CN109593793B - 利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法，该方法通过预处理、酶解、发酵的方式生产乙醇，提供了一种高效利用玉米皮(特别是玉米皮中富含的纤维素和半纤维素)的途径，增加了玉米皮的附加值，同时提供了一种利用玉米皮生产乙醇的方法。该方法的预处理效果好，酶解和发酵过程产物浓度高、转化率高，提高了乙醇得率。

Description

利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法
技术领域
本发明属于生物工程领域和化工领域，具体涉及一种利用玉米皮作 为原料生产乙醇的方法。
背景技术
玉米皮是玉米深加工的一种副产物，即玉米经过浸泡、破碎后分离 出来的玉米表皮，因其中含有较高含量的淀粉和蛋白质而通常作为饲料 使用。例如，CN 106387336 A中公开了一种玉米浆发酵饲料及其生产方 法，主要是给玉米浆中加入玉米皮、麸皮、玉米粉、豆粕，再加入混合菌 液、乳酸菌、甘露聚糖、酵母菌进行不同阶段的好氧、厌氧发酵，可以有效地降低玉米浆中的毒素指标，并充分利用玉米浆中的有益物质，再加入 复合抗氧化剂、螺旋藻粉、磷酸氢钙、纤维素酶、乙基麦芽酚、鱼骨粉、 小肽螯合铁、纳豆激酶多种饲料添加剂，对提高动物免疫力、促进毒物 的排泄都具有显著效果，在动物的喂养过程中能减少发病率，提高日增 重，提高饲料消化率，降低料肉比，有很好的经济价值。ZL 200710014211.0中公开了一种以玉米皮水解液为原料制备饲料酵母的方法，水解液采用 模拟移动床色谱分离系统回收酸并代替常规中和工序。该方法利用玉米 浸泡水、玉米皮水解液混合配料制成培养基，斜面菌种进行三级培养，然 后进行发酵培养。通过浓缩蒸发、喷雾干燥制成饲料酵母。该发明的培 养基中富含氮源、碳源、无机盐、微量元素及维生素等生长因子，该方 法可保证饲料酵母营养成分的完整性，可完全替代鱼粉用于畜禽养殖业 从而有效降低畜禽养殖业的生产成本；该发明可提高玉米浆和玉米皮的 附加值，减少环境污染。另一方面，例如，CN 101845464 A公开了一种 多功能酶水解玉米皮制备阿魏酸的方法，将玉米皮加入NaOH避光浸泡， 高压灭菌，加入同时具有肽酶及酯酶活性的多功能酶水解细胞壁上的酯键和肽键，离心取上清液经过柱层析、洗脱，洗脱液浓缩，经乙酸乙酯 萃取，旋转蒸发得阿魏酸。利用粮食加工或燃料乙醇生产的副产品--玉米 皮，通过同时具有肽酶及酯酶活性的多功能酶水解生产阿魏酸，工艺简 单，省时节能，增加了玉米副产物的附加值。
然而，目前玉米市场面临着产量高、进口高、库存高的“三高”问 题，而下游消费环境极为疲弱，特别是玉米深加工行业正处于水深火热 状态，统计数据表明，对于各种玉米深加工产品，除玉米油价格基本保 持稳定或有上涨外，其它主要副产物跌幅较大，其中玉米皮和玉米粕价 格几乎腰斩。虽然将玉米皮用于饲料中或用于生产阿魏酸等是解决其利用问题的一种方式，但由于成本及收益方面的考虑，仍然无法消耗庞大 的玉米及其副产物(例如玉米皮)库存。另一方面，目前对于玉米皮的 利用主要是针对其中的淀粉和蛋白质(例如作为饲料使用)或酚类化合 物(例如用于制备阿魏酸和香豆酸等)，而忽略了玉米皮中含量较高的总 糖(约为50-70％)，特别是纤维素以及半纤维素(甚至可高达45％)。
就此而言，近年来，诸多如石油等不可再生的能源日益枯竭，使得 可再生能源，特别是生物燃料受到越来越多的关注，并带来巨大的商机 和社会意义。有“绿色石油”和“液体黄金”之称的乙醇是一种新型的 清洁可再生液体燃料，许多国家已经开始使用添加了一定比例乙醇的汽 油—汽油醇，以减少汽油的消耗。这种新型燃料既能缓解石油的消耗速率，又可以减少汽车尾气污染，因此具有极大的应用和发展潜力。我国 从2001年起开始推广使用汽油醇，目前汽油醇占汽油类燃料总消耗量的 约20％，并处于逐年增长的势头。因此，利用生物质作为原料来生产乙 醇的策略越来越受到各国政府及研究人员的重视。
现有工业化燃料乙醇生产主要以糖或粮食为原料，其优点是工业成 熟，但是产量受到原料的限制，难以长期满足能源需求；而从长远考虑， 以纤维素(包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾等)为 原料生产燃料乙醇则是解决原料来源和进行规模化工业生产的主要途径 之一。因此，如果能够将玉米皮所富含的纤维素和半纤维素作为原料来 生产乙醇，势必能够成为解决玉米皮利用问题的一种有效途径。目前尚 未发现关于利用玉米皮纤维生产乙醇的有效报道。
发明内容
为解决现有技术中的上述课题，本发明利用玉米皮作为原料，通过 预处理、酶解、发酵的方式生产乙醇，提供了一种高效利用玉米皮(特 别是玉米皮中富含的纤维素和半纤维素)的途径，增加了玉米皮的附加 值，同时提供了一种利用玉米皮生产乙醇的方法。该方法的预处理效果好， 酶解和发酵过程产物浓度高、转化率高，提高了乙醇得率。
因此，本发明提供了一种利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法，所 述方法包括：(1)预处理步骤：对所述玉米皮进行高温高压蒸汽爆破预 处理，得到玉米皮预处理物料；(2)酶解步骤：用纤维素酶对所述玉米 皮预处理物料进行酶解处理，得到含有可发酵性单糖(主要是葡萄糖和 木糖)的玉米皮酶解液；以及(3)发酵步骤：用C5/C6共发酵酵母菌株对所述玉米皮酶解液进行发酵处理，得到作为发酵产物的乙醇。
附图说明
图1是根据本发明的利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法包括对玉米皮进行高 温高压蒸汽爆破的预处理步骤、用纤维素酶进行酶解处理的酶解步骤以 及用C5/C6共发酵酵母菌株进行发酵处理的发酵步骤。
作为原料玉米皮，其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素。
在预处理步骤之前，还可对玉米皮进行稀酸喷淋处理，稀酸喷淋处 理中使用的酸浓度可为2％～4％，使用的酸可为例如盐酸、硫酸、硝酸等 本领域常用的酸，但本发明并不限于此。
通过在预处理步骤之前进行稀酸喷淋处理，可以破坏纤维素的结晶 结构，使原料结构疏松，从而有利于提高纤维素的酶解性能。
对于预处理步骤，高温高压蒸汽爆破的压力可为0.35MPaG～0.7MPaG， 温度可为148℃～170℃，处理时间可为10min～30min。
纤维素大分子的高聚合度和结晶性及其与半纤维素相互穿插缠绕的 结构以及木质素的保护作用阻碍了酶对木质纤维素的降解。通过在将木质 纤维素酶解发酵之前进行高温高压蒸汽爆破的预处理步骤，可以破坏纤维 素、半纤维素和木质素之间的连接，导致木质纤维素细胞壁破裂，同时高 温高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新羟基，纤维素内有序结构发 生变化，增加纤维素酶与纤维素的有效接触表面积，从而提高酶解效率。
对于酶解步骤，可以通过本领域常用的方法完成。在本发明一些优 选的实施方式中，例如可向经高温高压蒸汽爆破预处理的玉米皮预处理 物料中添加纤维素酶，酶添加量可为5％-20％g/g纤维素。作为酶解处理 的条件，可以适当地选取在纤维素酶有活力的温度以及pH值条件下完 成。在本发明一些优选的实施方式中，酶解处理的温度可以为纤维素酶 的任何最适作用温度，一般为45-55℃，更优选为48-52℃。在本发明一 些优选的实施方式中，酶解处理的pH值可以为纤维素酶的任何最适作用 pH值，一般为4.5-5.5，更优选为4.8-5.2。在本发明一些优选的实施方式 中，酶解处理的时间可以为纤维素酶充分发挥作用的任何最适时间，考 虑到时间成本，酶解处理的时间优选为48-96小时，更优选为72-80小时。
通过进行酶解步骤，玉米皮原料中的纤维素类有效成分转变为可发 酵性单糖。具体而言，在酶解步骤之后，玉米皮原料中的半纤维素主要 分解为五碳糖(C5糖，例如木糖)，而纤维素主要分解为六碳糖(C6糖， 例如葡萄糖)，从而可作为发酵步骤中的底物。
对于发酵步骤，可通过在玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵母菌株 进行。在本发明一些优选的实施方式中，可在玉米皮酶解液中加入5-10％ (v/v)的C5/C6共发酵酵母菌株扩培液。作为发酵处理的条件，可以适 当地选取在C5/C6共发酵酵母菌株有活力的温度条件下完成。在本发明 一些优选的实施方式中，发酵处理的温度为30-34℃，更优选为30℃。作 为发酵处理的时间，可以适当地选取C5/C6共发酵酵母菌株充分发挥作 用的任何最适时间。在本发明一些优选的实施方式中，发酵处理的时间 为48-56小时。对于本发明的利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法而言， 在发酵步骤中无需调控pH值，即可高效获得发酵产物乙醇。
本发明中所使用的术语“C5/C6共发酵酵母菌株”是指能够同时利 用C5糖(五碳糖，例如木糖)和C6糖(六碳糖，例如葡萄糖)作为底 物进行发酵来生产乙醇的酵母菌株。本领域技术人员知晓此类C5/C6共 发酵酵母菌株并可在本发明基础之上对其进行适当选择。例如，中国专 利CN201110042170.2公开了一种编码木糖异构酶突变体的基因，该基因 可在酵母中表达，从而使酵母获得木糖代谢能力；PCT国际公开WO2010/ 074577A1公开了一种木糖异构酶基因，其赋予真核细胞将木糖直接转化 为木酮糖的能力；中国专利申请CN106554924A中也公开了一种能够高 效地进行木糖代谢，从而实现C5糖和C6糖共发酵的生产乙醇的重组酿 酒酵母菌株。另外，也可以直接利用现有基因对酿酒酵母进行改造。例如，Zhou H等，Xylose isomerase overexpression along with engineering of thepentose phosphate pathway and evolutionary engineering enable rapid xyloseutilization and ethanol production by Saccharomyces cerevisiae， Metab Eng.，2012Nov；14(6)：611-22中描述了使现有的木糖异构酶在 酿酒酵母中表达，从而获得了能够直接将木糖代谢为木酮糖的酿酒酵母。
在本发明一些优选的实施方式中，对于发酵步骤，进行发酵处理时使 用的C5/C6共发酵酵母菌株为2017年12月18日保藏于中国微生物菌种 保藏管理委员会普通微生物中心CGMCC(北京市朝阳区北辰西路1号 院3号，中国科学院微生物研究所)、保藏编号为CGMCCNo.15103、分 类命名为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的重组酿酒酵母菌株0918MUT，然而，本发明并不限于此。
图1示出了根据本发明的利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法的流 程图。在图1所示实例中，玉米皮作为一种木质纤维素原料，经过稀酸 液喷淋处理后，通过皮带输送到预处理设备，经螺旋喂料器挤压脱除多 余的液体(可将该液体回收循环利用)后，物料进入后续的预处理密闭 设备内，经高温高压蒸汽(0.35MPaG～0.7MPaG，148℃～170℃)处理一段时间(10min～30min)后，排放至预处理密闭设备外部，得到玉米皮预 处理物料，供后续的酶解步骤和发酵步骤使用。
实施例
接下来，通过以下实施例和对比例对本发明进行进一步详细的说明， 但本发明不仅限于这些实施例和对比例。
实施例1利用玉米皮作为原料以本发明中的方法生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，经过3％浓度的稀酸喷淋，并对其进行高温 高压蒸汽爆破预处理(条件为0.55MPaG，160℃，20min)。将得到的玉 米皮预处理物料输送到含水的酶解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调 节pH值至5.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在50℃下酶解处理 72h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵 母菌株，即重组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT 于2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物 中心CGMCC，保藏编号为CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米 皮酶解液的5％(v/v)，在30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不调 控pH值，获得发酵产物乙醇。
为对原料预处理效果及酶解和发酵过程的效果进行评估以及对乙醇 得率进行计算，测量如下指标：玉米皮原料中的纤维素、半纤维素含量； 玉米皮预处理物料中的纤维素、半纤维素含量；酶解结束时玉米皮酶解 液中的葡萄糖、木糖含量；发酵初始发酵液中的葡萄糖、木糖含量；以 及发酵终点发酵成熟醪中的乙醇含量。
乙醇得率计算公式如下：
[式1]乙醇得率(％)＝(C1-C0)/0.511*(C葡+C木)
其中，C1为发酵终点乙醇浓度，C0为发酵初始乙醇浓度(本发明中 将其设定为零)，C葡为发酵初始葡萄糖浓度，C木为发酵初始木糖浓度， 0.511为糖醇转化理论最大值。
实验结果见表1。
实施例2利用玉米皮作为原料以本发明中的方法生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，经过3.5％浓度的稀酸喷淋，并对其进行高 温高压蒸汽爆破预处理(条件为0.6MPaG，165℃，20min)。将得到的玉 米皮预处理物料输送到含水的酶解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调 节pH值至5.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在50℃下酶解处理 72h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵 母菌株，即重组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT 于2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物 中心CGMCC，保藏编号为CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米 皮酶解液的5％(v/v)，在30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不调 控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
实施例3利用玉米皮作为原料以本发明中的方法生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，经过3％浓度的稀酸喷淋，并对其进行高温 高压蒸汽爆破预处理(条件为0.55MPaG，160℃，20min)。将得到的玉 米皮预处理物料输送到含水的酶解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调 节pH值至5.0，加入纤维素酶(15％g/g纤维素)，在50℃下酶解处理 72h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵 母菌株，即重组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT 于2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物 中心CGMCC，保藏编号为CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米 皮酶解液的5％(v/v)，在30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不调 控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
实施例4利用玉米皮作为原料以本发明中的方法生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，经过3％浓度的稀酸喷淋，并对其进行高温 高压蒸汽爆破预处理(条件为0.55MPaG，160℃，20min)。将得到的玉 米皮预处理物料输送到含水的酶解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调 节pH值至5.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在50℃下酶解处理 72h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵 母菌株，即重组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT 于2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物 中心CGMCC，保藏编号为CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米 皮酶解液的10％(v/v)，在30℃的温度下发酵48小时，发酵过程中不调 控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
对比例1利用玉米秸秆作为原料以本发明中的方法生产乙醇
取1000kg玉米秸秆原料，粉碎到一定粒度(2-4cm)，经过3％浓度 的稀酸喷淋，并对其进行高温高压蒸汽爆破预处理(条件为0.55MPaG， 160℃，20min)。将得到的玉米秸秆预处理物料输送到含水的酶解反应器 中，采用工业氨水喷淋混合，调节pH值至5.0，加入纤维素酶(10％g/g 纤维素)，在50℃下酶解处理72h，获得玉米秸秆酶解液。在得到的玉米 秸秆酶解液中加入C5/C6共发酵酵母菌株，即重组酿酒酵母菌株 0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT于2017年12月18日保藏于 中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心CGMCC，保藏编号为 CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米秸秆酶解液的5％(v/v)，在 30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不调控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
对比例2利用玉米皮作为原料在未经过预处理的条件下生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，将其输送到含水的酶解反应器中，调节pH值 至5.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在50℃下酶解处理72h，获得玉 米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵母菌株，即重 组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT于2017年12 月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心CGMCC， 保藏编号为CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米皮酶解液的5％ (v/v)，在30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不调控pH值，获得 发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
对比例3利用玉米皮作为原料在不同预处理条件下生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，对其进行高温高压蒸汽爆破预处理(条件为 0.8MPaG，180℃，10min)。将得到的玉米皮预处理物料输送到含水的酶 解反应器中，调节pH值至5.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在50℃ 下酶解处理72h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入 C5/C6共发酵酵母菌株，即重组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵 母菌株0918MUT于2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理 委员会普通微生物中心CGMCC，保藏编号为CGMCC No.15103)扩培 液，加入量为玉米皮酶解液的5％(v/v)，在30℃的温度下发酵56小时， 发酵过程中不调控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
对比例4利用玉米皮作为原料在不同酶解条件下生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，经过3％浓度的稀酸喷淋，并对其进行高温 高压蒸汽爆破预处理(条件为0.55MPaG，160℃，20min)。将得到的玉 米皮预处理物料输送到含水的酶解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调 节pH值至6.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在40℃下酶解处理 80h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入C5/C6共发酵酵 母菌株，即重组酿酒酵母菌株0918MUT(该重组酿酒酵母菌株0918MUT 于2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物 中心CGMCC，保藏编号为CGMCC No.15103)扩培液，加入量为玉米 皮酶解液的5％(v/v)，在30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不调 控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
对比例5利用玉米皮作为原料选用不同酵母菌种生产乙醇
取1000kg玉米皮原料，经过3％浓度的稀酸喷淋，并对其进行高温 高压蒸汽爆破预处理(条件为0.55MPaG，160℃，20min)。将得到的玉 米皮预处理物料输送到含水的酶解反应器中，采用工业氨水喷淋混合，调 节pH值至5.0，加入纤维素酶(10％g/g纤维素)，在50℃下酶解处理 72h，获得玉米皮酶解液。在得到的玉米皮酶解液中加入普通酿酒酵母(安琪酵母干粉)，加入量为玉米皮酶解液的0.3‰(w/w)，将酵母干粉活化 后加入到玉米皮酶解液中，在30℃的温度下发酵56小时，发酵过程中不 调控pH值，获得发酵产物乙醇。
以与实施例1相同的方式测量各项指标。实验结果见表1。
表1不同木质纤维素原料及不同方法生产乙醇的测定结果
Figure BDA0001873972240000101
由此可见，根据本发明的利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法预处 理效果好，酶解和发酵过程产物浓度高、转化率高，提高了乙醇得率。

Claims (3)

1.一种利用玉米皮作为原料生产乙醇的方法，所述方法包括：
(1)预处理步骤：对所述玉米皮进行高温高压蒸汽爆破预处理，得到玉米皮预处理物料，其中，所述高温高压蒸汽爆破预处理的压力为0.55MPaG～0.6MPaG，温度为160℃～165℃，处理时间为10min～30min；
(2)酶解步骤：用纤维素酶对所述玉米皮预处理物料进行酶解处理，得到含有可发酵性单糖的玉米皮酶解液；以及
(3)发酵步骤：用C5/C6共发酵酵母菌株对所述玉米皮酶解液进行发酵处理，得到作为发酵产物的乙醇，
其中，所述玉米皮为玉米经过浸泡、破碎后分离出来的玉米表皮；
其中，在所述预处理步骤之前，所述方法进一步包括稀酸喷淋处理步骤，所述稀酸喷淋处理步骤中使用的酸浓度为3％～3.5％；
其中，在所述酶解步骤中，向所述玉米皮预处理物料中添加的所述纤维素酶的添加量为10％-15％g/g纤维素，所述酶解处理的温度为48-52℃，所述酶解处理的pH值为4.8-5.2，所述酶解处理的时间为72-80小时；
其中，在所述发酵步骤中，在所述玉米皮酶解液中加入5-10％(v/v)的C5/C6共发酵酵母菌株扩培液，所述C5/C6共发酵酵母菌株为2017年12月18日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心CGMCC、保藏编号为CGMCC No.15103的重组酿酒酵母菌株0918MUT，所述发酵处理的温度为30-34℃；所述发酵处理的时间为48-56小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述玉米皮包含纤维素、半纤维素和木质素中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发酵处理的温度为30℃。
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