CN106967757A - 一种纤维素乙醇的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素乙醇的制备方法，其中，该方法包含以下步骤：（1）将纤维素原料进行爆破预处理，得到初步降解并适于生物质转化的物料；（2）将糖蜜与步骤（1）得到的物料混合，调节pH至3.5‑4.5，然后进行酶解处理，得到醪液；（3）将步骤（2）得到的醪液调节pH至4‑5，然后加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第6‑10小时，加入里氏木霉，发酵到第10‑16小时，加入酿酒酵母，再继续发酵30~48小时，获得含纤维素乙醇的物料，从中分离得到乙醇。本发明提供的纤维素乙醇的生产方法能有效资源化利用纤维素和糖蜜生产乙醇，提高五碳糖利用程度，降低原料的用量，且能显著降低生产成本和环境污染。

Description

一种纤维素乙醇的制备方法
技术领域
本发明涉及生物化工、发酵工程与生物质能源领域，具体地说是一种纤维素乙醇的制备方法。
背景技术
随着能源危机和情况污染问题日益突出，世界能源成长正步进一个崭新的时期，即世界能源结构正在履历由化石能源为主向可再生能源为主的变化。纤维素乙醇因被看成最好液体替换燃料并具有生态效益而成为工业生物技术的研究热门。
在中国，燃料乙醇的主要原料是玉米、小麦等农作物。随着燃料乙醇的快速成长，原料问题日益突出，成为制约燃料乙醇成长的瓶颈；另外，以食粮作物为原料的燃料乙醇工业还可能引发国家食粮安全问题。我国政府提倡生物乙醇坚持非粮之路，即“不与人争粮，不与粮争地”。木质纤维素是地球上最丰硕的可再生资本，中国木质纤维素每年产量在7亿吨左右。广西种植的甘蔗、木薯、香蕉秆就含有丰富的纤维素，这些农作物加工后剩余的纤维素部分，除少量能用于造纸外，绝大部分被烧掉或废弃，这不仅造成资源浪费，还严重污染环境。因此，如果能将这些纤维素通过生物质转化、通过工程技术充分进行综合利用，将显著提高其经济价值和环保价值。
糖蜜是制糖工程的主要副产物之一，其总糖含量达45%-50%。由于价格低廉，糖蜜在化工、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。此利用方式虽然工艺简单，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，但存在成品酒精不适于远距离运输销售等问题，这限制了糖蜜在酒精厂的消化量。
纤维素制备乙醇是世界范围内的研究热点，以大量廉价的纤维素为底物制备乙醇是未来发展的趋势。但目前该领域还有诸多尚未能够很好解决的关键技术瓶颈，致使纤维素乙醇的成本较高，无法与淀粉质原料乙醇相媲美。因此，如何有效开发利用纤维素制备乙醇和糖蜜资源化利用技术是研究的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备成本低，乙醇得率高的利用纤维素和糖蜜制备高浓度乙醇的方法，实现纤维素和糖蜜资源的综合利用，本发明能够显著提高企业的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。该技术与现有技术相比，采用的原料来源广，可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，制备成本低，还可大大降低副产物甘油浓度，提高五碳糖利用程度。
本发明是这样实现的：
一种纤维素乙醇的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）将纤维素原料进行爆破预处理，得到初步降解并适于生物质转化的物料。
（2）将糖蜜与步骤（1）得到的物料混合，调节pH至3.5-4.5，然后进行酶解处理，得到醪液；所使用的酶包括：纤维素酶、半纤维素酶、普鲁兰酶、果胶酶一种或一种以上的混合酶，所述糖蜜的锤度为35°Bx-65°Bxx，温度40-60℃；酶解时间为50-90小时，酶的添加量为物料重量的0.1‰~0.5‰；
纤维素酶、半纤维素酶、普鲁兰酶、果胶酶可以从微生物中心直接买来就可以使用。
（3）将步骤（2）得到的醪液调节pH至4-5，然后加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第6-10小时，加入里氏木霉，发酵到第10-16小时，加入酿酒酵母，再继续发酵30~48小时，获得含纤维素乙醇的物料，从中分离得到乙醇。
酵母菌、里氏木霉可以从微生物中心直接买来就可以使用。
所述方法还包括：通过添加碱剂使酶解过程中的pH与初始pH保持一致。
上述在步骤（3）中，所述碱剂为固体氢氧化钠或氢氧化钾。
上述在步骤（3）中，将所述醪液调节pH至4-5。
上述在步骤（3）中，所述能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌、里氏木霉、酿酒酵母的添加量分别为醪液底物质量的5%~12%，发酵温度为26-34℃，时间为24-72小时。
所述纤维素原料包括高粱、香蕉秆、树枝、木屑、林业作业边角料、秸秆、树叶中的至少一种。
所述纤维素原料爆破预处理条件包括：将纤维素原料破碎成5~25mm长短后与酸液混合均匀，自然pH，在190~250℃下爆破3~10min，得到初步降解并适于生物质转化的物料。
在传统的纤维素乙醇制备过程中，通过爆破对原料进行预处理时，首先需要将原料pH调至1-2，该过程通常使用的酸化物质为盐酸或硫酸，预处理后的原料还需使用NaOH等碱剂调节pH。然而由于酶水解过程中会消耗大量的碱，一方面导致酶水解过程中pH波动幅度较大，从而加大了酶水解过程稳定性的控制难度，另一方面，过多使用酸碱会引发制备成本上升、后续处理环保压力变大等问题。在本发明所述的方法中，爆破后的原料与糖蜜混合，糖蜜除了能调节pH外还能为利用木糖发酵的酵母提供生长必须的生长因子、营养元素、微量元素等物质，为纤维素乙醇发酵提供更快的发酵速度。糖蜜中含有多元弱酸性物质，这些物质为发酵过程中pH的稳定提供有利条件，从而使酶解过程中pH不会大幅波动，降低酶解过程稳定性的控制难度。而且糖蜜还能够为后续里氏木霉、酿酒酵母菌提供氮源，省去添加氮源辅料的工序，既简化了加工工序，又节约了制备成本。
此外，在本发明所述的方法中，加入里氏木霉能够进一步将未完全降解的纤维素降解成木糖等物质。之所以先加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌是因为这类酵母菌利用碳源的启动速度较慢，如果先加入里氏木霉或酿酒酵母，则能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌的生长繁殖受到显著抑制，极端条件下甚至可能出现经过连续多代培养后能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌消亡的现象，这不利于纤维素乙醇的制备，将导致纤维素乙醇产量显著下降。本发明中先加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌，经6~10小时发酵后使之形成菌群优势，此时再加入里氏木霉或酿酒酵母既能够实现有效利用木糖等物质产生乙醇的目的，又能够缩短整个纤维素乙醇的制备周期。
本发明提供的纤维素乙醇的制备方法在保证纤维素乙醇的产量的同时，能够显著降低制备成本，缩短生产周期，降低环境污染。
上述中，所述纤维素原料进行爆破预处理的目的是将纤维素原料转化成纤维素或半纤维素，得到适于生物质转化的物料。因此，本领域常规使用的能够实现上述纤维素原料预处理目的的方法均适用于本发明。通常来说，所述纤维素原料爆破预处理方法包括：将纤维素原料破碎成5~25mm长短后与酸液混合均匀，更优选为5~10mm，自然pH，在190~250℃下爆破3~10min，更优选为4~8min，得到初步降解并适于生物质转化的物料。所述酸液可以包括硫酸、盐酸、磷酸、硝酸中的一种或一种以上的混合酸。
在本发明中，所述混合物料进行酶解处理的目的是将适于生物质转化的物料转化为可发酵性糖。因此，本领域常规使用的能够实现本发明酶解处理目的方法均适用于本发明。具体地，酶解步骤可以包括：将经预处理得到的含水物料与糖蜜进行混合，待物料混合均匀，pH达到3.5-4.5后再添加酶，进行多阶段酶解，所述多阶段酶解包括连续进行的主酶解阶段以及主酶解阶段后的间歇酶解阶段，在主酶解阶段向酶解容器内连续投入经预处理得到的含水物料以及酶，然后使经过该主酶解阶段得到的酶解产物分别连续流入后续阶段的酶解容器中进行间歇酶解，最终得到醪液。
所述的酶解步骤中使用的酶可以包括：纤维素酶、半纤维素酶、普鲁兰酶、果胶酶一种或一种以上的混合酶。本领域技术人员应当理解的是，适宜的pH条件对于纤维素乙醇的制备是非常重要的。本发明中，为了获得较高的纤维素乙醇产量，需要将预处理后的物料与糖蜜混合，并把pH调节到3.5-4.5，更优选调节至4.0-4.2。
在本发明中，所述酶解处理的条件没有特别的限定，本领域常规使用的酶解条件均适用于本发明。优选的，所述酶解处理条件包括：温度40-60℃，更优选为45-48℃；时间为50-90小时，更优选为64-76小时。所述酶解处理中酶的添加量为物料重量的0.1‰~0.5‰，更优选为0.2‰~0.3‰。
在本发明中，所述醪液进行发酵处理的目的是将经酶解处理得到的可发酵性糖转化为乙醇。因此，本领域常规使用的能够实现本发明发酵处理目的的方法均适用于本发明。具体地，先将能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第6-10小时，加入里氏木霉，发酵到第10-16小时，加入酿酒酵母，再继续发酵30~48小时，获得纤维素乙醇。所述发酵步骤的微生物可以包括：安琪酿酒酵母、啤酒酵母、共发酵酵母（可利用五碳糖和六碳糖的一种基因改良酵母）、运动单胞菌、C5酵母（能够利用木糖产生乙醇的一种酵母）中的至少一种。所述能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌、里氏木霉、酿酒酵母的添加量为底物质量的5%~12%，更优选为10%。
在本发明中，为保证各类酵母的正常代谢，pH应保持稳定，且应考虑所使用的pH调节试剂对后续环保处理负荷的影响。因此，本领域常规使用的能够实现pH调节目的的方法均适用于本发明。具体地，本发明所述调节pH的碱剂可以包括：氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙中的至少一种。优选地，所述pH调节选用调节试剂为固体氢氧化钠或氢氧化钾。
在本发明中，所述的酵母发酵过程条件可以选择适于微生物生长的条件，例如所述发酵条件可以包括：温度为26-34℃，时间为24-72小时。在此温度范围内，酵母生长及活力最优。
在本发明中，所述纤维素原料没有特别的限定，本领域常规使用的各种纤维素原料均适用于本发明。例如，所述纤维素原料可以包括：高粱、香蕉秆、树枝、木屑、林业作业边角料、秸秆、树叶中的至少一种。
在本发明中，所述糖蜜没有特别的限定，本领域常规使用的各种浓度糖蜜均适用于本发明。具体地，所述糖蜜的锤度为35°Bx-65°Bx，优选为40°Bx-45°Bx。
与现有技术（单一发酵法）比较，本发明的优点：
1、通过使用糖蜜调节pH节省大量碱剂的使用，产品生产成本降低。
2、本发明中使用的糖蜜除了能调节pH外，还能为利用木糖发酵的酵母提供生长必须的生长因子、营养元素、微量元素等物质，为纤维素乙醇发酵提供更快的发酵速度，产品生产周期缩短。且使用糖蜜调节pH减少了碱剂的使用，降低了后续环保处理的负荷。
3、糖蜜中含有多元弱酸性物质，这些物质为发酵过程中pH的稳定提供有利条件，从而使酶解过程中pH不会大幅波动，降低酶解过程稳定性的控制难度。
4、本发明中使用的糖蜜为后续里氏木霉、酿酒酵母菌提供氮源，省去添加氮源辅料的工序，简化加工工序。
5、加入里氏木霉能够进一步将未完全降解的纤维素降解成木糖等物质，为后续加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌提供了更多底物，从而增加乙醇产率。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
将香蕉秆粉碎成5mm长短后与酸液混合均匀，自然pH，在190℃下爆破10min进行酸化爆破，从而获得初步降解并适于生物质转化的物料。将65°Bx与初步降解并适于生物质转化的物料混合并调节pH至3.5，然后加入酶并混合均匀，60℃酶解50小时得到醪液。将醪液pH调节到4，加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第10小时，加入里氏木霉，发酵到第16小时，加入酿酒酵母，再继续发酵48小时，获得含纤维素乙醇的物料，从中分离得到乙醇。能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌、里氏木霉、酿酒酵母的添加量为底物质量的5%。结果见表1。
实施例2
将香蕉秆粉碎成10mm长短后与酸液混合均匀，自然pH，在210℃下爆破7min进行酸化爆破，从而获得初步降解并适于生物质转化的物料。将42°Bx与初步降解并适于生物质转化的物料混合并调节pH至4.0，然后加入酶并混合均匀，47℃酶解67小时得到醪液。将醪液pH调节到4.5，加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第6小时，加入里氏木霉，发酵到第12小时，加入酿酒酵母，再继续发酵40小时，获得含纤维素乙醇的物料，从中分离得到乙醇。能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌、里氏木霉、酿酒酵母的添加量为底物质量的10%。结果见表1。
实施例3
将香蕉秆粉碎成25mm长短后与酸液混合均匀，自然pH，在250℃下爆破3min进行酸化爆破，从而获得初步降解并适于生物质转化的物料。将35°Bx与初步降解并适于生物质转化的物料混合并调节pH至4.5，然后加入酶并混合均匀，40℃酶解90小时得到醪液。将醪液pH调节到5，加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第6小时，加入里氏木霉，发酵到第10小时，加入酿酒酵母，再继续发酵30小时，获得含纤维素乙醇的物料，从中分离得到乙醇。能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌、里氏木霉、酿酒酵母的添加量为底物质量的12%。结果见表1。
对比例1
根据实施例1的方法制备纤维素乙醇，所不同的是，所述初步降解并适于生物质转化的物料不与糖蜜混合，整个制备过程也不加入糖蜜。结果见表1。
对比例2
根据实施例2的方法制备纤维素乙醇，所不同的是，整个醪液发酵过程中不加入里氏木霉。结果见表1。
注：表1中碱剂用量指固体碱剂的量。
从表1中实施例1-3与对比例1可以看出：采用本发明技术方案，在保证纤维素乙醇产量的同时，碱剂用量降低，氮源添加工作量降低，后续环保处理负荷降低，微生物发酵周期缩短，制备成本降低。
从表1中实施例1-3与对比例2可以看出：采用本发明技术方案，在保证纤维素乙醇产量的同时，乙醇产率提高，碱剂用量降低，制备成本降低。

Claims (7)

1.一种纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将纤维素原料进行爆破预处理，得到初步降解并适于生物质转化的物料；
（2）将糖蜜与步骤（1）得到的物料混合，调节pH至3.5-4.5，然后进行酶解处理，得到醪液；所使用的酶包括：纤维素酶、半纤维素酶、普鲁兰酶、果胶酶一种或一种以上的混合酶，所述糖蜜的锤度为35°Bx-65°Bxx，温度40-60℃；酶解时间为50-90小时，酶的添加量为物料重量的0.1‰~0.5‰；
（3）将步骤（2）得到的醪液调节pH至4-5，然后加入能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌进行发酵，发酵到第6-10小时，加入里氏木霉，发酵到第10-16小时，加入酿酒酵母，再继续发酵30~48小时，获得含纤维素乙醇的物料，从中分离得到乙醇。
2.根据权利要求1所述的纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：通过添加碱剂使酶解过程中的pH与初始pH保持一致。
3.根据权利要求1所述的纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述碱剂为固体氢氧化钠或氢氧化钾。
4.根据权利要求1所述的纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，将所述醪液调节pH至4-5。
5.根据权利要求1所述的纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述能够利用木糖发酵出乙醇的酵母菌、里氏木霉、酿酒酵母的添加量分别为醪液底物质量的5%~12%，发酵温度为26-34℃，时间为24-72小时。
6.根据权利要求1所述的纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，所述纤维素原料包括高粱、香蕉秆、树枝、木屑、林业作业边角料、秸秆、树叶中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，所述纤维素原料爆破预处理条件包括：将纤维素原料破碎成5~25mm长短后与酸液混合均匀，自然pH，在190~250℃下爆破3~10min，得到初步降解并适于生物质转化的物料。
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