CN107629825A

CN107629825A - 蔗渣发酵合成的醇基燃料的制备方法

Info

Publication number: CN107629825A
Application number: CN201710877328.5A
Authority: CN
Inventors: 刘峥; 王浩; 韩佳星; 温殿庆; 张淑芬
Original assignee: Guilin University of Technology
Current assignee: Guilin University of Technology
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-01-26

Abstract

本发明公开了一种蔗渣发酵合成的醇基燃料的制备方法。原料由含丁醇组分的发酵溶液、甲醇、正己醇、仲辛醇、油酸，以及助燃剂二茂铁组成，由蔗渣通过发酵合成醇基燃料组份（主要是丁醇），以及添加进醇基燃料的配制方法，利用生物质发酵生产正丁醇并应用于醇基燃料中。本发明生物质利用率高，环保卫生，经济效益良好，对于提高生物质的综合利用率和降低醇基燃料的成本具有重要意义。

Description

蔗渣发酵合成的醇基燃料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种醇基液体燃料领域，特别是一种蔗渣发酵合成的醇基燃料的制备方法。

背景技术

当今世界对石油、煤炭和天然气等不可再生能源的需求日益增加。70年代的石油危机引起了世界各国对能源短缺问题的普遍关注。按照现在的开采速度，目前世界探明的石油贮量最多可供使用40～50年。而在中国，如果按照目前的开采速度已探明的石油贮量至多可用30年。为了缓解石油危机，人们将目光转向了生物丁醇，以可再生生物质能代替化石工艺路线。生物丁醇是一种非常重要的精细化工原料，也是一种新型的可再生能源。生物丁醇具有高能量、低挥发性、污染少、可混合性等优点，它可以取代乙醇作为一种可再生的燃料。目前正丁醇绝大部分都通过石油工艺路线合成，伴随着石油能源的枯竭，生物丁醇越来越受到重视，很多研究团队己将生物丁醇作为一种替代生物燃料进行研究。随着丁醇高薪技术研发的突破与应用，我国丁醇发展前景将十分广阔。

目前利用生物质发酵生产正丁醇主要有淀粉质、糖质和木质纤维素类等原料。木薯作为淀粉质原料，市场价格较小麦、玉米等粮食类原料相对低廉，对各种恶劣环境抵抗力强，能够在贫瘠土壤顽强生长，产量高，鲜木薯的淀粉质量分数可达到30％。Li等采用固定化连续发酵模式，以木薯淀粉为底物协同发酵生产丁醇，获得丁醇及总溶剂产量分别为6.66g/L与13.39g/L。除此以外，芭蕉芋及西米淀粉等种植成本同样低廉，产量高，也可作生物丁醇发酵的廉价原料。另外，果聚糖是自然界含量丰富的碳水化合物资源之一，是在蔗糖和淀粉之后的第三大储藏碳水化合物，因此菊芋、大丽花及菊首等果糖基非粮食作物极具开发潜力，Chen等对C.acetobutylicum L7发酵菊芋汁水解液生产丁醇进行了初步研究，在发酵优化条件下，丁醇产量可达到11.21g/L。此外，生物柴油工业副产物粗甘油、合成气及生物质微藻等原料也可作为丁醇代谢合成的发酵底物。木质纤维素原料来源主要包括稻草秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯及多种农作物残渣，这些原料水解液中的糖成分主要是由戊糖和己糖组成的混合糖体系，同时半纤维素水解液中的糠醛对于菌种发酵具有不同的抑制作用。事实上，随着近年来大量对生物质能源的不断深入研究，木质纤维素类原料彰显出其重要的市场经济价值及能源战略地位，得到国内外生物丁醇研究领域的极大关注。麦麸水解液经过C.beijerinckii ATCC 55025发酵72h得丙酮和丁醇的产量分别为2.2，8.8g/L。稻谷糠壳也被用来发酵产正丁醇，得到总溶剂可达14.62g/L。胡金峰利用甘蔗渣发酵制丁醇，当预处理蔗渣酶解底物浓度为5％时，酶水解液最多能发酵产生13g/L丁醇。木质纤维资源的丰富性、廉价性、普遍性以及可再生性等优点，使得利用木质纤维生产正丁醇成为了生物能源研究的热点。但因为某些原料木质素含量高、酶解糖化成本高、预处理复杂等原因，导致目前工业化生产正丁醇还存在困难。为了降低生物丁醇的生产成本，可以从以下方面入手：使用廉价的非粮食原料，加大对生物质原料预处理和发酵条件的研究，提高纤维素转化率和葡萄糖利用率，选育高产丁醇菌株，降低产物分离成本，提高正丁醇生产效益。

面对石化能源枯竭，醇基燃料是最有潜力的新型替代能源。醇基燃料一般性的定义是以醇类(甲醇、乙醇等)为主要原料，按特定工艺配方，经化学勾兑合成。作为众所周知的清洁燃料，醇基燃料近年来发展较快。醇基燃料和液化气、柴油、煤油等液态燃料相比，具有很大的经济优势。热效率高就是醇基燃料的最佳特点，其低价、安全、方便，目前的醇基燃料的优势已引起业内的重视。绿色环保是醇基燃料的另一大特点。和煤、煤焦油、重油、柴油、汽油等传统液态燃料相比，醇基燃料燃烧是最完全彻底，它的热转换效率最高，排放是水与二氧化碳为主，是未来最清洁、最环保、最有发展潜力的燃料。经济价值也是我们在使用醇基燃料的时候所能够明显感受到的。因为醇基燃料的制作原料的来源广、造价低，所以说在成本方面是能够得到更低的控制的，从而为我们带来了更加实用的应用价值。1997年，国家计委交通能源司、国家农业部环保能源司、国家经贸委资源综合利用司等国家有关部门联合发文要求各地推广利用。尤其在2005年后，由于原油价格急剧上涨，醇基燃料作为新型能源，以其低成本的显著优势，获得了世界各国的广泛关注和支持，产能大规模提高，技术发展十分迅速。醇基液体燃料作为民用燃料、餐饮业燃料和茶炉、锅炉用燃料的开发利用是根据中国市场需要而出现的新事物，亦是农村能源和城镇建设的组成部分。近年来随着人民生活水平的提高，优质燃料的需求量正在大幅度上升。醇基燃料以优异的品质替代柴油、液化气应用在餐饮业领域内中餐灶、茶炉、小锅炉等，将对减少城市污染，降低餐饮业成本，提高燃料利用率和使用的安全性，改善能源供应紧张，推动我国民用燃料的技术进步，满足社会对清洁能源的需求具有重要意义。

蔗渣是制糖产业中提取蔗汁之后的纤维残渣，属于制糖工业固体废弃物，是一种重要的可再生资源。本发明以蔗渣为原料，预处理后通过纤维素酶水解生成葡萄糖，然后利用丙酮丁醇梭菌发酵生产出正丁醇。浓缩发酵液除杂后，将其添加进醇基燃料中，制得了一种新型的醇基燃料。

发明内容

本发明的目的是提供一种由蔗渣通过发酵合成醇基燃料组份(主要是丁醇)，以及添加进醇基燃料的配制方法。利用生物质发酵生产正丁醇并应用于醇基燃料中，生物质利用率高，环保卫生，经济效益良好。

具体步骤为：

(1)蔗渣预处理：蔗渣预处理的主要目的是破坏木质素与纤维素、半纤维素分子间相互缠绕的键，使后续纤维素水解更容易。首先将蔗渣打磨成粉，称取20.0g蔗渣粉于1000mL圆底烧瓶中，加水300mL和无水乙酸1.5mL，放入转子，在磁力搅拌下，充分混匀，装好冷凝回流装置，在油浴锅中进行预处理，预处理升温时间60分钟，保温时间90分钟，保温温度100℃，反应结束后，冷却，抽滤，将滤渣自然风干，获得预处理后的蔗渣粉；

(2)纤维素酶水解：纤维素酶水解的目的是在纤维素酶的作用下，将预处理过的蔗渣粉中的纤维素水解成葡萄糖，再将处理浓缩后的水解液当作培养基的碳源。称取7g步骤(1)所得蔗渣粉，放入250mL锥形瓶中，并用玻棒将其均匀铺平，加入45mL(pH＝4.8，0.1mol/L醋酸-醋酸钠)缓冲液，轻轻摇匀使之浸润原料，添加0.014g纤维素酶和48mL蒸馏水，用橡皮塞封好，并置于50℃/150rpm的恒温振荡器中反应，反应完成后抽滤并用旋转蒸发仪将滤液浓缩，然后在常温下用活性炭吸附滤液中的杂质，并离心取上清液，即为蔗渣水解液；

(3)菌种活化：把丙酮丁醇梭菌冻干粉管割裂，用0.3～0.5mL培养无菌水溶解冻干粉，然后接种到两个培养皿上，用涂布棒涂均匀，并迅速放进厌氧培养箱中，最后剪开厌氧产气袋和厌氧指示剂放入厌氧培养箱，将厌氧培养箱放入培养箱中37℃培养三天，获得活化培养好的丙酮丁醇梭菌；

(4)发酵方法：发酵的目的是通过丙酮丁醇梭菌发酵生成正丁醇。将步骤(2)所得蔗渣水解液作为培养基的碳源，然后用接种环把步骤(3)所得丙酮丁醇梭菌放入培养基，在厌氧培养箱中发酵96小时，获得含丁醇组分的发酵溶液；

(5)醇基燃料的配制：取体积分数为15的步骤(4)所得含丁醇组分的发酵溶液，加入体积分数为5的正己醇、仲辛醇和油酸混合液(正己醇、仲辛醇和油酸的体积比为1∶1∶1)，混合均匀，再称取甲醇质量分数为0.40％的二茂铁置于上述溶液中，用超声波清洗器震荡至二茂铁完全溶解，最后加入体积分数为100的甲醇液体，充分搅拌至液体均匀透明，即为醇基燃料。

本发明通过生物质发酵法生产正丁醇，添加到醇基燃料中，对于提高生物质的综合利用率和降低醇基燃料的成本具有重要意义。一种由蔗渣通过发酵合成醇基燃料组份(主要是丁醇)，以及添加进醇基燃料的配制方法。利用生物质发酵生产正丁醇并应用于醇基燃料中，生物质利用率高，环保卫生，经济效益良好。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明，但实施例并不限制本发明的保护范围。

实施例：

具体步骤为：

(1)蔗渣预处理：首先将蔗渣打磨成粉，称取20.0g蔗渣粉于1000mL圆底烧瓶中，加水300mL，乙酸1.5mL，放入转子，在磁力搅拌下，充分混匀，装好冷凝回流装置，在油浴锅中进行预处理，预处理升温时间60min，保温时间90min，保温温度100℃，反应结束后，冷却，抽滤，将滤渣自然风干，获得预处理后的蔗渣粉；

(2)纤维素酶水解：称取7g步骤(1)获得预处理过的蔗渣粉，放入250mL锥形瓶中，并用玻棒将其均匀铺平，加入45mL(pH＝4.8，0.1mol/L醋酸-醋酸钠)缓冲液，轻轻摇匀使之浸润原料，添加0.014g纤维素酶和48mL蒸馏水，用橡皮塞封好，并置于50℃/150rpm的恒温振荡器中反应，反应完成后抽滤并用旋转蒸发仪将滤液浓缩，然后在常温下用活性炭吸附滤液中的杂质，并离心取上清液，即为蔗渣水解液；

(4)发酵方法：将步骤(2)中浓缩并离心后的蔗渣水解液作为培养基的碳源，然后用接种环把步骤(3)中活化培养好的丙酮丁醇梭菌放入培养基，在厌氧培养箱中发酵96h，获得含丁醇组分的发酵溶液；

(5)醇基燃料的配制：取体积分数为15的含丁醇组分的发酵溶液，加入体积分数为5的正己醇、仲辛醇和油酸混合液(正己醇、仲辛醇和油酸的体积比为1∶1∶1)，混合均匀，再称取甲醇质量分数为0.40％的二茂铁置于上述溶液中，用超声波清洗器震荡至二茂铁完全溶解，最后加入体积分数为100的甲醇液体，充分搅拌至液体均匀透明，即为醇基燃料。

从下表1中可以看出，在醇基燃料中添加二茂铁后，醇基燃料的燃烧值均有提高，说明二茂铁起到了助燃的效果，当二茂铁含量在0.9％之后，醇基燃料的燃烧值有所降低，说明随着二茂铁添加量的增加，助燃效果不理想，且对燃烧的效率有所影响，这是因为当发酵液--醇基混合燃料体积一定时，添加的二茂铁越多，醇基燃料量相对减小，从而导致燃烧值下降。

从表1中可以看出，当二茂铁添加量为0.4％和0.8％时，二茂铁的助燃效果相对较好，可以比较好的提高醇基燃料的燃烧值。考虑到原料的成本和二茂铁溶于醇基燃料等因素，二茂铁的添加量为0.40％时较为合适，这不仅能很好的提高醇基燃料的燃烧值，而且用量较小，很好的节约了成本，并且不用考虑二茂铁溶解度的问题。因此，二茂铁的最佳添加量选用0.40％。

表1：不同二茂铁添加量燃烧热值的实验数据

编号	二茂铁含量	QV(J/g)	△QV(J/g)	△QV/QV
					0	0.0％	19361	0.00	0.00％
1	0.1％	19397	36	0.19％
					2	0.2％	19438	77	0.40％
3	0.3％	19482	121	0.62％
					4	0.4％	19542	181	0.93％
5	0.5％	19496	141	0.73％
					6	0.6％	19487	135	0.70％
7	0.7％	19492	131	0.68％
					8	0.8％	19568	207	1.13％
9	0.9％	19561	200	1.03％
					10	1.0％	19494	133	0.69％
11	1.1％	19473	112	0.58％

Claims

1.一种蔗渣发酵合成的醇基燃料的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）将蔗渣打磨成粉，称取20.0 g蔗渣粉于1000 mL圆底烧瓶中，加水300 mL和无水乙酸1.5 mL，放入转子，在磁力搅拌下，充分混匀，装好冷凝回流装置，在油浴锅中进行预处理，预处理升温时间60 分钟，保温时间90分钟，保温温度100 ℃，反应结束后，冷却，抽滤，将滤渣自然风干，获得预处理后的蔗渣粉；

（2）称取7 g步骤（1）所得蔗渣粉，放入250 mL锥形瓶中，并用玻棒将其均匀铺平，加入45 mL缓冲液，缓冲液为pH=4.8浓度为0.1 mol/L的醋酸-醋酸钠，轻轻摇匀，添加0.014 g纤维素酶和48 mL蒸馏水，用橡皮塞封好，并置于50℃/150rpm的恒温振荡器中反应，反应完成后抽滤并用旋转蒸发仪将滤液浓缩，然后在常温下用活性炭吸附滤液中的杂质，并离心取上清液，即为蔗渣水解液；

（3）把丙酮丁醇梭菌冻干粉管割裂，用0.3～0.5 mL培养无菌水溶解冻干粉，然后接种到两个培养皿上，用涂布棒涂均匀，并迅速放进厌氧培养箱中，最后剪开厌氧产气袋和厌氧指示剂放入厌氧培养箱，将厌氧培养箱放入培养箱中37 ℃培养三天，获得活化培养好的丙酮丁醇梭菌；

（4）将步骤（2）所得蔗渣水解液作为培养基的碳源，然后用接种环把步骤（3）所得丙酮丁醇梭菌放入培养基，在厌氧培养箱中发酵96小时，获得含丁醇组分的发酵溶液；

（5）取体积分数为15的步骤（4）所得含丁醇组分的发酵溶液，加入体积分数为5的正己醇、仲辛醇和油酸混合液，正己醇、仲辛醇和油酸的体积比为1:1:1，混合均匀，再称取甲醇质量分数为0.40%的二茂铁置于上述溶液中，用超声波清洗器震荡至二茂铁完全溶解，最后加入体积分数为100的甲醇液体，充分搅拌至液体均匀透明，即为醇基燃料。