CN106167812A - 利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法 - Google Patents

利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，包括：采用畜禽粪便为原料，依次经过预处理、纤维素酶水解、微生物发酵、蒸馏工序生产制得燃料乙醇。本发明以畜禽粪便为原料，可以大量、低成本地生产燃料乙醇，提高乙醇发酵率，降低乙醇的生产成本，并且生产工艺简单，产值高，同时采用的发酵菌株葡萄糖利用效率和乙醇产率高。

Description

利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种生产燃料乙醇的工艺方法，尤其涉及一种利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，属于工业生物技术领域。
背景技术
随着集约化养殖业的大力发展，畜禽粪便以牛粪为例，牛粪处理已成为政府和奶牛业主头痛的问题。每头成年奶牛每天所排泄的鲜粪是40-50公斤，一个千头奶牛场每天排出鲜牛粪为30-40吨，一年排出鲜牛粪高达10000吨。随着农村劳动力的转移，目前农作物肥料施用已由有机肥为主转变为化肥占主导地位，加之畜禽粪便的长期均衡产出与农业生产的季节性用肥的矛盾, 使得大量畜禽粪便和养殖污水不能被土地及时消纳，导致畜禽粪便被随意堆放丢弃, 造成了严重的环境污染问题, 也制约了畜禽养殖业的进一步发展。牛粪含有氮、磷及粪渣等有害物质，如果直接排放到河流水域, 会引发大面积水域富营养化，使得蓝藻等有毒有害藻类大量繁殖，畜禽粪便污染已成为重要水源地及江、河、湖泊污染和富营养化的主要原因。能否有效地解决畜禽粪便的污染问题, 已成为关系到畜禽养殖业能否实现可持续发展的重要问题, 也是关系到全国水环境安全的重要问题。
目前牛粪资源化利用的方法主要包括沼气发酵及有机肥等。沼气发酵是解决牛粪污染的有效途径，但由于厌氧消化自身的特点，牛粪中的氮、磷等并未得到有效消减，同时产生大量沼液，容易形成二次污染问题。同时牛粪便中含有大量的钠盐和钾盐，如果直接用于农田，过量的钠和钾通过反聚作用而造成某些土壤的微孔减少, 使土壤的通透性降低，破坏土壤结构。
现在已有的利用生物质资源生产燃料乙醇的原料有淀粉类原料、糖质类原料和薯类原料等。上述诸类原料生产燃料乙醇存在如下缺点：一、淀粉类原料生产燃料乙醇，一般采用玉米、小麦、薯类等粮食作物或非粮作物等为原料，易受耕地和产量限制，同时我国已禁止采用粮食作物生产燃料乙醇，限制了淀粉类原料的能源化利用。二、糖质类生产燃料乙醇，主要采用甘蔗、甜菜和甜高粱等，种植成本较高，且区域性较为明显，如甘蔗主要适用于我国南方地区，甜菜和甜高粱主要适用于北方地区。这些能源作物均需要大量的耕地方能满足燃料乙醇规模化生产需求。三、由于这些原料氮含量较低，因此乙醇发酵过程需要额外添加大量的氮源，增加了乙醇生产成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有畜禽粪便传统利用方法及燃料乙醇生产原料的缺点，提供一种利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法。本发明以畜禽粪便为原料，可以大量、低成本地生产燃料乙醇，提高乙醇发酵率，降低乙醇的生产成本，并且生产工艺简单，产值高，同时采用的发酵菌株葡萄糖利用效率和乙醇产率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：采用畜禽粪便为原料，依次经过预处理、纤维素酶水解、微生物发酵、蒸馏工序生产制得燃料乙醇。
所述预处理为：采用纤维素生物质预处理方法对畜禽粪便进行预处理，纤维素生物质预处理方法包括NaOH、硫酸、磷酸、蒸汽爆破、微波、超声波及离子液体等预处理。
所述预处理采用NaOH溶液，具体包括如下步骤：
a、将畜禽粪便在130—150℃的1—2% NaOH溶液中，在90 -120 rpm的转速下处理3-6小时，畜禽粪便与NaOH溶液的固液体积比为1：9—11；
b、固液分离，收集沉淀；
c、水洗沉淀，得到预处理畜禽粪便。
所述纤维素酶水解为：将预处理后的畜禽粪便加入pH4.8、0.05—0.15M柠檬酸钠缓冲液中，再加入2.0%-4. 0%的纤维素酶在40—50℃，110—130 rpm的条件下处理48-72小时，获得水解液。
所述微生物发酵为：向水解液中接种乙醇发酵菌株，进行乙醇发酵得到发酵液。
所述乙醇发酵菌株包括运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888、酿酒酵母、大肠杆菌等。
所述微生物发酵采用运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888时，向水解液中接种运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888，在25—35℃下静置发酵至少24小时。
所述蒸馏为：将发酵液经蒸馏得到燃料乙醇。
所述畜禽粪便包括牛粪、猪粪、鸡粪等畜禽粪便。
采用本发明的优点在于：
本发明采用牛粪等畜禽粪便为原料，原料易收集，且价格低廉，不需要额外添加碳源及氮源，可以大量、低成本地生产燃料乙醇，降低乙醇的生产成本，生产工艺简单，产值高。同时也可利用畜禽粪为原料生产乳酸、丁二酸等其它生物基化学品。
本发明可使燃料乙醇生产成本显著降低，不仅为大量而廉价地生产乙醇提供新的原料来源，也为牛粪等畜禽粪便的资源化利用提供新的途径。
附图说明
图1 为实施例2中NaOH浓度对牛粪预处理还原糖得率的影响
图2为实施例2中处理时间对牛粪预处理还原糖得率的影响
图3为实施例2中处理温度对牛粪预处理还原糖得率的影响
图4 为实施例3中酶用量对纤维素酶水解还原糖得率的影响
图5为实施例3中底物浓度对纤维素酶水解还原糖得率的影响
图6为实施例3中酶解时间对纤维素酶水解还原糖得率的影响
图7为实施例4中水解液不同发酵时间的葡萄糖消耗情况及乙醇生产情况分析
图8为实施例4中RM对照组不同发酵时间的葡萄糖消耗情况及乙醇生产情况分析。
具体实施方式
实施例1 牛粪组分分析
本工艺方法所使用的原料包括牛粪。样品经自然干燥后，粉碎过20-80目筛，贮存于-20°C备用。组分分析样品按NREL-LAP001制备，按标准方法分别测定不同原料的纤维素、半纤维素、木质素组分含量，其组分测定结果如表1所示。
表1 牛粪组分分析
实施例2 牛粪NaOH预处理
取105℃过夜烘干的牛粪按照1:10的固液比，向6组水热反应釜中加入5g牛粪，每组水热反应釜中分别加入浓度为1%，2%，4%，6%，8%，10%的NaOH溶液50ml，搅拌均匀，将水热反应釜至于烘箱中，120℃条件下处理2h，处理结束后转移至离心管中，4500rpm离心5min进行固液分离，利用3,5-二硝基水杨酸（DNS）比色法测定上清液中还原糖浓度，以还原糖得率为指标确定NaOH预处理浓度；另外进行6组，在水热反应釜中加入5g牛粪，加入4%的NaOH溶液50ml，120℃条件下分别处理0.5h，1h，2h，4h，6h，8h，处理结束后进行固液分离和还原糖测定，利用DNS法测定上清液还原糖浓度，以还原糖得率为指标确定NaOH预处理时间；再设置6组，于水热反应釜中加入5g牛粪和4%的NaOH溶液50ml，分别在90℃，100℃，110℃，120℃，130℃，140℃条件下处理4h，处理结束后同样进行固液分离和还原糖测定，以还原糖得率为指标确定NaOH预处理温度，各组单因素实验均重复三次。根据Box-Behnken设计原则选取牛粪预处理各实验因素对还原糖得率有明显影响效果的三个实验水平，利用响应曲面法对牛粪预处理的NaOH浓度，处理时间和温度进行优化，通过Design-Expert软件拟合出NaOH浓度，处理时间和温度的回归方程，确定出最佳的牛粪NaOH预处理条件。
实施例3预处理牛粪纤维素酶水解
取最佳预处理条件下105℃烘干的牛粪0.3g于100ml三角瓶中，加入pH4.8、0.05M柠檬酸钠缓冲液30ml，纤维素酶添加量分别为30μl，40μl，50μl，60μl，70μl，80μl，在50℃，120rpm条件下处理48h，处理结束后将三角瓶至于100℃水浴中灭酶活终止反应，将水解液转移至50ml离心管中，4500rpm离心3min，DNS法测定上清液中还原糖浓度，以还原糖得率为指标确定最佳纤维素酶水解酶用量。另取预处理牛粪0.3g，0.6g，0.9g，1.2g，1.5g，1.8g于100ml三角瓶中，加入pH4.8、0.05M柠檬酸钠缓冲液30ml，纤维素酶添加量为50μl，在50℃，120 rpm条件下处理48h，处理结束后将三角瓶至于100℃水浴中灭酶活终止反应，将水解液转移至50ml离心管中，4500rpm离心3min，DNS发测定上清液中还原糖浓度，以还原糖得率为指标确定最佳纤维素酶水解底物浓度。再取预处理牛粪0.3g于100ml三角瓶中，加入pH4.8、0.05M柠檬酸钠缓冲液30ml，纤维素酶添加量为50μl，在50℃，120rpm条件下处理108h，每隔12h进行取样，处理结束后将三角瓶至于100℃水浴中灭酶活终止反应，将水解液转移至50ml离心管中，4500rpm离心3min，DNS发测定上清液中还原糖浓度，以还原糖得率为指标确定最佳纤维素酶处理时间。各组单因素实验均重复三次。
实施例4 乙醇发酵
将保藏编号为CGMCC No. 11888的运动发酵单胞菌在RM培养基中过夜活化后，接种10%于过滤除菌后的牛粪水解液和RM培养基中，以RM培养基对照，RM培养基中含有20g/L葡萄糖，10g/L酵母膏，2g/L KH2PO4，1g/L (NH4)2SO4和1g/L MgSO47H2O，于30℃条件下静止培养72小时，发酵24小时后每隔12小时进行取样。利用紫外分光光度计在600 nm处测定其生长情况，利用HPLC测定不同发酵时间的葡萄糖消耗情况及乙醇生产情况。结果如表2所示。
表2 牛粪水解液及RM葡萄糖消耗情况及乙醇生产情况
从表2数据可以看出，利用牛粪水解液进行乙醇发酵，不需要额外添加氮源，具有较快的生长速率、较高葡萄糖利用速率及较高的乙醇产率。
实施例5
一种利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，采用畜禽粪便为原料，依次经过预处理、纤维素酶水解、微生物发酵、蒸馏工序生产制得燃料乙醇。
所述预处理为：采用纤维素生物质预处理方法对畜禽粪便进行预处理，纤维素生物质预处理方法包括NaOH、硫酸、磷酸、蒸汽爆破、微波、超声波及离子液体等预处理。
所述预处理采用NaOH溶液，具体包括如下步骤：
a、将畜禽粪便在130—150℃的1—2% NaOH溶液中，在90 -120 rpm的转速下处理3-6小时，畜禽粪便与NaOH溶液的固液体积比为1：9—11；
b、固液分离，收集沉淀；
c、水洗沉淀，得到预处理畜禽粪便。
所述纤维素酶水解为：将预处理后的畜禽粪便加入pH4.8、0.05—0.15M柠檬酸钠缓冲液中，再加入2.0%-4. 0%的纤维素酶在40—50℃，110—130 rpm的条件下处理48-72小时，获得水解液。
所述微生物发酵为：向水解液中接种乙醇发酵菌株，进行乙醇发酵得到发酵液。
所述乙醇发酵菌株包括运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888、酿酒酵母、大肠杆菌等。
所述微生物发酵采用运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888时，向水解液中接种运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888，在25—35℃下静置发酵至少24小时。
所述蒸馏为：将发酵液经蒸馏得到燃料乙醇。
所述畜禽粪便包括牛粪、猪粪、鸡粪等畜禽粪便。
牛粪等畜禽粪便含有丰富的纤维素资源，同时还含有氮、氨、磷、镁、钾、纳等微生物生长必须的营养条件。以牛粪为例，牛粪中纤维素含量为26.59%，半纤维素含量为11.27%，总氮含量3.0%，氨氮含量0.44%，钾含量1.24%，镁含量0.966%，钠含量0.243%，钙含量2.41%（Bioresource Technology, 2005, 96:491-499）。因为含有较为丰富的碳源和氮源，是一种理想的乙醇发酵原料。因此，本发明解决了牛粪传统利用方法及燃料乙醇生产原料的缺点，既能生产燃料乙醇，又能为妥善处理牛粪开辟新的途径。
实施例6
本发明的最佳实施方式为利用牛粪为原料生产燃料乙醇的方法，其中，该方法包括如下步骤：（1）将牛粪在140℃的1.34% NaOH溶液中，在90rpm的转速下处理3小时，得到预处理牛粪。（2）将预处理牛粪加入pH4.8、0.05 M柠檬酸钠缓冲液中，再加入2.0%的纤维素酶在48℃，120 rpm的条件下处理48小时，获得水解液。（3）向所述水解液中接种耐盐运动发酵单胞菌发酵菌种，进行发酵，得到发酵液；（3）从所述发酵液经蒸馏，获得燃料乙醇。
其中，所述运动发酵单胞菌的发酵条件没有特别的要求，可以为常规的各种用于制备乙醇的发酵条件。
其中，所述发酵液蒸馏条件没有特别的要求，可以为常规的各种用于乙醇的蒸馏条件。
所述预处理包括：a、将牛粪在140℃的1.34% NaOH溶液中，在90rpm的转速下处理3小时，牛粪与NaOH溶液的固液体积比为1：10；b、固液分离，收集沉淀；c、水洗沉淀，得到预处理牛粪。
所述纤维素酶解为，将预处理牛粪加入pH4.8、0.05M柠檬酸钠缓冲液中，再加入2.0%的纤维素酶在48℃，120 rpm的条件下处理48小时，获得水解液。
所述乙醇发酵为，接种运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888，在30℃下静置发酵24小时制得燃料乙醇。
所述菌株来源于实验室模式运动发酵单胞菌ZM4，通过TN5转座子随机突变技术及BioScreening C高通量筛选，最终获得一株具有高盐耐受性的运动发酵单胞菌菌株ZMT2。该菌株分类命名为运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis），其保藏编号为CGMCC No.11888，保藏日期为2015年12月17日，保藏单位为中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址位于北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。
实施例7
本实施例与上述实施例基本相同，主要区别如下：
本实施例采用猪粪为原料，其预处理采用NaOH溶液，具体包括如下步骤：
a、将猪粪在150℃的2% NaOH溶液中，在120 rpm的转速下处理6小时，猪粪与NaOH溶液的固液体积比为1：11；
b、固液分离，收集沉淀；
c、水洗沉淀，得到预处理猪粪。
所述纤维素酶水解为：将预处理后的猪粪加入pH4.8、0.15M柠檬酸钠缓冲液中，再加入4. 0%的纤维素酶在50℃，130 rpm的条件下处理72小时，获得水解液。
所述微生物发酵采用运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888时，向水解液中接种运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888，在35℃下静置发酵至少24小时。
实施例8
本实施例与上述实施例基本相同，主要区别如下：
本实施例采用鸡粪为原料，所述预处理采用NaOH溶液时，具体包括如下步骤：
a、将鸡粪在130℃的1% NaOH溶液中，在100 rpm的转速下处理4小时，鸡粪与NaOH溶液的固液体积比为1：9；
b、固液分离，收集沉淀；
c、水洗沉淀，得到预处理鸡粪。
所述纤维素酶水解为：将预处理后的鸡粪加入pH4.8、0.1M柠檬酸钠缓冲液中，再加入3.0%的纤维素酶在48℃，120 rpm的条件下处理60小时，获得水解液。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：采用畜禽粪便为原料，依次经过预处理、纤维素酶水解、微生物发酵、蒸馏工序生产制得燃料乙醇。
2.根据权利要求1所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述预处理为：采用纤维素生物质预处理方法对畜禽粪便进行预处理，纤维素生物质预处理方法包括NaOH、硫酸、磷酸、蒸汽爆破、微波、超声波及离子液体预处理。
3.根据权利要求1或2所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述预处理采用NaOH溶液，具体包括如下步骤：
a、将畜禽粪便在130—150℃的1—2% NaOH溶液中，在90 -120 rpm的转速下处理3-6小时，畜禽粪便与NaOH溶液的固液体积比为1：9—11；
b、固液分离，收集沉淀；
c、水洗沉淀，得到预处理畜禽粪便。
4.根据权利要求3所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述纤维素酶水解为：将预处理后的畜禽粪便加入pH4.8、0.05—0.15M柠檬酸钠缓冲液中，再加入2.0%-4. 0%的纤维素酶在40—50℃，110—130 rpm的条件下处理48-72小时，获得水解液。
5.根据权利要求4所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述微生物发酵为：向水解液中接种乙醇发酵菌株，进行乙醇发酵得到发酵液。
6.根据权利要求5所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述乙醇发酵菌株包括运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888、酿酒酵母、大肠杆菌。
7.根据权利要求7所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述微生物发酵采用运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888时，向水解液中接种运动发酵单胞菌菌株CGMCC No. 11888，在25—35℃下静置发酵至少24小时。
8.根据权利要求4、5、6或7所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述蒸馏为：将发酵液经蒸馏得到燃料乙醇。
9.根据权利要求4、5、6或7所述的利用畜禽粪便生产燃料乙醇的方法，其特征在于：所述畜禽粪便包括牛粪、猪粪、鸡粪类畜禽粪便。
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