CN109022497B - 一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于木质纤维素酶解发酵制备燃料乙醇技术领域，公开了一种木质素两亲聚合物提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法。该方法具体步骤是：将100质量分预处理后的木质纤维素分散于330~5000质量分的缓冲溶液中，加入0.5~50质量分的木质素两亲聚合物，再加入5~30FPU/g的纤维素酶（以绝干木质纤维素的质量计），然后加入酿酒酵母，在30~45℃下反应48~120h，获得发酵液。本发明不仅可以有效地提高木质纤维素酶解发酵的乙醇得率，而且不需要额外的设备，工艺简单，操作方便。

Description

一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法
技术领域
本发明涉及木质纤维素酶解发酵制备燃料乙醇技术领域，特别是涉及一种利用木质素两亲聚合物促进木质纤维素酶解发酵产乙醇的方法。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭，人类正面临着能源短缺、资源匮乏的危机，同时化石燃料在使用过程中产生的废气、废水等对生态环境造成了严重的污染。因此，寻求绿色、天然可再生的清洁能源来代替传统化石燃料是大势所趋。生物质能源领域中备受关注的燃料乙醇可以降低汽油的使用量，使汽油的燃烧更加充分同时可以减少有害气体的排放。木质纤维素生产燃料乙醇通常包括预处理，酶解，发酵，蒸馏等工艺，但目前该工艺正面临着酶解发酵效率低、乙醇得率低、蒸馏成本高昂等一系列问题，制约了燃料乙醇的工业化生产。
针对酶解发酵效率低等问题，国内外众多学者已展开了研究。研究发现，添加聚乙二醇和吐温等非离子表面活性剂可以提高木质纤维素的酶解发酵效率。Lee等研究发现Tween系列非离子表面活性剂能够促进发酵，提高乙醇产率（Biotechnology Letters,1996, 18(3): 299-304）。Liu等研究发现添加250g/L的PEG-1000可以显著减轻2g/L苯酚、愈创木酚、糠醛、5-羟甲基糠醛等抑制物对葡萄糖发酵的影响，从而提高乙醇得率（Scientific Reports, 2016, 6: 1-16）。但是PEG，Tween等非离子表面活性剂价格昂贵，不利于降低生物乙醇的生产成本。
因此，有必要开发一种工艺简单、成本低廉的提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法。
发明内容
为了克服木质纤维素酶解发酵效率低、乙醇得率低、生产成本高等问题，本发明的目的在于提供一种以木质素两亲聚合物为助剂来提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法，该方法以木质素两亲聚合物作为助剂来进行木质纤维素的酶解发酵。
上述方法具体包括以下步骤：
（1）称取酿酒酵母置于20g/L的无菌糖水中，配置成浓度为50g/L的酵母悬浮液，在30~35℃下活化20~40min作为酵母种子液；
（2）将100质量分的木质纤维素加入到330~5000质量分的缓冲溶液中，再加入0.5~50质量分的木质素两亲聚合物、5~30FPU/g以绝干木质纤维素质量计的纤维素酶和1-8质量分步骤（1）所述的酿酒酵母种子液；
（3）将上述混合液在30~45℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为48~120h。
所述的木质纤维素预先经过预处理，预处理为稀酸预处理、蒸汽爆破预处理、亚硫酸盐法预处理或有机溶剂预处理。
所述的木质纤维素为松木、杨木、桉木、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、稻草、甘蔗渣和糠醛渣中的至少一种。
所述的缓冲溶液为醋酸-醋酸盐缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或磷酸盐缓冲液。
所述的缓冲溶液pH优选为4.5~6.5。
所述的木质素两亲聚合物为木质素磺酸钠、季铵化木质素磺酸钠或胺化木质素磺酸钠中的至少一种。
所述的木质素磺酸钠优选为制浆造纸副产物。
所述的木质素磺酸钠优选为酸性亚硫酸盐法预处理液。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点：
（1）本发明利用木质素两亲聚合物作为酶解发酵助剂，提高了乙醇得率，其中制浆造纸副产物木质素磺酸钠来源丰富、价格低廉且可再生，是一种绿色环保的添加剂；
（2）本发明利用木质纤维素的亚硫酸盐法预处理液作为酶解发酵助剂，显著提高了乙醇得率，既可以省去预处理后的木质纤维素脱毒工艺，又可以将预处理液变废为宝，实现木质纤维素资源的综合利用；
（3）本发明降低了木质纤维素发酵生产燃料乙醇的成本；
（4）本发明所述的方法，添加低至0.5%（以绝干木质纤维素的质量计）的木质素两亲聚合物，就能使木质纤维素的乙醇得率提高11~117%。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面通过实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化40min作为酵母种子液。
将100质量分的稀硫酸处理后的杨木加入到5000质量分pH=6.5的醋酸-醋酸钠缓冲液中，加入50质量分的木质素磺酸钠（制浆造纸副产物），5FPU/g的纤维素酶（以绝干杨木的质量计），然后加入8质量分的酵母种子液。
将上述混合液在45℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为48h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例2。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化40min作为酵母种子液。
将100质量分的亚硫酸盐法预处理的松木加入到5000质量分pH=4.5的醋酸-醋酸钠缓冲液中，加入40质量分的亚硫酸盐预处理液，20FPU/g的纤维素酶（以绝干松木的质量计），然后加入8质量分的酵母种子液。
将上述混合液在30℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为120h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例3。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化30min作为酵母种子液。
将100质量分的有机溶剂处理的玉米秸秆加入到2500质量分pH=5.5的醋酸-醋酸钠缓冲液中，加入30质量分的季铵化木质素磺酸钠，10FPU/g的纤维素酶（以绝干玉米秸秆的质量计），然后加入5质量分的酵母种子液。
将上述混合液在35℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为120h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例4。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化20min作为酵母种子液。
将100质量分的有机溶剂处理的玉米秸秆加入到1250质量分pH=5.5的醋酸-醋酸钠缓冲液中，加入0.5质量分的季铵化木质素磺酸钠，25FPU/g的纤维素酶（以绝干玉米秸秆的质量计），然后加入5质量分的酵母种子液。
将上述混合液在35℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为120h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例5。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化20min作为酵母种子液。
将100质量分的亚硫酸盐法预处理的糠醛渣加入到1250质量分pH=6.0的醋酸-醋酸钠缓冲液中，加入25质量分的季铵化木质素磺酸钠，20FPU/g的纤维素酶（以绝干糠醛渣的质量计），然后加入5质量分的酵母种子液。
将上述混合液在35℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为96h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例6。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化30min作为酵母种子液。
将100质量分的亚硫酸盐法预处理的糠醛渣加入到330质量分pH=5.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，加入35质量分的胺化木质素磺酸钠，30FPU/g的纤维素酶（以绝干糠醛渣的质量计），然后加入5质量分的酵母种子液。
将上述混合液在38℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为96h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例7。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在35℃下活化30min作为酵母种子液。
将100质量分的亚硫酸盐法预处理的杨木加入到500质量分pH=5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，加入35质量分的亚硫酸盐法预处理液，30FPU/g的纤维素酶（以绝干杨木的质量计），然后加入5质量分的酵母种子液。
将上述混合液在38℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为96h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
实施例8。
将2.5g酿酒酵母粉置于50mL浓度为20g/L的无菌糖水中，在32℃下活化30min作为酵母种子液。
将100质量分的亚硫酸盐法预处理的甘蔗渣加入到500质量分pH=5.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，加入35质量分的季铵化木质素磺酸钠，25FPU/g的纤维素酶（以绝干玉米秸秆的质量计），然后加入5质量分的酵母种子液。
将上述混合液在35℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为96h，通过液相色谱测定两次发酵的乙醇含量，并计算乙醇收率，统计结果如表1所示。
以上实施例同时做了对应的空白对比例，与采用本发明方法的实施例进行木质纤维素酶解发酵乙醇浓度及得率的比较。由表1可见，本发明方法可以高效提高不同木质纤维素底物的乙醇得率，与空白例相比，提高的乙醇得率为11~117%。
表1：木质素两亲聚合物对不同预处理原料的酶解发酵产乙醇浓度及得率的影响。
Figure 30728DEST_PATH_IMAGE001
需要说明的是，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法，其特征在于，将木质素两亲聚合物作为助剂来进行木质纤维素的酶解发酵，具体包括以下步骤：
（1）称取酿酒酵母置于20g/L的无菌糖水中，配置成浓度为50g/L的酵母悬浮液，在30-35℃下活化20-40min作为酵母种子液；
（2）将100质量分的木质纤维素加入到330-5000质量分的缓冲溶液中，再加入25-30质量分的季铵化木质素磺酸钠、5-30FPU/g以绝干木质纤维素质量计的纤维素酶和1-8质量分步骤（1）所述的酿酒酵母种子液，其中所述的木质纤维素底物预先经过预处理；
（3）将上述混合液在30-45℃下进行同步糖化发酵，发酵时间为48-120h。
2.根据权利要求1所述的一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的木质纤维素为松木、杨木、桉木、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、稻草、甘蔗渣和糠醛渣中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的预处理为蒸汽爆破预处理、或有机溶剂预处理。
4.根据权利要求1所述的一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的缓冲溶液为醋酸-醋酸盐缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或磷酸盐缓冲液；所述的缓冲溶液pH=4.5-6.5。
5.根据权利要求4所述的一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇得率的方法，其特征在于，所述的木质素磺酸钠优选为制浆造纸副产物和酸性亚硫酸盐法预处理液。
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