料为富含网状结构的植物纤维、富含网状结构的人造纤维或金属网状材料。
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