CN108753848A - 一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺 - Google Patents

一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，包括以下步骤：（1）原料预处理；（2）酶解；（3）分离；（4）蒸馏、纳滤；（5）反渗透纯化。本发明提供的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺将生物酶转化技术和膜分离技术有机结合，所用植物秸秆纤维质酶可以破坏秸秆的复杂结构，提高酶解效率，膜分离工艺简单，能耗低，能够实现同步生产多种产品，使农作物秸秆资源得到最大化利用，产生良好的经济效益。

Description

一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺
技术领域
本发明涉及生物化工技术领域，具体涉及一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺。
背景技术
随着经济社会的迅速发展，资源消耗越来越快，资源紧缺已成为制约全球发展的严峻问题。地球上每年大约形成8666亿吨植物有机物，是自然界分布最广、含量最多、价格低廉而又未得到充分利用的可再生资源。通过生物技术将植物纤维废弃物转化为能源、化工产品，对解决能源危机意义深远。
近年来，利用微生物酶解秸秆提取多糖并将多糖转化成酒精的技术，既能节约粮食又能充分利用可再生资源。然而微生物酶解秸秆所得产品产率低、水耗高、能耗高，产生大量残渣，这样既增加了生产成本，也对环境造成污染。因此，开发既能提高秸秆酶解的经济效益，又能促进秸秆资源综合利用的生产工艺对低碳经济发展具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将植物秸秆用揉丝机揉成4-8cm丝状，揉软无硬结；
(2)酶解：将预处理后的秸秆和相应秸秆类型的纤维质酶-03系列混合，加入水、pH缓冲液，然后用密封双层料袋打包，室内储存，酶解温度为2-30℃，酶解时间为7-150天，pH值≤7；
(3)分离：将酶解物直接装入真空洗浆机中，通过挤压、过滤，将液体从纤维素浆中分离出来，液体送入微滤和超滤装置分别回收木质素和纤维质酶后继续生产乙醇和木糖；
(4)蒸馏、纳滤：在乙醇溶液中通入水蒸气，控制温度为78.5-80℃，将乙醇蒸发成气体，水汽经冷却送入反渗透装置进行脱水提纯；蒸馏后产物即糖液送入纳滤装置进行脱水分离，再经提纯、结晶、分离、干燥工序，生产出成品木糖；
(5)反渗透纯化：将乙醇溶液中的水去除，推动力为压力差，压力为1-10MPa，即得燃料乙醇，燃料乙醇含有少量的甲醇等杂质，可以进一步精馏去除。
进一步地，本发明所述植物秸秆为玉米秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、水稻秸秆、谷物秸秆中的一种或几种。
进一步地，本发明所述植物秸秆纤维质酶-03系列为多功能复合酶，由纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成，这些酶组分能够协同破坏秸秆组织结构，使纤维素、半纤维素、木质素降解为纤维微丝、乙醇、木糖、聚合木质素。植物秸秆纤维质酶按照秸秆类型分为3类，玉米秸秆纤维质酶-03适用于玉米和高粱秸秆；麦秸秆纤维质酶-03适用于小麦、大麦；稻草秸秆纤维质酶-03适用于水稻、谷物秸秆。
在植物秸秆纤维质酶的作用下，秸秆组织结构分解过程为：在酶和水分子的共同作用下，首先水分子逐渐渗入秸秆组织内使秸秆组织产生膨胀，使组织结构产生变化，组织由密变疏、水溶性果胶溶解，这就为酶进入底物表面提供了通道；其次，由于酶进入底物表面，酶组分就开始发挥水解底物的功能，在果胶质酶的作用下，使果胶物水解成可溶性物质，使组织细胞分离，直到组织细胞彻底成为分离状态；在纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶的协同作用下，纤维素、半纤维素、木质素之间组成的高级复杂结构得到破坏，纤维素、半纤维素、木质素就成为分离状态；最后，在纤维素酶组分，半纤维素酶组分，木质素酶组分的作用下，相对应的底物进一步水解成葡萄糖、木糖、木质素，葡萄糖在酒化酶的作用下转化为乙醇。
本发明提供的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺将生物酶转化技术和膜分离技术有机结合，使农作物秸秆资源得到最大化利用。在不改变工艺、设备的情况下，以玉米秸秆、麦秸秆、稻草秸秆为原料，针对每一种秸秆的特点研发与之相适应的纤维质酶，使秸秆有效组分极限化利用，同步生产多种产品，大大降低了工艺成本，克服了现有秸秆酶解时间长、难度大、产品单一、耗水、耗能的难题。
本发明采用的膜分离技术有分离、浓缩、纯化和精制的功能，高效节能、环保、过滤过程简单，易于控制；在常温下进行，只需电能推动，其能耗约为蒸发浓缩的1/3-1/8；是典型的物理分离过程，不用化学试剂，产品不受污染。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明提供的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺与现有秸秆酶解工艺相比，采用与秸秆类型相应的纤维素质酶，与市售纤维素酶相比，酶解条件温和，只需室温即可进行，酶解效率高，能够破坏秸秆的复杂结构，秸秆无需复杂预处理、打包储存即可进行酶解过程，简化了操作，节约了设备成本，克服了酶解发酵周期长造成的设备成本大及能耗高、规模有限的缺陷；
(2)本发明提供的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺采用了膜分离技术，工艺简单，操作方便，自动化程度较高，能耗低，无污染，能够实现纤维素质酶的回收，大大降低了酶成本；
(3)本发明提供的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，能够大批量连续生产，工艺灵活性高，秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素全部转化成生产产品，乙醇和木糖转化率高，半纤维素利用率高，经济效益好，对资源综合利用和高效节能具有重要意义。
附图说明
图1为秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺的流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺(图1所示)，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将玉米秸秆、高粱秸秆用揉丝机揉成4-8cm丝状，揉软无硬结；
(2)酶解：按每200kg预处理后的玉米秸秆、高粱秸秆加入1kg玉米秸秆纤维质酶-01混合均匀，然后分别加入水、pH缓冲液，然后用密封双层料袋打包，室内储存，酶解温度为2-30℃，酶解时间为7-150天，pH值≤7；
(3)分离：酶解完成后，将酶解物直接装入真空洗浆机中，通过挤压、过滤，将液体从纤维素浆中分离出来，液体送入微滤与超滤装置分别回收木质素和纤维质酶后继续生产乙醇和木糖；
(4)蒸馏、纳滤：在乙醇溶液中通入水蒸气，控制温度为78.5-80℃，将乙醇蒸发成气体，水汽经冷却送入反渗透装置进行脱水提纯；蒸馏后产物即糖液送入纳滤装置进行脱水分离，再经提纯、结晶、分离、干燥工序，生产出成品木糖；
(5)反渗透纯化：将乙醇溶液中的水去除，推动力为压力差，压力为1-10MPa，即得燃料乙醇，燃料乙醇含有少量的甲醇等杂质，可以进一步精馏去除。
进一步地，本发明所述玉米秸秆纤维质酶-03为多功能复合酶，由质量配比为5:5:1:1:5的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成，这些酶组分能够协同破坏玉米秸秆、高粱秸秆的组织结构，使纤维素、半纤维素、木质素降解为乙醇、木糖、聚合木质素。
实施例2
一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺(图1所示)，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将小麦秸秆、大麦秸秆、分别用揉丝机揉成4-8cm丝状，揉软无硬结；
(2)酶解：按每200kg预处理后的小麦秸秆、大麦秸秆加入1.5kg麦秸秆纤维质酶-01混合均匀，然后分别加入水、pH缓冲液，然后用密封双层料袋打包，室内储存，酶解温度为2-30℃，酶解时间为7-150天，pH值≤7；
(3)分离：酶解完成后，将酶解物直接装入真空洗浆机中，通过挤压、过滤，将液体从纤维素浆中分离出来，液体送入微滤和超滤装置分别回收木质素和纤维质酶后继续生产乙醇和木糖；
(4)蒸馏、纳滤：在乙醇溶液中通入水蒸气，控制温度为78.5-80℃，将乙醇蒸发成气体，水汽经冷却送入反渗透装置进行脱水提纯；蒸馏后产物即糖液送入纳滤装置进行脱水分离，再经提纯、结晶、分离、干燥工序，生产出成品木糖；
(5)反渗透纯化：将乙醇溶液中的水去除，推动力为压力差，压力为1-10MPa，即得燃料乙醇，燃料乙醇含有少量的甲醇等杂质，可以进一步精馏去除。
进一步地，本发明所述麦秸秆纤维质酶-03为多功能复合酶，由质量配比为6:4:1:1:6的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成，这些酶组分能够协同破坏大麦秸秆、小麦秸秆的组织结构，使纤维素、半纤维素、木质素降解为乙醇、木糖、聚合木质素。
实施例3
一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺(图1所示)，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将水稻秸秆、谷物秸秆分别用揉丝机揉成4-8cm丝状，揉软无硬结；
(2)酶解：按每200kg预处理后的水稻秸秆、谷物秸秆加入1.5kg稻谷秸秆纤维质酶-01混合均匀，然后分别加入水、pH缓冲液，然后用密封双层料袋打包，室内储存，酶解温度为2-30℃，酶解时间为7-150天，pH值≤7；
(3)分离：酶解完成后，将酶解物直接装入真空洗浆机中，通过挤压、过滤，将液体从纤维素浆中分离出来，液体送入微滤和超滤装置分别回收木质素和纤维质酶后继续生产乙醇和木糖；
(4)蒸馏、纳滤：在乙醇溶液中通入水蒸气，控制温度为78.5-80℃，将乙醇蒸发成气体，水汽经冷却送入反渗透装置进行脱水提纯；蒸馏后产物即糖液送入纳滤装置进行脱水分离，再经提纯、结晶、分离、干燥工序，生产出成品木糖；
(5)反渗透纯化：将乙醇溶液中的水去除，推动力为压力差，压力为1-10MPa，即得燃料乙醇，燃料乙醇含有少量的甲醇等杂质，可以进一步精馏去除。
进一步地，本发明所述稻谷秸秆纤维质酶-03为多功能复合酶，由质量配比为6:5:1:16的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成，这些酶组分能够协同破坏水稻秸秆、谷物秸秆的组织结构，使纤维素、半纤维素、木质素降解为乙醇、木糖、聚合木质素。
实施例4
一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺(图1所示)，包括以下步骤：
(1)原料预处理：将玉米秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、水稻秸秆、谷物秸秆分别用揉丝机揉成4-8cm丝状，揉软无硬结；
(2)酶解：按每200kg预处理后的植物秸秆加入1.5kg相应秸秆类型的纤维质酶-01系列混合均匀，然后分别加入水、pH缓冲液，然后用密封双层料袋打包，室内储存，酶解温度为2-30℃，酶解时间为7-150天，pH值≤7；
(3)分离：酶解完成后，将酶解物直接装入真空洗浆机中，通过挤压、过滤，将液体从纤维素浆中分离出来，液体送入微滤和超滤装置分别回收木质素和纤维质酶后继续生产乙醇和木糖；
(4)蒸馏、纳滤：在乙醇溶液中通入水蒸气，控制温度为78.5-80℃，将乙醇蒸发成气体，水汽经冷却送入反渗透装置进行脱水提纯；蒸馏后产物即糖液送入纳滤装置进行脱水分离，再经提纯、结晶、分离、干燥工序，生产出成品木糖；
(5)反渗透纯化：将乙醇溶液中的水去除，推动力为压力差，压力为1-10MPa，即得燃料乙醇，燃料乙醇含有少量的甲醇等杂质，可以进一步精馏去除。
进一步地，本发明所述植物纤维质酶-03系列为多功能复合酶，所用玉米秸秆纤维质酶-03由质量配比为5:5:1:1:5的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成；麦秸秆纤维质酶-03由质量配比为6:4:1:1:6的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成；稻谷秸秆纤维质酶-03由质量配比为6:5:1:1:6的纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、酒化酶等组成；这些酶组分能够协同破坏相应秸秆的组织结构，使各类秸秆所含纤维素、半纤维素、木质素降解为乙醇、木糖、聚合木质素。
对比例1
除所用酶为市售纤维素酶外，其余同实施例1。
对比例2
除所用酶为市售纤维素酶外，其余同实施例2。
对比例3
除所用酶为市售纤维素酶外，其余同实施例3。
对比例4
除所用酶为市售纤维素酶外，其余同实施例4。
结果分析
实施例1～4及对比例1～4所得产品产量(每200kg秸秆)见表1。
表1单位：kg
产品类型 乙醇 木糖 木质素
实施例1 33.16 51.6 7.87
实施例2 42.16 34.11 16.07
实施例3 38.92 52.23 10.89
实施例4 39.97 46.01 11.7
对比例1 3.11 1.40 -
对比例2 3.05 1.21 -
对比例3 3.16 1.48 -
对比例4 3.30 1.29 -
从以上数据可以看出，本发明实施例1～4提供的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺所得产品的产率远远高于对比例1～4，表明本发明提供的植物秸秆纤维质酶-03系列复合酶与对应秸秆类型及生产产品种类相适应，能够有针对性地破坏秸秆的组成结构，提高酶解效率，秸秆只需简单机械预处理，酶解效果好，秸秆有效成分得到充分利用，产品收率高，经济效益好。而市售纤维素酶不能破坏秸秆组织结构，产品产率极低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆用揉丝机揉成4-8 cm丝状，揉软无硬结；
（2）酶解：将预处理后的秸秆和相应秸秆类型的纤维质酶-03系列混合，加入水、pH缓冲液，然后用密封双层料袋打包，室内储存，酶解；
（3）分离：将酶解物直接装入真空洗浆机中，通过挤压、过滤，将液体从纤维素浆中分离出来，液体送入微滤装置提取木质素后，再送入超滤装置回收纤维质酶后继续生产乙醇和木糖；
（4）蒸馏、纳滤：在乙醇溶液中通入水蒸气，将乙醇蒸发成气体，水汽经冷却送入反渗透装置进行脱水提纯；蒸馏后产物即糖液送入纳滤装置进行脱水分离，再经提纯、结晶、分离、干燥工序，生产出成品木糖；
（5）反渗透纯化：将乙醇溶液中的水去除，推动力为压力差，压力为1-10 MPa，即得燃料乙醇，燃料乙醇含有少量的甲醇等杂质，可以进一步精馏去除。
2.根据权利要求1所述的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，其特征在于，所述植物秸秆为玉米秸秆、高粱秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、水稻秸秆、谷物秸秆中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，其特征在于，所述植物秸秆纤维质酶-03系列为多功能复合酶，酶种包括纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶、果胶质酶、蛋白酶、酒化酶。
4.根据权利要求1所述的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，其特征在于，步骤（2）中酶解温度为2-30 ℃，酶解时间为7-150天，pH值≤7。
5.根据权利要求1所述的秸秆酶解发酵同步生产乙醇、木糖、木质素的工艺，其特征在于，步骤（4）中乙醇蒸发过程控制温度为78.5-80 ℃。
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