CN109652466A - 一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法。该纤维素燃料乙醇生产方法,包括如下步骤:(1)收集农作物废弃物的碱预处理液和固体残渣,调节碱预处理液pH至所需范围;(2)将固体残渣I与水混合后调pH为酶解pH,加纤维素酶水解得到含糖水解液;(3)接入驯化的耐毒乙醇发酵菌株到水解液中发酵产乙醇,固液分离获得发酵固体残渣;(4)将pH调整的碱预处理液与栽培培养料均匀拌料,灭菌后即得食用菌栽培培养基,栽培培养料,包括发酵固体残渣、生物质废弃物、麸皮和石膏粉。本方法通过直接加水调pH的方式省略了碱预处理农作物废弃物的洗涤工序,简化了碱预处理的操作工序,减少了耗水量和废水排放量,降低了生产成本。
Description
技术领域:
本发明涉及废弃物资源化利用、环境保护和清洁能源领域,具体涉及一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法。
背景技术:
将农作物秸秆、木屑等木质纤维素废弃物转化为能源燃料、生物化学品是近年研究的热点。木质纤维素生化转化技术由于环保、低能耗被认为是比较有工业化应用前景的技术,主要包括预处理、酶水解和发酵等关键步骤。预处理的作用在于打破木质纤维素中纤维素、半纤维素和木质素组分之间的致密连接,使得纤维素和半纤维素更容易受到酶的攻击而降解为葡萄糖、木糖等单糖,有利于后续微生物的发酵。预处理的方法有多种,目前在中试规模中应用较多的有稀酸预处理、高温液态水预处理、SO2蒸汽爆破预处理、氨纤维爆破预处理和碱预处理。相比于前四种预处理,碱预处理能耗最低,且可高效去除非糖组分木质素,减弱木质素对酶解的不利影响,显著提高后续酶解和发酵的效率,然而该技术会产生大量废液,包括预处理和洗涤过程中产生的废液,其中有机质含量较高,直接排放会造成环境污染。中国专利CN105838756A和CN108048297A分别公布了一种碱预处理木质纤维素酶解产糖的节水工艺和一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置,虽然大大降低了预处理残渣的洗涤水用量和废液排放量,但是其过程仍然涉及到洗涤和部分废液的排放。本发明省去了洗涤步骤,并将产生的废液和废渣用于制备食用菌培养基,不仅简化了工序,还实现了废水废渣的零排放。
发明内容:
本发明的目的是针对木质纤维素碱预处理耗水量高、废水排放量大的问题,提供一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法,一方面可以简化工序,减少耗水量,降低生产成本,另一方面低成本资源化利用废液废渣,培养出高附加值的食用菌,实现废液废渣零排放并增加收益。
本发明是通过以下技术方案予以实现的:
本发明提出一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法,包括如下步骤:
(1)收集农作物废弃物,粉碎至20目以上,洗涤去除粉尘,固液分离后晾干备用;
(2)将洗涤晾干的农作物废弃物与2%~4%(质量体积比)的碱液以固液比1:10~1:20(质量体积比)混合后,在60℃~80℃处理2~4h后固液分离,得到碱预处理液和固体残渣I,分别收集碱预处理液和固体残渣I;
(3)以固体残渣I绝干质量为基准,按照固体残渣I与水的固液比为1:5~1:10(质量体积比)的量向固体残渣I中加水得到固体残渣液,随后加酸调整固体残渣液的pH至4.8~5.5,以20~40FPU/g纤维素的量向固体残渣液中加入纤维素酶,在50℃、100~150rpm条件下酶解48~72h后,降温至30℃~35℃,向酶解后的固体残渣液中添加营养物质,所述的营养物质以酶解后的固体残渣液的体积为准,以质量体积比计,包括0.25%~0.5%酵母粉、0.25%~0.5%蛋白胨、0.25%~0.5%KH2PO4、0.01%~0.02%(NH4)2SO4和0.02%~0.04%MgSO4·7H2O后,接入驯化的耐毒乙醇发酵菌,在100~150rpm条件下发酵24~48h后固液分离,得到液体和固体残渣II,液体经蒸馏获得乙醇,蒸馏残液用于生产沼气或者制备食用菌培养基;
(4)调节步骤(2)收集的碱预处理液pH值至5.0~7.8;
(5)将步骤(4)调节pH后的碱预处理液与栽培培养料以料液比0.4~0.5均匀拌料,灭菌后即得食用菌栽培培养基,所述的栽培培养料,以质量分数计,包括步骤(3)得到的固体残渣II 20%~39%、20~40目的生物质废弃物39%~69%、麸皮10%~21%和石膏粉1%~1.5%。
步骤(3)中加酸调整固体残渣液的pH,酸为乙酸或柠檬酸,步骤(4)中加入乙酸或柠檬酸调节步骤(2)收集的碱预处理液pH值。
本方法通过直接加水调pH的方式省略了碱预处理固体残渣的洗涤工序,简化了操作步骤,降低了耗水量和废水排放量,同时通过耐毒乙醇发酵菌株的驯化,可以获得较好的乙醇转化率。另外,调节木质纤维素碱预处理液pH后,直接与木质纤维素发酵固体残渣及其他物料混合调配成食用菌培养基,无需提取预处理液中的固体基质,无需额外添加水,且培养基配制简单。
优选地,步骤(3)中的耐毒乙醇发酵菌株是由以下方法获得:将调整pH的碱预处理液用蒸馏水以10倍、8倍、6倍、4倍、2倍进行梯度稀释,获得一系列稀释液,用该系列稀释液配制培养基;以酿酒酵母为原始菌株,接种在10倍稀释液配制的培养基中,待其长出菌落并且稳定生长后,将其转接于8倍稀释液配制的培养基中,待其长出菌落并且稳定生长后,以此类似依次转接于6倍、4倍、2倍稀释液配制的培养基中,经驯化培养后,选择在4倍稀释液配制的培养基中生长的菌株即为所述的耐毒乙醇发酵菌株。
优选地,步骤(1)所述的农作物废弃物选自蔗渣、玉米秸秆、玉米芯和小麦秸秆中的一种;步骤(5)所述的生物质废弃物选自蔗渣、稻草秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉籽壳和木屑中的一种。
本发明的有益效果在于:一方面简化了碱预处理的操作工序,减少了耗水量和废水排放量,降低了生产成本,另一方面实现废水废渣零排放的同时培养出高附加值的食用菌,增加收益。
具体实施方式:
以下是对本发明的进一步说明,而不是对本发明的限制。纤维素酶购自宁夏禾氏璧生物技术有限公司。
实施例1
取过筛40~60目的甘蔗渣置于反应釜内,以固液比1:10(g绝干物料/mL)加入质量体积比为2%的NaOH溶液,在80℃、100rpm的条件下处理2h后,采用过滤的方法进行固液分离,得到碱预处理液和固体残渣I。以固液比1:5(g绝干预处理物料/mL)的量向固体残渣I中加水得到固体残渣液,用乙酸调固体残渣液pH至4.8,以20FPU/g纤维素的量向固体残渣液中加入纤维素酶,在50℃、100rpm的条件下酶解72h。
整个过程每次耗水量与原料质量比为13:1(mL/g绝干物料),排出废水量与原料质量比为6:1(mL/g绝干物料),得到葡萄糖浓度为55.8g/L,木糖浓度为21.8g/L,综纤维素转化率为79.6%。温度降至30℃,以酶解后的固体残渣液的体积为准,加入0.25%酵母粉、0.25%蛋白胨、0.25%KH2PO4、0.01%(NH4)2SO4和0.02%MgSO4·7H2O(均为质量体积比)后,接入驯化的耐毒乙醇发酵菌株发酵24h,得到乙醇浓度为25.0g/L。
用乙酸调甘蔗渣碱预处理液的pH至7.8,经测定调节pH后的蔗渣碱预处理液中碳元素含量3%(质量体积比),氮元素含量0.0017%(质量体积比)。收集碱预处理蔗渣经酶解发酵后的固体残渣,经测定固体残渣的含水量80.2%,碳元素含量47.3%,氮元素含量0.76%。以质量百分数计,栽培培养料包括20~40目的稻草39%,蔗渣发酵后的固体残渣39%,麸皮19%,尿素2%和石膏粉1%,将调整pH后的碱预处理液以料液比0.4添加栽培培养料,灭菌后即得草菇栽培培养基。
草菇菌丝在本发明的培养基中4天长出气生菌丝,且较为密集,而在常规培养基(以质量分数计,稻草78%,麸皮19%,尿素2%和石膏粉1%,磷酸缓冲液(pH7.8)以料液比0.4添加拌料)中7天长出气生菌丝,且较为稀疏。
对比例1
取过筛40~60目的甘蔗渣置于反应釜内,以固液比1:10(g绝干物料/mL)加入质量分数为2%的NaOH溶液,在80℃、100rpm的条件下处理2h后,采用过滤的方法进行固液分离,得到碱预处理液和预处理残渣。以固液比1:10的量加水洗涤预处理残渣至pH中性,挤干物料,按固液比1:10加入乙酸缓冲液(pH4.8),以20FPU/g纤维素的量加入纤维素酶,在50℃、100rpm的条件下酶解72h。整个过程每次耗水量与原料质量比为84.5:1(mL/g绝干物料),排出废水量与原料质量比为76:1(mL/g绝干物料),得到葡萄糖浓度为56.7g/L,木糖浓度为23.4g/L,综纤维素转化率为81.4%。温度降至30℃,加入营养元素,接入乙醇发酵菌株发酵24h,得到乙醇浓度为26.0g/L。
对比例2
取过筛40~60目的甘蔗渣置于反应釜内,以固液比1:10(g绝干物料/mL)加入质量百分数为2%的NaOH溶液,在80℃、100rpm的条件下处理2h后,采用过滤的方法进行固液分离,收集碱处理废液I1和固体残渣I1。以固液比1:10的量加水洗涤固体残渣I1 3次后,收集洗涤废液II1、III1和IV1,按固液比1:10的量用洗涤废液II1调整碱废液I1的体积,加入质量分数为1%的NaOH溶液后与下一批甘蔗渣混合,在80℃、100rpm的条件下处理2h后,采用过滤的方法进行固液分离,用洗涤废液III1和IV1按照依次洗涤预处理固体残渣并固液分离后再次收集洗涤废液II2和III2,第三次用水以固液比1:10的量进行洗涤,固液分离后再次收集洗涤废液IV2。重复上述步骤再依次处理9批甘蔗渣,处理最后一批的洗涤废液IV10加入NaOH后作为下一批次的起始处理液。将10批次的经洗涤的预处理甘蔗渣混合后加水调固液比1:10,用冰乙酸调pH至4.8。以20FPU/g纤维素和2.5μL/mL的量分别加入纤维素酶和Tween80到已调好pH的预处理残渣中,在固液比1:10、pH4.8、50℃、80rpm的条件下酶解72h。整个过程耗水量与原料质量比例为17.5:1(mL/g绝干物料),排出废水量与原料质量比例为9.2:1(mL/g绝干物料),得到葡萄糖浓度为56.5g/L,木糖浓度为22.7g/L,综纤维素转化率为81.0%。温度降至30℃,加入营养元素,接入乙醇发酵菌株发酵24h,得到乙醇浓度为25.9g/L。
实施例1,与对比例1(常规碱预处理)和对比例2(专利CN105838756A)相比,工序简化,耗水量和废水排放量最低,废水和废渣得到有效资源化利用。
实施例2
取过筛40~60目的甘蔗渣置于反应釜内,以固液比1:20(g绝干物料/mL)加入质量体积比为4%的NaOH溶液,在60℃、100rpm的条件下处理4h后,采用过滤的方法进行固液分离,得到碱预处理液和固体残渣I。以固液比1:10(g绝干预处理物料/mL)的量向固体残渣I中加水得到固体残渣液,用乙酸调固体残渣液pH至5.5,以40FPU/g纤维素的量向固体残渣液中加入纤维素酶,在50℃、150rpm的条件下酶解48h。
整个过程每次耗水量与原料质量比为26:1(mL/g绝干物料),排出废水量与原料质量比为12:1(mL/g绝干物料),得到葡萄糖浓度为35.8g/L,木糖浓度为16.4g/L,综纤维素转化率为83.4%。温度降至35℃,以酶解后的固体残渣液的体积为准,加入0.25%酵母粉、0.25%蛋白胨、0.25%KH2PO4、0.01%(NH4)2SO4和0.02%MgSO4·7H2O(均为质量体积比)后,接入驯化的耐毒乙醇发酵菌株发酵48h,得到乙醇浓度为16.4g/L。
用柠檬酸调甘蔗渣碱预处理液的pH至5.0,经测定调节pH后的蔗渣碱预处理液中碳元素含量3.5%(质量体积比),氮元素含量0.0023%(质量体积比)。收集碱预处理蔗渣经酶解发酵后的固体残渣,经测定固体残渣的含水量82.3%,碳元素含量43.3%,氮元素含量0.54%。以质量百分数计,栽培培养料包括20~40目的稻草69%,蔗渣发酵后的固体残渣20%,麸皮10%和石膏粉1%,将调整pH后的碱预处理液以料液比0.5添加栽培培养料,灭菌后即得草菇栽培培养基。
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、简化等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 (4)
1.一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)收集农作物废弃物,粉碎至20目以上,洗涤去除粉尘,固液分离后晾干备用;
(2)将洗涤晾干的农作物废弃物与质量体积比为2%~4%的碱液以固液比1:10~1:20混合后,在60℃~80℃处理2~4h后固液分离,得到碱预处理液和固体残渣I,分别收集碱预处理液和固体残渣I;
(3)以固体残渣I绝干质量为基准,按照固体残渣I与水的固液比为1:5~1:10的量向固体残渣I中加水得到固体残渣液,随后加酸调整固体残渣液的pH至4.8~5.5,以20~40FPU/g纤维素的量向固体残渣液中加入纤维素酶,在50℃、100~150rpm条件下酶解48~72h后,降温至30℃~35℃,向酶解后的固体残渣液中添加营养物质,所述的营养物质以酶解后的固体残渣液的体积为准,以质量体积比计,包括0.25%~0.5%酵母粉、0.25%~0.5%蛋白胨、0.25%~0.5%KH2PO4、0.01%~0.02%(NH4)2SO4和0.02%~0.04%MgSO4·7H2O后,接入驯化的耐毒乙醇发酵菌,发酵24~48h后固液分离,得到液体和固体残渣II,液体经蒸馏获得乙醇,液体蒸馏残液用于生产沼气或者制备食用菌培养基;
(4)调节步骤(2)收集的碱预处理液pH值至5.0~7.8;
(5)将步骤(4)调节pH后的碱预处理液与栽培培养料以料液比0.4~0.5均匀拌料,灭菌后即得食用菌栽培培养基,所述的栽培培养料,以质量分数计,包括步骤(3)得到的固体残渣II 20%~39%、20~40目的生物质废弃物39%~69%、麸皮10%~21%和石膏粉1%~1.5%。
2.根据权利要求1所述的一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法,其特征在于,步骤(3)中的耐毒乙醇发酵菌株是由以下方法获得:将调整pH的碱预处理液用蒸馏水以10倍、8倍、6倍、4倍、2倍进行梯度稀释,获得一系列稀释液,用该系列稀释液配制培养基;以酿酒酵母为原始菌株,接种在10倍稀释液配制的培养基中,待其长出菌落并且稳定生长后,将其转接于8倍稀释液配制的培养基中,待其长出菌落并且稳定生长后,以此类似依次转接于6倍、4倍、2倍稀释液配制的培养基中,经驯化培养后,选择在4倍稀释液配制的培养基中生长的菌株即为所述的耐毒乙醇发酵菌株。
3.根据权利要求1所述的一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法,其特征在于,步骤(1)所述的农作物废弃物选自蔗渣、玉米秸秆、玉米芯和小麦秸秆中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种低水耗、零排放的纤维素燃料乙醇生产方法,其特征在于,步骤(5)所述的生物质废弃物选自蔗渣、稻草秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉籽壳和木屑中的一种。
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