CN108642118A - 一种产乙醇的生物质混合料及产乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产乙醇的生物质混合料及产乙醇的方法，属于环保领域。本发明通过CO2激光等离子催化对玉米秸秆、蔗渣进行预处理，提高后期活性酶对其进行酶解的接触可及度，能够增加产物中还原糖含量，以氢氧化钠与甘油形成碱性物质，加入预处理后原料进行浸泡，提高了木聚糖酶、纤维素酶的复合酶解效率，从而得到较纯化的纤维素，以聚乙烯酰亚胺与休哈塔假丝酵母菌、酿酒酵母菌进行固定化处理，防止细胞洗出，保护细胞受到有毒物质伤害，加快葡萄糖代谢速率，从而缩短其对木糖代谢的抑制作用，从而缩短了发酵时间。本发明解决了针对目前生物质转化成乙醇的效率低的问题。

Description

一种产乙醇的生物质混合料及产乙醇的方法
技术领域
本发明属于环保领域，具体涉及一种产乙醇的生物质混合料及产乙醇的方法。
背景技术
最近几十年，传统化石燃料（基于石油的燃料）的大规模消耗造成了高水平的污染。这与化石燃料的世界储备并非有限的认识以及增长的环境意识一起刺激了研究替代性燃料（如乙醇）可行性的新动机，所述替代性燃料是以每升为基础比无铅汽油释放更少CO2的无粒子燃烧燃料来源。
尽管生物量衍生的乙醇可以通过得自许多不同来源的己糖的发酵来生产，但是，典型地用于商业规模生产燃料醇的底物如甘蔗和玉米淀粉是昂贵的。因此，燃料乙醇生产的提高会需要使用更低成本的原料。
目前，只有衍生自植物生物量的木质纤维素原料能够足量获得，用于代替目前用于乙醇生产的作物。在大部分木质纤维素材料中，在葡萄糖之后第二常见的糖是木糖。因此，对于经济上可行的燃料生产工艺而言，己糖和戊糖均必须被发酵形成乙醇。酵母是有活力的并且充分适合乙醇生产，但是不能使用木糖作为碳源生产乙醇。另外，没有一种天然存在的生物是已知能够以高乙醇产量以及高乙醇生产力将木糖发酵成乙醇的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对目前生物质转化成乙醇的效率低的问题，提供一种产乙醇的生物质混合料及产乙醇的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
一种产乙醇的生物质混合料，包括木聚糖酶、纤维素酶、休哈塔假丝酵母菌、酿酒酵母菌，还包括原料、原料处理剂、酶解液；
所述原料的制备方法，包括如下步骤：取玉米秸秆按质量比1~3：2~5加入蔗渣混合，粉碎过筛，收集混合过筛颗粒，取混合过筛颗粒按质量比1~3：20~25加入去离子水，经CO2激光超声波进行预处理，得原料。
所述CO2激光超声波的预处理条件为：经265W的CO2激光超声波并通入空气预处理60~75min。
所述原料处理剂的制备方法，包括如下步骤：取氢氧化钠按质量1~3：1~4加入超纯水，磁力搅拌20~30min，再加入氢氧化钠质量2~5倍的甘油，搅拌混合5~10min，升温至130~140℃、0.01MPa保持2~3h，干燥，即得原料处理剂。
所述酶解液的制备方法，包括如下步骤：
取二水合柠檬酸三钠按质量比6~9：3~5加入一水合柠檬酸搅拌混合，得混合物，取混合物按质量比1：80~90加入离子水，灭菌，得灭菌物，取灭菌物按质量比800~1000：0.02~0.05：0.01~0.04加入四环素、制霉菌素混合，得酶解液。
一种产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法包括如下步骤：
（1）取原料按质量比1~3：10~20加入质量分数为5%的原料处理剂水溶液，于110~120℃保温50~60min，冷却至室温，过滤，取滤渣经蒸馏水洗涤，干燥，得干燥物；
（2）取木聚糖酶、纤维素酶按质量比1~5：2~4：100~150加入酶解液，于45~50℃搅拌混合，静置，除菌，得除菌液，取干燥物按质量比10~20：30~50：2~5加入无菌水、除菌液，酶解，灭酶，得灭酶物，备用；
（3）取休哈塔假丝酵母菌按质量比1~3：2~4：40~50加入酿酒酵母菌、活化培养基，于25~30℃培养2~4天，得活化物，离心，取沉淀按质量比1~3：10~20加入浓度为0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中搅拌混合，再加入沉淀质量30~40%的无菌硅藻土，得混合物；
（4）取混合物按质量比30~50：15~24加入质量分数为30%无菌聚乙烯酰亚胺水溶液搅拌混合，再加入混合物质量1~3：20~30加入增殖培养基，于25~30℃、180r/min培养24~48h，得培养物，取培养物按2~5%的接种量接种至步骤（2）备用的灭酶物中，25~35℃发酵培养3~5天，收集发酵乙醇，即得。
所述步骤（3）中活化培养基为：按质量份数计，取15~20份木糖、8~15份葡糖糖、3~6份酵母浸膏、10~15份蛋白胨、1000份水，121℃灭菌20min。
所述步骤（4）中增殖培养基：按质量份数计，取15~20份木糖、20~30份椰汁、15~20份西瓜汁、2~4份甘氨酸、2~5份硫酸铵、3~6份磷酸二氢钾、0.03~0.07份硫酸镁、0.04~0.08份维生素B1、1000份水，121℃灭菌20min。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明通过CO2激光等离子催化对玉米秸秆、蔗渣进行混合预处理，能够打破纤维素原材料的物理屏障以及降低纤维素的颗粒度，提高秸秆纤维素生产单糖的酶解，通过处理后，木质素被激光等离子进行破碎分解，纤维素表面粗糙并呈多孔结构，提高后期活性酶对其进行酶解的接触可及度，能够增加产物中还原糖含量；
（2）本发明以氢氧化钠与甘油形成碱性物质，加入预处理后原料进行浸泡，使得纤维充分润胀，反应接触面积增大，除了可以破坏了纤维素与半纤维素之间的氢键网络，造成纤维素润涨以外，还会引起半纤维素和木质素之间的酯键发生皂化反应，在氢氧根离子的密集攻击下，酯键断裂导致木质素降解，木质素以亲水性钠盐的形式溶解析出，提高了木聚糖酶、纤维素酶的复合酶解效率，从而得到较纯化的纤维素，使得产乙醇效率提升；
（3）本发明利用聚乙烯酰亚胺与休哈塔假丝酵母菌、酿酒酵母菌进行固定化处理，建立固定化发酵微生物细胞体系，发酵产乙醇的过程中能够增加产物量，细胞恢复更加容易，防止细胞洗出，保护细胞受到有毒物质伤害，同时发酵活性菌细胞细胞能重复利用，发酵过程中酵母细胞浓度更高，物质传递性更好和具有高的发酵率与低底物抑制性，固定化的双酵母菌发酵实现了戊糖和己糖同步发酵生产乙醇，加快葡萄糖代谢速率，从而缩短其对木糖代谢的抑制作用，细胞对木糖利用效率，增加木糖的利用时间，从而缩短了发酵时间，提高生物质乙醇的转化效率。
具体实施方式
活化培养基：按质量份数计，取15~20份木糖、8~15份葡糖糖、3~6份酵母浸膏、10~15份蛋白胨、1000份水，121℃灭菌20min。
增殖培养基：按质量份数计，取15~20份木糖、20~30份椰汁、15~20份西瓜汁、2~4份甘氨酸、2~5份硫酸铵、3~6份磷酸二氢钾、0.03~0.07份硫酸镁、0.04~0.08份维生素B1、1000份水，121℃灭菌20min。
聚乙烯酰亚胺：分子量70000。
原料：取玉米秸秆按质量比1~3：2~5加入蔗渣混合，粉碎过筛，收集混合过筛颗粒，取混合过筛颗粒按质量比1~3：20~25加入去离子水，经265W的CO2激光超声波并通入空气预处理60~75min，得原料。
原料处理剂：取氢氧化钠按质量1~3：1~4加入超纯水，磁力搅拌20~30min，再加入氢氧化钠质量2~5倍的甘油，搅拌混合5~10min，升温至130~140℃、0.01MPa保持2~3h，干燥，即得原料处理剂。
酶解液：取二水合柠檬酸三钠按质量比6~9：3~5加入一水合柠檬酸，搅拌混合5~10min，得混合物，取混合物按质量比1：80~90加入离子水，121℃灭菌20 min，得灭菌物，取灭菌物按质量比800~1000：0.02~0.05：0.01~0.04加入四环素、制霉菌素混合，即得酶解液。
一种产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，包括如下步骤：
（1）取原料按质量比1~3：10~20加入质量分数为5%的原料处理剂水溶液，于110~120℃保温50~60min，冷却至室温，过滤，取滤渣经蒸馏水洗涤，干燥，得干燥物；
（2）取木聚糖酶、纤维素酶按质量比1~5：2~4：100~150加入酶解液，于45~50℃搅拌混合30~40min，静置10~12h，过0.22μm滤头除菌，得除菌液，取干燥物按质量比10~20：30~50：2~5加入无菌水、除菌液，于180rpm、45~50℃酶解48~72h，灭酶，得灭酶物，备用；
（3）取休哈塔假丝酵母菌按质量比1~3：2~4：40~50加入酿酒酵母菌、活化培养基，于25~30℃培养2~4天，得活化物，离心，取沉淀按质量比1~3：10~20加入浓度为0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中，搅拌混合20~30min，再加入沉淀质量30~40%的无菌硅藻土，得混合物；
（4）取混合物按质量比30~50：15~24加入质量分数为30%无菌聚乙烯酰亚胺水溶液，搅拌混合40~60min，再加入混合物质量1~3：20~30加入增殖培养基，于25~30℃、180r/min培养24~48h，得培养物，取培养物按2~5%的接种量接种至步骤（2）备用的灭酶物中，25~35℃发酵培养3~5天，收集发酵乙醇，即得。
活化培养基：按质量份数计，取15份木糖、8份葡糖糖、3份酵母浸膏、10份蛋白胨、1000份水，121℃灭菌20min。
增殖培养基：按质量份数计，取15份木糖、20份椰汁、15份西瓜汁、2份甘氨酸、2份硫酸铵、3份磷酸二氢钾、0.03份硫酸镁、0.04份维生素B1、1000份水，121℃灭菌20min。
聚乙烯酰亚胺：分子量70000。
原料：取玉米秸秆按质量比1：2加入蔗渣混合，粉碎过筛，收集混合过筛颗粒，取混合过筛颗粒按质量比1：20加入去离子水，经265W的CO2激光超声波并通入空气预处理60min，得原料。
原料处理剂：取氢氧化钠按质量1：1加入超纯水，磁力搅拌20min，再加入氢氧化钠质量2倍的甘油，搅拌混合5~10min，升温至130℃、0.01MPa保持2h，干燥，即得原料处理剂。
酶解液：取二水合柠檬酸三钠按质量比6：3加入一水合柠檬酸，搅拌混合5min，得混合物，取混合物按质量比1：80加入离子水，121℃灭菌20 min，得灭菌物，取灭菌物按质量比800：0.02：0.01加入四环素、制霉菌素混合，即得酶解液。
一种产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，包括如下步骤：
（1）取原料按质量比1：10加入质量分数为5%的原料处理剂水溶液，于110℃保温50min，冷却至室温，过滤，取滤渣经蒸馏水洗涤，干燥，得干燥物；
（2）取木聚糖酶、纤维素酶按质量比1：2：100加入酶解液，于45℃搅拌混合30min，静置10h，过0.22μm滤头除菌，得除菌液，取干燥物按质量比10：30：2加入无菌水、除菌液，于180rpm、45℃酶解48h，灭酶，得灭酶物，备用；
（3）取休哈塔假丝酵母菌按质量比1：2：40加入酿酒酵母菌、活化培养基，于25℃培养2天，得活化物，离心，取沉淀按质量比1：10加入浓度为0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中，搅拌混合20min，再加入沉淀质量30%的无菌硅藻土，得混合物；
（4）取混合物按质量比30：15加入质量分数为30%无菌聚乙烯酰亚胺水溶液，搅拌混合40min，再加入混合物质量1：20加入增殖培养基，于25℃、180r/min培养24h，得培养物，取培养物按2%的接种量接种至步骤（2）备用的灭酶物中，25℃发酵培养3天，收集发酵乙醇，即得。
活化培养基：按质量份数计，取18份木糖、10份葡糖糖、5份酵母浸膏、12份蛋白胨、1000份水，121℃灭菌20min。
增殖培养基：按质量份数计，取17份木糖、25份椰汁、18份西瓜汁、3份甘氨酸、4份硫酸铵、5份磷酸二氢钾、0.005份硫酸镁、0.006份维生素B1、1000份水，121℃灭菌20min。
聚乙烯酰亚胺：分子量70000。
原料：取玉米秸秆按质量比2：4加入蔗渣混合，粉碎过筛，收集混合过筛颗粒，取混合过筛颗粒按质量比2：23加入去离子水，经265W的CO2激光超声波并通入空气预处理70min，得原料。
原料处理剂：取氢氧化钠按质量2：3加入超纯水，磁力搅拌25min，再加入氢氧化钠质量4倍的甘油，搅拌混合8min，升温至135℃、0.01MPa保持2.5h，干燥，即得原料处理剂。
酶解液：取二水合柠檬酸三钠按质量比7：4加入一水合柠檬酸，搅拌混合8min，得混合物，取混合物按质量比1：85加入离子水，121℃灭菌20 min，得灭菌物，取灭菌物按质量比900：0.04：0.03加入四环素、制霉菌素混合，即得酶解液。
一种产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，包括如下步骤：
（1）取原料按质量比2：15加入质量分数为5%的原料处理剂水溶液，于115℃保温55min，冷却至室温，过滤，取滤渣经蒸馏水洗涤，干燥，得干燥物；
（2）取木聚糖酶、纤维素酶按质量比3：3：125加入酶解液，于48℃搅拌混合35min，静置11h，过0.22μm滤头除菌，得除菌液，取干燥物按质量比15：40：3加入无菌水、除菌液，于180rpm、48℃酶解56h，灭酶，得灭酶物，备用；
（3）取休哈塔假丝酵母菌按质量比2：3：45加入酿酒酵母菌、活化培养基，于28℃培养3天，得活化物，离心，取沉淀按质量比2：15加入浓度为0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中，搅拌混合25min，再加入沉淀质量35%的无菌硅藻土，得混合物；
（4）取混合物按质量比40：20加入质量分数为30%无菌聚乙烯酰亚胺水溶液，搅拌混合50min，再加入混合物质量2：25加入增殖培养基，于28℃、180r/min培养36h，得培养物，取培养物按3%的接种量接种至步骤（2）备用的灭酶物中，30℃发酵培养4天，收集发酵乙醇，即得。
活化培养基：按质量份数计，取20份木糖、15份葡糖糖、6份酵母浸膏、15份蛋白胨、1000份水，121℃灭菌20min。
增殖培养基：按质量份数计，取20份木糖、30份椰汁、20份西瓜汁、4份甘氨酸、5份硫酸铵、6份磷酸二氢钾、0.07份硫酸镁、0.08份维生素B1、1000份水，121℃灭菌20min。
聚乙烯酰亚胺：分子量70000。
原料：取玉米秸秆按质量比3：5加入蔗渣混合，粉碎过筛，收集混合过筛颗粒，取混合过筛颗粒按质量比3：25加入去离子水，经265W的CO2激光超声波并通入空气预处理75min，得原料。
原料处理剂：取氢氧化钠按质量3：4加入超纯水，磁力搅拌30min，再加入氢氧化钠质量5倍的甘油，搅拌混合10min，升温至140℃、0.01MPa保持3h，干燥，即得原料处理剂。
酶解液：取二水合柠檬酸三钠按质量比9：5加入一水合柠檬酸，搅拌混合5~10min，得混合物，取混合物按质量比1：90加入离子水，121℃灭菌20 min，得灭菌物，取灭菌物按质量比1000：0.05：0.04加入四环素、制霉菌素混合，即得酶解液。
一种产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，包括如下步骤：
（1）取原料按质量比3：20加入质量分数为5%的原料处理剂水溶液，于120℃保温60min，冷却至室温，过滤，取滤渣经蒸馏水洗涤，干燥，得干燥物；
（2）取木聚糖酶、纤维素酶按质量比5：4：150加入酶解液，于50℃搅拌混合40min，静置12h，过0.22μm滤头除菌，得除菌液，取干燥物按质量比20：50：5加入无菌水、除菌液，于180rpm、50℃酶解72h，灭酶，得灭酶物，备用；
（3）取休哈塔假丝酵母菌按质量比3：4：50加入酿酒酵母菌、活化培养基，于30℃培养4天，得活化物，离心，取沉淀按质量比3：20加入浓度为0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中，搅拌混合30min，再加入沉淀质量40%的无菌硅藻土，得混合物；
（4）取混合物按质量比50：24加入质量分数为30%无菌聚乙烯酰亚胺水溶液，搅拌混合60min，再加入混合物质量3：30加入增殖培养基，于30℃、180r/min培养48h，得培养物，取培养物按5%的接种量接种至步骤（2）备用的灭酶物中，35℃发酵培养5天，收集发酵乙醇，即得。
对比例1：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少原料处理剂。
对比例2：与实施例2的制备方法基本相同，唯有不同的是缺少酶解液。
分别采取本发明的产乙醇的生物质混合料方法进行提取，采用连续提取法测试其乙醇产率，测试结果见表1。
表1：
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
乙醇产率% 50 55 61 30~40 20~25
综合上述，采用本发明的产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法产乙醇率高，值得推广使用。

Claims (7)

1.一种产乙醇的生物质混合料，包括木聚糖酶、纤维素酶、休哈塔假丝酵母菌、酿酒酵母菌，其特征在于，还包括原料、原料处理剂、酶解液；
所述原料的制备方法，包括如下步骤：
取玉米秸秆按质量比1~3：2~5加入蔗渣混合，粉碎过筛，收集混合过筛颗粒，取混合过筛颗粒按质量比1~3：20~25加入去离子水，经CO2激光超声波进行预处理，得原料。
2.根据权利要求1所述的产乙醇的生物质混合料，其特征在于，所述CO2激光超声波的预处理条件为：经265W的CO2激光超声波并通入空气预处理60~75min。
3.根据权利要求1所述的产乙醇的生物质混合料，其特征在于，所述原料处理剂的制备方法，包括如下步骤：
取氢氧化钠按质量1~3：1~4加入超纯水，磁力搅拌20~30min，再加入氢氧化钠质量2~5倍的甘油，搅拌混合5~10min，升温至130~140℃、0.01MPa保持2~3h，干燥，即得原料处理剂。
4.根据权利要求1所述的产乙醇的生物质混合料，其特征在于，所述酶解液的制备方法，包括如下步骤：
取二水合柠檬酸三钠按质量比6~9：3~5加入一水合柠檬酸搅拌混合，得混合物，取混合物按质量比1：80~90加入离子水，灭菌，得灭菌物，取灭菌物按质量比800~1000：0.02~0.05：0.01~0.04加入四环素、制霉菌素混合，得酶解液。
5.一种如权利要求1~4任意一项所述的产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）取原料按质量比1~3：10~20加入质量分数为5%的原料处理剂水溶液，于110~120℃保温50~60min，冷却至室温，过滤，取滤渣经蒸馏水洗涤，干燥，得干燥物；
（2）取木聚糖酶、纤维素酶按质量比1~5：2~4：100~150加入酶解液，于45~50℃搅拌混合，静置，除菌，得除菌液，取干燥物按质量比10~20：30~50：2~5加入无菌水、除菌液，酶解，灭酶，得灭酶物，备用；
（3）取休哈塔假丝酵母菌按质量比1~3：2~4：40~50加入酿酒酵母菌、活化培养基，于25~30℃培养2~4天，得活化物，离心，取沉淀按质量比1~3：10~20加入浓度为0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中搅拌混合，再加入沉淀质量30~40%的无菌硅藻土，得混合物；
（4）取混合物按质量比30~50：15~24加入质量分数为30%无菌聚乙烯酰亚胺水溶液搅拌混合，再加入混合物质量1~3：20~30加入增殖培养基，于25~30℃、180r/min培养24~48h，得培养物，取培养物按2~5%的接种量接种至步骤（2）备用的灭酶物中，25~35℃发酵培养3~5天，收集发酵乙醇，即得。
6.根据权利要求5所述的产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，其特征在于，所述步骤（3）中活化培养基为：按质量份数计，取15~20份木糖、8~15份葡糖糖、3~6份酵母浸膏、10~15份蛋白胨、1000份水，121℃灭菌20min。
7.根据权利要求5所述的产乙醇的生物质混合料产乙醇的方法，其特征在于，所述步骤（4）中增殖培养基：按质量份数计，取15~20份木糖、20~30份椰汁、15~20份西瓜汁、2~4份甘氨酸、2~5份硫酸铵、3~6份磷酸二氢钾、0.03~0.07份硫酸镁、0.04~0.08份维生素B1、1000份水，121℃灭菌20min。
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