CN106701863A - 一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，包括以下步骤：预处理(2)木质纤维素原料(1)；向预处理后的木质纤维素中加入水(3)，调节干物浓度至10～30wt％，并用酸(4)调节pH至4～6，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶(5)和戊糖己糖共发酵菌(6)，于30～50℃下同步酶解发酵(7)96～192小时，制得含乙醇的发酵液；含乙醇的发酵液经提浓(8)得到纯度为99.4％～99.8％的乙醇(9)。本发明所述方法简化了操作步骤，减少了设备数量，降低了生产成本，显著提高了生产效率和乙醇的产量与产率；因此，所述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，以及依据该生产方法而制得的乙醇，均具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，涉及一种生产乙醇的方法，尤其涉及一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法。
背景技术
能源是一个国家经济、科技和国防的支柱产业。然而，石油、煤炭和天然气等化石能源在地球上的储量是有限的，且在使用过程中排放出大量的二氧化碳和二氧化硫等气体而对环境造成危害。因此，开发绿色环保的和可再生的新能源已经迫在眉睫。以秸秆等非粮木质纤维素原料生产燃料乙醇，不仅符合我国“不与粮争地”、“不与人争粮”的燃料乙醇发展原则，也可以保障我国的粮食安全和能源安全，改善大气环境和提高农民收入，因此，以秸秆为原料生产燃料乙醇已成为当今新能源领域研究和开发的重点之一。
天然木质纤维素原料结构中存在许多物理和化学屏障，因此需进行预处理，预处理方法包括机械粉碎、蒸汽爆破、酸法处理、碱法处理、氨处理或螺杆造压瞬间膨化等，其目的是降低木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素这三种物质的聚合度，使得后续步骤能更有效地将纤维素和半纤维素降解为己糖和戊糖。
文献(袁丽婷，玉米秸秆发酵生产乙醇的工艺研究，安徽农业科学，2009，37(3)：922-925)中报道了以玉米秸秆(纤维素含量37.3％，半纤维素含量20.6％)为原料，首先进行稀硫酸预处理，然后进行酶解，再采用己糖发酵菌和戊糖发酵菌的混合菌进行发酵，最终制得的乙醇的产率为0.15g/g(乙醇/玉米秸秆)。由此可见，现有常用的木质纤维素制取乙醇的方法主要包括以下步骤：首先采用酶将纤维素和半纤维素降解为己糖和戊糖，然后再通过发酵菌将戊糖己糖转化为乙醇，这种酶解和发酵分步进行的制备方法可用于生产，并且通常包括酶解、降温、发酵三个必要过程，但存在以下问题：
1)操作过程较多，设备利用率低，生产效率低；
2)在酶解过程中，随着纤维素和半纤维素不断被酶水解，己糖和戊糖的浓度不断升高，而己糖、戊糖对酶活性的反馈抑制作用也不断增强；在发酵过程中，发酵初始时高浓度的己糖和戊糖对微生物的发酵也存在一定抑制作用，从而造成乙醇产量和产率的降低。
现有技术中，存在一系列通过木质纤维素制备乙醇的工艺，例如中国专利申请CN104611381A，CN105624208A，CN103492580A等，但是，它们所提供的技术方案仍旧采用了酶解和发酵分步进行的方式，因而不可避免地仍然保留了上述技术缺陷。
针对此，中国专利申请CN102703522A公开了一种木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵的方法，实现了酶解和发酵同时进行；该方法包括如下步骤：A、制作包埋颗粒；B、填充床反应器的系统安装及包埋颗粒的填充；C、将酵母菌液均匀滴到包埋颗粒表面形成生物膜，包埋颗粒内部反应生成的葡萄糖在厌氧条件下被酵母菌生物膜利用生成乙醇和二氧化碳；D、在反应器的底部通入载气，载气均匀向上流过包埋颗粒填充床，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到集气瓶中，也带走了反应产生的代谢热；该方法采用固态同步糖化发酵方式，使糖化过程产生的葡萄糖很快被酵母菌在厌氧条件下转化为乙醇，在发酵过程中向反应器内通入载气，消除了产物抑制，带走乙醇的同时带走部分代谢热，增加了乙醇的产量。然而，很显然，该方法存在设备装置复杂，操作步骤繁琐，工作效率不够高的技术问题。
又如，中国专利CN101899478A公开了一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，采用先将预处理后的秸秆类木质纤维素原料进行前酶解，然后再加入酿酒酵母进行酶解同步发酵的工艺；然而，该方法包括先行前酶解的操作，待原料中的大部分纤维素转化为小分子的糖之后，再加入一定量的酵母，此时才让酶解和发酵同时进行；可见，本质上，该方法仍旧采用了分步酶解发酵的工艺，即第一步酶解过程是单独实施的，因此，所需要的容器设备的数量与必要的操作步骤并没有因后一步同步酶解发酵而减少。
由此可见，目前亟需提供一种全新的利用木质纤维素生产乙醇的方法，能够在同一容器中且在同一温度下实现同步酶解发酵过程，显著提高乙醇的产率和产量。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷与不足，发明人旨在提供一种能够有效同步酶解发酵过程的乙醇生产工艺。
因此，本发明提供了一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，包括以下步骤：
(1)预处理木质纤维素原料；
(2)向预处理后的木质纤维素中加入水，调节干物浓度至10～30wt％，优选调节干物浓度至15～25wt％，并用酸调节pH至4～6，优选调节pH至4.5～5.5，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，于30～50℃下，优选35～45℃下，同步酶解发酵96～192小时，优选酶解发酵96～144小时，制得含乙醇的发酵液；
(3)含乙醇的发酵液经实施提浓方法得到纯度为99.4％～99.8％的乙醇。
优选地，在上述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法中，步骤(1)中所述的木质纤维素原料选自以下任一种或多种的组合：玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸。
优选地，在上述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法中，步骤(1)中所述的预处理选自以下任一种：酸法处理、碱法处理、氨处理、蒸汽爆破处理和螺杆造压瞬间膨化处理。其中，酸法处理主要指用稀酸处理，例如，采用稀硫酸、稀盐酸、稀磷酸、稀甲酸、稀乙酸等，加热浸泡各种秸秆，以起到破坏纤维结构、消除不利于酶解的物质等作用；类似地，碱法处理是指采用强碱进行处理的工艺，例如，干法碱化秸秆。其中，氨处理与碱法处理类似。其中，蒸汽爆破处理过程主要包括：将秸秆物料与水置于密闭容器中，加热至一定温度并保持压力4MPa左右，维持几分钟，然后突然降压，对秸秆物料进行蒸汽爆破，使得半纤维素和木质素连接层破坏，使纤维素露出更多的活性基团，有利于与酶分子，例如纤维素酶分子等充分接触而发生降解。其中，所述螺杆造压瞬间膨化处理是指，将秸秆与水输入挤压腔内，借助于秸秆与挤压腔中螺套壁及螺杆之间相互挤压、摩擦作用，产生热量和压力(1.5～2.0MPa)，而当秸秆被挤出喷嘴后，压力聚然下降，从而使秸秆体积膨大，同样利于后续的降解过程。
优选地，在上述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法中，步骤(2)中所述的酶为里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶。
优选地，在上述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法中，步骤(2)中所述的戊糖己糖共发酵菌选自以下任一种或多种的组合：树干毕赤酵母、假丝酵母和重组酿酒酵母。
进一步优选地，在上述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法中，所述酶的用量为0.01～0.3g/g纤维素，并且所述戊糖己糖共发酵菌的用量为0.01～10g/L木质纤维素处理液。其中，所述酶的用量指的是各种酶的总量，同理，所述戊糖己糖共发酵菌的用量也是指各种酵母的总量。
更进一步优选地，所述酶的用量为0.10～0.20g/g纤维素，并且所述戊糖己糖共发酵菌的用量为0.5～1g/L木质纤维素处理液。
优选地，在上述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法中，步骤(3)中所述的提浓方法选自以下任一种或多种的组合：精馏、膜分离和分子筛脱水。
众所周知，以木质纤维素制备乙醇的现有常规方法，通常将酶解与发酵过程分开进行，例如分别在两个容器中实施，且往往需要经历酶解、降温、发酵三个过程，主要包括：首先在一个酶解反应器中进行酶解，即将经过预处理的木质纤维素、水、酶等物料混合后进行酶解，通过酶的催化作用将木质纤维素中的纤维素和半纤维素水解为戊糖和己糖，得到酶解液；然后调整温度，由于酶解温度取决于酶的最佳活性温度，而发酵温度由菌种最佳活性温度所确定，并且，两者温度往往不同；酶解温度一般在50℃左右，而发酵温度一般在30℃左右，因此，一般需要从酶解温度降温至发酵所需的温度后才能开始发酵；最后，在另一个发酵反应器中实施发酵过程，通过加入菌种，将酶解得到的主要含戊糖和己糖的溶液发酵生成乙醇。
与此不同，本发明所提供的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法将经步骤(1)得到的预处理后的木质纤维素、水、酶、戊糖己糖共发酵菌同时混合，使得酶解和发酵同步进行，且在同一温度下进行操作。换言之，本发明成功地省去了降温操作，并实现了酶解过程与发酵过程的合并；同时，避免了酶解反应器和发酵反应器的分别设置，本发明所述方法仅需一个或一套酶解发酵同步反应器，即可在一个或一套储罐中完成全部的酶解与发酵过程。
因此，与现有技术相比，本发明所提供的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法具有以下优势：a)本发明所述方法简化了操作步骤，减少了设备数量，因而降低了生产成本，显著提高生产效率；b)本发明所述方法将酶解与发酵同步进行，木质纤维素被酶解而产生的戊糖和己糖可以迅速被戊糖己糖共发酵菌发酵，从而充分转化为乙醇，有效避免了戊糖、己糖浓度的积累，由此减少了戊糖、己糖对酶活性的反馈抑制作用和对戊糖己糖共发酵菌的抑制作用，从而有利于提高乙醇的产量与产率。
综上所述，本发明所述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，以及依据该生产方法而制得的乙醇，均具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法的工艺流程示意图；
其中，1-木质纤维素原料，2-预处理，3-水，4-酸，5-酶，6-戊糖己糖共发酵菌，7-同步酶解发酵，8-提浓，9-乙醇。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施方式。
本发明提供了一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，包括以下步骤：
(1)预处理木质纤维素原料；
(2)向预处理后的木质纤维素中加入水，调节干物浓度至10～30wt％，并用酸调节pH至4～6，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，于30～50℃下同步酶解发酵96～192小时，制得含乙醇的发酵液；
(3)含乙醇的发酵液经实施提浓方法得到纯度为99.4％～99.8％的乙醇。
在一个优选实施例中，步骤(2)为：向预处理后的木质纤维素中加入水，调节干物浓度至15～25wt％，并用酸调节pH至4.5～5.5，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，于35～45℃下同步酶解发酵96～144小时，制得含乙醇的溶液。
在一个优选实施例中，步骤(1)中所述的木质纤维素原料选自以下任一种或多种的组合：玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸。
在一个优选实施例中，步骤(1)中所述的预处理选自以下任一种：酸法处理、碱法处理、氨处理、蒸汽爆破处理和螺杆造压瞬间膨化处理。
在一个优选实施例中，步骤(2)中所述的酶为里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶。
在一个优选实施例中，步骤(2)中所述的戊糖己糖共发酵菌选自以下任一种或多种的组合：树干毕赤酵母、假丝酵母和重组酿酒酵母。
在一个进一步优选的实施例中，所述酶的用量为0.01～0.3g/g纤维素，并且所述戊糖己糖共发酵菌的用量为0.01～10g/L木质纤维素处理液。
在一个更进一步优选的实施例中，所述酶的用量为0.10～0.20g/g纤维素，并且所述戊糖己糖共发酵菌的用量为0.5～1g/L木质纤维素处理液。
在一个优选实施例中，步骤(3)中所述的提浓方法选自以下任一种或多种的组合：精馏、膜分离和分子筛脱水。
实施例1
采用如图1所示的工艺流程制备乙醇。其中，采用玉米秸秆作为木质纤维素原料，具体操作包括：首先，对玉米秸秆进行蒸汽爆破处理，得到的预处理物料的干物含量为39wt％，预处理物料干物中含35wt％的纤维素和18wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至20wt％，并用酸调节pH至5，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，其中，所述酶为里氏木霉所产的酶，用量为0.1g/g纤维素；其中，所述戊糖己糖共发酵菌为树干毕赤酵母和假丝酵母(重量比1:1)，总用量为0.8g/L木质纤维素处理液；在40℃下同步酶解发酵120小时，制得含乙醇的发酵液；最后，精馏提浓所述含乙醇的发酵液，制得47g纯度为99.5％的乙醇。
对比例1
首先，对玉米秸秆进行蒸汽爆破处理，得到的预处理物料的干物含量为39wt％，预处理物料干物中含35wt％的纤维素和18wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至20wt％，并用酸调节pH至5，得木质纤维素处理液；然后，加入里氏木霉所产的酶，用量为0.1g/g纤维素，在50℃下，酶解停留72小时；接着，将物料转移至另一个容器中，自然降温至30℃，加入树干毕赤酵母和假丝酵母(重量比1:1)，总用量为0.8g/L木质纤维素处理液，在30℃和pH＝5条件下，发酵停留48小时，制得含乙醇的发酵液；最后，在与实施例1相同精馏条件下精馏提浓所述含乙醇的发酵液，制得41g纯度为99.5％的乙醇。
实施例2
采用如图1所示的工艺流程制备乙醇。其中，采用麦秸秆作为木质纤维素原料，具体操作包括：首先，对麦秸秆进行酸法处理，得到的预处理物料的干物含量为41wt％，预处理物料干物中含35wt％的纤维素和21wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至15wt％，并用酸调节pH至4.8，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，其中，所述酶为黑曲霉所产的酶，用量为0.1g/g纤维素；其中，所述戊糖己糖共发酵菌为树干毕赤酵母，用量为0.5g/L木质纤维素处理液；在35℃下同步酶解发酵144小时，制得含乙醇的发酵液；最后，膜分离提浓所述含乙醇的发酵液，制得41g纯度为99.5％的乙醇。
对比例2
首先，对麦秸秆进行酸法处理，得到的预处理物料的干物含量为41wt％，预处理物料干物中含35wt％的纤维素和21wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至15wt％，并用酸调节pH至4.8，得木质纤维素酸性液；然后，加入黑曲霉所产的酶，用量为0.1g/g纤维素，在48℃下，酶解停留72小时；接着，将物料转移至另一个容器中，自然降温至32℃，加入毕赤酵母，用量为0.5g/L木质纤维素处理液，在32℃和pH＝4.8条件下，发酵停留72小时，制得含乙醇的发酵液；最后，在与实施例2相同的膜分离条件下膜分离提浓所述含乙醇的发酵液，制得36g纯度为99.5％的乙醇。
实施例3
采用如图1所示的工艺流程制备乙醇。其中，采用稻秸秆作为木质纤维素原料，具体操作包括：首先，对稻秸秆进行氨处理，得到的预处理物料的干物含量为36wt％，预处理物料干物中含32wt％的纤维素和18wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至22wt％，并用酸调节pH至5.2，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，其中，所述酶为里氏木霉和黑曲霉所产的酶(重量比3:2)，总用量为0.13g/g纤维素；其中，所述戊糖己糖共发酵菌为重组酿酒酵母，用量为1g/L木质纤维素处理液；在38℃下同步酶解发酵96小时，制得含乙醇的发酵液；最后，采用分子筛脱水提浓所述含乙醇的发酵液，制得40g纯度为99.7％的乙醇。
对比例3
首先，对稻秸秆进行氨处理，得到的预处理物料的干物含量为36wt％，预处理物料干物中含32wt％的纤维素和18wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至22wt％，并用酸调节pH至5.2，得木质纤维素处理液；然后，加入里氏木霉和黑曲霉所产的酶(重量比3:2)，总用量为0.13g/g纤维素，在52℃下，酶解停留48小时；接着，将物料转移至另一个容器中，自然降温至28℃，加入重组酿酒酵母，用量为1g/L木质纤维素处理液，在28℃和pH＝5.2条件下，发酵停留48小时，制得含乙醇的发酵液；最后，在与实施例3相同的分子筛脱水条件下提浓所述含乙醇的发酵液，制得35g纯度为99.6％的乙醇。
实施例4
采用如图1所示的工艺流程制备乙醇。其中，采用芦苇作为木质纤维素原料，具体操作包括：首先，对芦苇进行碱法处理，得到的预处理物料的干物含量为36wt％，预处理物料干物中含33wt％的纤维素和14wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至21wt％，并用酸调节pH至5.1，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，其中，所述酶为里氏木霉和黑曲霉所产的酶(重量比1:2)，总用量为0.11g/g纤维素；其中，所述戊糖己糖共发酵菌为重组酿酒酵母和假丝酵母(重量比3:1)，总用量为0.9g/L木质纤维素处理液；在36℃下同步酶解发酵108小时，制得含乙醇的发酵液；最后，精馏提浓所述含乙醇的发酵液，制得38g纯度为99.8％的乙醇。
对比例4
首先，对芦苇进行碱法处理，得到的预处理物料的干物含量为36wt％，预处理物料干物中含33wt％的纤维素和14wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至21wt％，并用酸调节pH至5.1，得木质纤维素处理液；然后，加入里氏木霉和黑曲霉所产的酶(重量比1:2)，总用量为0.11g/g纤维素，在55℃下，酶解停留48小时；接着，将物料转移至另一个容器中，自然降温至28℃，加入重组酿酒酵母和假丝酵母(重量比3:1)，总用量为0.9g/L木质纤维素处理液，在28℃和pH＝5.1条件下，发酵停留60小时，制得含乙醇的发酵液；最后，在与实施例4相同精馏条件下精馏提浓所述含乙醇的发酵液，制得34g纯度为99.6％的乙醇。
实施例5
采用如图1所示的工艺流程制备乙醇。其中，采用豆秸作为木质纤维素原料，具体操作包括：首先，对豆秸进行螺杆造压瞬间膨化处理，得到的预处理物料的干物含量为36wt％，预处理物料干物中含29wt％的纤维素和20wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至19wt％，并用酸调节pH至4.9，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，其中，所述酶为里氏木霉和黑曲霉所产的酶(重量比1:1)，总用量为0.14g/g纤维素；其中，所述戊糖己糖共发酵菌为假丝酵母，用量为0.8g/L木质纤维素处理液；在39℃下同步酶解发酵132小时，制得含乙醇的发酵液；最后，膜分离提浓所述含乙醇的发酵液，制得37g纯度为99.5％的乙醇。
对比例5
首先，对豆秸进行螺杆造压瞬间膨化处理，得到的预处理物料的干物含量为36wt％，预处理物料干物中含29wt％的纤维素和20wt％的半纤维素；接着，取上述预处理物料200g，加水调节干物浓度至19wt％，并用酸调节pH至4.9，得木质纤维素发酵液；然后，加入里氏木霉和黑曲霉所产的酶(重量比1:1)，总用量为0.14g/g纤维素，在53℃下，酶解停留48小时；接着，将物料转移至另一个容器中，自然降温至32℃，加入假丝酵母，用量为0.8g/L木质纤维素处理液，在32℃和pH＝5.2条件下，发酵停留84小时，制得含乙醇的发酵液；最后，在与实施例5相同的膜分离条件下膜分离提浓所述含乙醇的发酵液，制得32g纯度为99.5％的乙醇。
由此可见，上述实施例1～5与各自相对应的对比例1～5的原料种类相同、预处理物料的干物含量相同、预处理物料用量相同、pH相同、总停留时间相同等(酶解+发酵)、酶的种类和用量相同、戊糖己糖共发酵菌的种类和用量相同；据此，发明人进一步评价了各实施例与各对比例对乙醇产量的影响，对比数据见下表1：
表1实施例与对比例所得乙醇产量的比较
比较表1中数据可知，实施例1～5所制得的乙醇的产量整体高于对比例1～5所制得的乙醇的产量，由于均取相同的预处理物料200g作为酶解前的物料，可知实施例1～5所提供的制备方法获得的乙醇产率亦高于对比例1～5所述已知方法获得的乙醇产率。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (7)
1.一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预处理木质纤维素原料；
(2)向预处理后的木质纤维素中加入水，调节干物浓度至10～30wt％，并用酸调节pH至4～6，得木质纤维素处理液；然后，同时加入酶和戊糖己糖共发酵菌，于30～50℃下同步酶解发酵96～192小时，制得含乙醇的发酵液；
(3)含乙醇的发酵液经实施提浓方法得到纯度为99.4％～99.8％的乙醇。
2.根据权利要求1所述的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的木质纤维素原料选自以下任一种或多种的组合：玉米秸秆、稻秸秆、麦秸秆、芦苇和豆秸。
3.根据权利要求1所述的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的预处理选自以下任一种：酸法处理、碱法处理、氨处理、蒸汽爆破处理和螺杆造压瞬间膨化处理。
4.根据权利要求1所述的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的酶为里氏木霉和/或黑曲霉所产的酶。
5.根据权利要求1所述的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的戊糖己糖共发酵菌选自以下任一种或多种的组合：树干毕赤酵母、假丝酵母和重组酿酒酵母。
6.根据权利要求4或5所述的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，所述酶的用量为0.01～0.3g/g纤维素，并且所述戊糖己糖共发酵菌的用量为0.01～10g/L木质纤维素处理液。
7.根据权利要求1所述的以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的提浓方法选自以下任一种或多种的组合：精馏、膜分离和分子筛脱水。
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Citations (5)
| 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 |
| CN103103220A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-05-15 | 首都师范大学 | 以汽爆法处理的木质纤维素为原料的同步糖化和乙醇发酵法 |
| CN104593448A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-05-06 | 山东龙力生物科技股份有限公司 | 一种利用木质纤维素生物质生产乙醇的方法 |
| CN104846034A (zh) * | 2015-05-14 | 2015-08-19 | 天津大学 | 提高纤维素酶回收再用制备生物乙醇的方法 |
| CN105579586A (zh) * | 2013-09-26 | 2016-05-11 | 纳幕尔杜邦公司 | 在纤维素发酵过程中生产乙醇和再循环水 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103103220A (zh) * | 2013-01-18 | 2013-05-15 | 首都师范大学 | 以汽爆法处理的木质纤维素为原料的同步糖化和乙醇发酵法 |
| 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 |
| CN105579586A (zh) * | 2013-09-26 | 2016-05-11 | 纳幕尔杜邦公司 | 在纤维素发酵过程中生产乙醇和再循环水 |
| CN104593448A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-05-06 | 山东龙力生物科技股份有限公司 | 一种利用木质纤维素生物质生产乙醇的方法 |
| CN104846034A (zh) * | 2015-05-14 | 2015-08-19 | 天津大学 | 提高纤维素酶回收再用制备生物乙醇的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 张宁等: "木质纤维生物质同步糖化发酵（SSF）生产乙醇的研究进展", 《化工进展》 * |
| 江泽慧等著: "《中国林业工程》", 31 May 2002, 济南出版社 * |
| 罗鹏等: "蒸汽爆破麦草同步糖化发酵转化乙醇的研究", 《化学工程》 * |
| 钱特尔·伯杰龙等: "《生物炼制产品与技术》", 31 January 2013 * |
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