CN109852638A - 一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：棉秆芯先经中酸预处理，预处理完成后再经洗涤、过滤，滤液和滤渣分别收集；其中滤液先进行浓缩得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液经脱毒、戊糖发酵后得乙醇成品；滤渣先经酶水解后再己糖发酵后得乙醇成品。本发明可以从棉秆芯中制备出大量的乙醇，既扩大了棉秆芯的有效利用途径，又增加了乙醇的制备来源，可实现变废为宝，并且制备过程环保无污染、操作简单，制备成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种乙醇的制备方法，特别是一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法。
背景技术
我国每年种植棉花8000余万亩，全年可产棉秆约4000万吨。棉秆经机械化采收及专用机械“棉秆皮芯分离机”剥皮分离后提供多种新材料：棉秆皮、棉秆芯、棉桃壳、棉棿。其中棉秆芯占棉秆重量的75％，每吨棉秆可生产棉秆芯750kg，全国每年可产生棉秆芯2400万吨。棉秆芯的主要化学成分同阔叶林的杨树(一般木材中，纤维素占40～50％，还有10～30％的半纤维素和20～30％的木质素；杨树化学成分为纤维素48.76％、木质素21.54％、戊聚糖21.72％、苯醇抽出物1.74％、水分9.69％、灰分0.68％)接近，棉秆芯的燃烧值范围是17.l-18.lMJ/kg,可以作为生物质能原料。
棉秆的化学组成(％)如下表1所示：
表1棉秆的化学组成(％)
从表1中可以看出：棉秆芯主要由纤维素、木质素和多戌糖构成。棉秆芯的纤维素含量54％以上。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，化学式：(C6H10O5)n，分子量：50000～2500000，不溶于水及一般有机溶剂。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起，其结合方式和程度对植物源食品的质地影响很大。棉秆芯的木质素含量15％以上。木质素的构造与多酚非常相似，木质素是三种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁，为次生壁主要成分。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。在木本植物中，木质素占25％，是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。由于自然界中木质素与纤维素、半纤维素等往往相互连接，形成木质素-碳水化合物复合体。
现有技术公开了棉秆芯是造纸的好材料，棉秆芯用来炼制生产生物乙醇的做法在现有技术中却没有公开过，而且乙醇是一种清洁、可再生的液体燃料，我国对乙醇的消耗量很大，利用棉秆芯来制备乙醇不仅可以实现棉秆芯的有效利用，达到废物利用的目的，还能扩大乙醇的制备来源，因此研究如何用棉秆芯生产出乙醇具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，它可以从棉秆芯中制备出大量的乙醇，既扩大了棉秆芯的有效利用途径，又增加了乙醇的制备来源，可实现变废为宝，并且制备过程环保无污染、操作简单，制备成本较低。
本发明的技术方案是：一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，包括如下步骤：
1)棉秆芯中酸预处理：用“棉秆皮芯分离机”剥皮分离后的棉秆芯在质量分数2％-6％的硫酸中浸泡，浸泡完成后进行过滤，酸液回用，滤渣经研磨后放入容器中密闭，容器放入烘箱中保温一段时间后取出并用水进行洗涤、抽滤，滤液和滤渣分别收集；
2)将步骤1)中所得滤液浓缩至木糖质量浓度为40-50g/L，得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液采用三烷基萃取法进行脱毒，上述的三烷基萃取法与现有技术中常见的三烷基萃取法的具体操作方法相同；
3)将步骤2)中所得脱毒后的产物加入戊糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵40-50h，发酵完成后得乙醇成品；
4)将步骤1)中所得滤渣先进行烘干处理，然后按滤渣2g：浓度(1mol/L)1mL:酶用量18FPIU/g(纤维素计)纤维素酶液:水20ml的比例混合，混合物搅拌均匀，放入容器封口后置50-60℃、振幅为70-85的恒温水浴装置中进行酶水解反应40-50h，反应结束后，2500-3000r/min离心7-10min，离心分离后得上清液；
5)将步骤4)中所得上清液进行稀释，然后加入己糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵18-30h，发酵完成后得乙醇成品。
进一步的，所述步骤1)中浸泡的时间为8-12h，浸泡过程在常温下进行，浸泡时棉秆芯与硫酸的固液比(g/ml)为1:10-1:20。
进一步的，所述步骤1)中的保温过程具体为：在90-150℃的烘箱中保温8-14h。
进一步的，所述步骤1)中的洗涤过程具体为：采用50-70℃的清水，滤渣与水的固液比(g/ml)为1：8-1:12，反复洗涤、抽滤3-5次。
进一步的，所述步骤2)中的浓缩过程在蒸发仪中进行，所述蒸发仪的水浴浊度为70-80℃，真空压力为15-20KPa。
进一步的，所述步骤3)中的戊糖发酵酵母为酿酒酵母NL22。
进一步的，所述步骤5)中的己糖发酵酵母为树干毕赤酵母NLP31。
进一步的，所述步骤3)和步骤5)中的培养基为斜面培养基，培养基中的培养液均采用PH＝5.4的柠檬酸缓冲液配制。
进一步的，所述步骤3)和步骤5)的发酵条件均为在温度27-33℃环境下，培养基的转速为120-180r/min。
本发明采用棉秆芯生物炼制乙醇的原理如下:
生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料，本发明采用生物炼制的方法从棉秆芯中制备出乙醇的过程是利用木质纤维素材料生产化学品、燃料的过程。
棉秆芯主要由纤维素、木质素和多戌糖构成，棉秆芯中的纤维素分解需要依靠纤维素酶来进行，纤维素酶是酶的一种，在分解纤维素时起生物催化作用，是可以将纤维素分解成寡糖或单糖的蛋白质。β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单体酶，而是起协同作用的多组分酶系，是一种复合酶，主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成，还有很高活力的木聚糖酶，作用于纤维素以及从纤维素衍生出来的产物。微生物纤维素酶在转化不溶性纤维素成葡萄糖以及在果蔬汁中破坏细胞壁从而提高果汁得率等方面具有非常重要的作用。用于生产的纤维素酶来自于真菌，比较典型的有木霉属、曲霉属和青霉属。
纤维素酶根据其催化反应功能的不同可分为内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡聚糖苷酶。内切葡聚糖酶随机切割纤维素多糖链内部的无定型区,产生不同长度的寡糖和新链的末端；外切葡聚糖酶作用于这些还原性和非还原性的纤维素多糖链的末端,释放葡萄糖或纤维二糖；β-葡萄糖苷酶水解纤维二糖产生两分子的葡萄糖。真菌纤维素酶产量高、活性大。纤维素酶反应和一般酶反应不一样，其最主要的区别在于纤维素酶是多组分酶系，且底物结构极其复杂。由于底物的水不溶性，纤维素酶的吸附作用代替了酶与底物形成的ES复合物过程。纤维素酶先特异性地吸附在底物纤维素上，然后在几种组分的协同作用下将纤维素分解成葡萄糖。纤维素酶的最适pH一般在4.5-6.5。葡萄糖酸内酯能有效的抑制纤维素酶，重金属离子如铜和汞离子，也能抑制纤维素酶，但是半胱氨酸能消除它们的抑制作用，甚至进一步激活纤维素酶。植物组织中含有天然的纤维素酶抑制剂；它能保护植物免遭霉菌的腐烂作用，这些抑制剂是酚类化合物。如果植物组织中存在着高的氧化酶活力，那么它能将酚类化合物氧化成醌类化合物，后者能抑制纤维素酶。
本发明的有益效果：
1、可以从棉秆芯中制备出大量的乙醇，既扩大了棉秆芯的有效利用途径，又增加了乙醇的制备来源，可实现变废为宝，并且制备过程环保无污染、操作简单，制备成本较低；
2、本发明将棉秆芯进行中酸预处理后过滤所得滤渣和滤液分别采用不同的处理过程进行乙醇的制备，可保证棉秆芯中的有效成分最大限度地转化为乙醇，使棉秆芯的利用率较高。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，包括如下步骤：
1)棉秆芯中酸预处理：棉秆皮芯分离后的棉秆芯在质量分数3.5％的硫酸中浸泡，浸泡完成后进行过滤，酸液回用，滤渣经研磨后放入容器中密闭，容器放入烘箱中保温一段时间后取出并用水进行洗涤、抽滤，滤液和滤渣分别收集；
2)将步骤1)中所得滤液浓缩至木糖质量浓度为45g/L，得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液采用三烷基萃取法进行脱毒；
3)将步骤2)中所得脱毒后的产物加入戊糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，戊糖发酵酵母为酿酒酵母NL22，发酵的时间为44h，发酵完成后得乙醇成品；
4)将步骤1)中所得滤渣先进行烘干处理，然后按滤渣2g：浓度(1mol/L)1mL:酶用量18FPIU/g(纤维素计)纤维素酶液:水20ml的比例混合，混合物搅拌均匀，放入容器封口后置50℃、振幅为80的恒温水浴装置中进行酶水解反应44h，反应结束后，3000r/min离心8min，离心分离后得上清液；
5)将步骤4)中所得上清液进行稀释，然后加入己糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，己糖发酵酵母为树干毕赤酵母NLP31，发酵的时间为20h，发酵完成后得乙醇成品。
本实施例中，步骤1)中浸泡的时间为10h，浸泡过程在常温下进行，浸泡时棉秆芯与硫酸的固液比(g/ml)为1:15；该步骤中的保温过程具体为：在115℃的烘箱中保温10h；该步骤中的洗涤过程具体为：采用60℃的清水，滤渣与水的固液比(g/ml)为1：10，反复洗涤、抽滤3次。
本实施例中，步骤2)中的三烷基萃取法与现有技术中常见的三烷基萃取法的具体操作方法相同；该步骤中的浓缩过程在蒸发仪中进行，蒸发仪的水浴浊度为75℃，真空压力为17KPa。
本实施例中，步骤3)和步骤5)中的培养基为斜面培养基，培养基中的培养液均采用PH＝5.4的柠檬酸缓冲液配制；这两步中的发酵条件均为在温度28℃环境下，培养基的转速为150r/min。
经过上述的生物炼制过程后，棉秆芯预处理滤渣经酶水解、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为61.56g/L、糖利用率为98.72％、乙醇得率为88.95％；棉秆芯预水解液经三烷基胺脱毒、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为21.35g/L、糖利用率为92.86％、乙醇得率为83.27％。采用上述方法制备乙醇，1t乙醇需4.8t绝干棉秆芯。
实施例2：
如图1所示，一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，包括如下步骤：
1)棉秆芯中酸预处理：棉秆皮芯分离后的棉秆芯在质量分数2％的硫酸中浸泡，浸泡完成后进行过滤，酸液回用，滤渣经研磨后放入容器中密闭，容器放入烘箱中保温一段时间后取出并用水进行洗涤、抽滤，滤液和滤渣分别收集；
2)将步骤1)中所得滤液浓缩至木糖质量浓度为40g/L，得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液采用三烷基萃取法进行脱毒；
3)将步骤2)中所得脱毒后的产物加入戊糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，戊糖发酵酵母为酿酒酵母NL22，发酵的时间为40h，发酵完成后得乙醇成品；
4)将步骤1)中所得滤渣先进行烘干处理，然后按滤渣2g：浓度(1mol/L)1mL:酶用量18FPIU/g(纤维素计)纤维素酶液:水20ml的比例混合，混合物搅拌均匀，放入容器封口后置50℃、振幅为85的恒温水浴装置中进行酶水解反应40h，反应结束后，2500r/min离心8min，离心分离后得上清液；
5)将步骤4)中所得上清液进行稀释，然后加入己糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，己糖发酵酵母为树干毕赤酵母NLP31，发酵的时间为18h，发酵完成后得乙醇成品。
本实施例中，步骤1)中浸泡的时间为8h，浸泡过程在常温下进行，浸泡时棉秆芯与硫酸的固液比(g/ml)为1:10；该步骤中的保温过程具体为：在90℃的烘箱中保温14h；该步骤中的洗涤过程具体为：采用50℃的清水，滤渣与水的固液比(g/ml)为1：8，反复洗涤、抽滤4次。
本实施例中，步骤2)中的三烷基萃取法与现有技术中常见的三烷基萃取法的具体操作方法相同；该步骤中的浓缩过程在蒸发仪中进行，蒸发仪的水浴浊度为70℃，真空压力为15KPa。
本实施例中，步骤3)和步骤5)中的培养基为斜面培养基，培养基中的培养液均采用PH＝5.4的柠檬酸缓冲液配制；这两步中的发酵条件均为在温度27℃环境下，培养基的转速为180r/min。
经过上述的生物炼制过程后，棉秆芯预处理滤渣经酶水解、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为61.02g/L、糖利用率为97.80％、乙醇得率为88.05％；棉秆芯预水解液经三烷基胺脱毒、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为20.65g/L、糖利用率为92.16％、乙醇得率为82.37％。采用上述方法制备乙醇，1t乙醇需4.85t绝干棉秆芯。
实施例3：
如图1所示，一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，包括如下步骤：
1)棉秆芯中酸预处理：棉秆皮芯分离后的棉秆芯在质量分数4％的硫酸中浸泡，浸泡完成后进行过滤，酸液回用，滤渣经研磨后放入容器中密闭，容器放入烘箱中保温一段时间后取出并用水进行洗涤、抽滤，滤液和滤渣分别收集；
2)将步骤1)中所得滤液浓缩至木糖质量浓度为50g/L，得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液采用三烷基萃取法进行脱毒；
3)将步骤2)中所得脱毒后的产物加入戊糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，戊糖发酵酵母为酿酒酵母NL22，发酵的时间为48h，发酵完成后得乙醇成品；
4)将步骤1)中所得滤渣先进行烘干处理，然后按滤渣2g：浓度(1mol/L)1mL:酶用量18FPIU/g(纤维素计)纤维素酶液:水20ml的比例混合，混合物搅拌均匀，放入容器封口后置58℃、振幅为70的恒温水浴装置中进行酶水解反应50h，反应结束后，2800/min离心9min，离心分离后得上清液；
5)将步骤4)中所得上清液进行稀释，然后加入己糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，己糖发酵酵母为树干毕赤酵母NLP31，发酵的时间为25h，发酵完成后得乙醇成品。
本实施例中，步骤1)中浸泡的时间为8h，浸泡过程在常温下进行，浸泡时棉秆芯与硫酸的固液比(g/ml)为1:20；该步骤中的保温过程具体为：在150℃的烘箱中保温8h；该步骤中的洗涤过程具体为：采用60℃的清水，滤渣与水的固液比(g/ml)为1：12，反复洗涤、抽滤4次。
本实施例中，步骤2)中的三烷基萃取法与现有技术中常见的三烷基萃取法的具体操作方法相同；该步骤中的浓缩过程在蒸发仪中进行，蒸发仪的水浴浊度为72℃，真空压力为20KPa。
本实施例中，步骤3)和步骤5)中的培养基为斜面培养基，培养基中的培养液均采用PH＝5.4的柠檬酸缓冲液配制；这两步中的发酵条件均为在温度33℃环境下，培养基的转速为160r/min。
经过上述的生物炼制过程后，棉秆芯预处理滤渣经酶水解、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为60.86g/L、糖利用率为97.52％、乙醇得率为86.95％；棉秆芯预水解液经三烷基胺脱毒、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为20.15g/L、糖利用率为91.66％、乙醇得率为81.77％。采用上述方法制备乙醇，1t乙醇需4.82t绝干棉秆芯。
实施例4：
如图1所示，一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，包括如下步骤：
1)棉秆芯中酸预处理：棉秆皮芯分离后的棉秆芯在质量分数6％的硫酸中浸泡，浸泡完成后进行过滤，酸液回用，滤渣经研磨后放入容器中密闭，容器放入烘箱中保温一段时间后取出并用水进行洗涤、抽滤，滤液和滤渣分别收集；
2)将步骤1)中所得滤液浓缩至木糖质量浓度为47g/L，得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液采用三烷基萃取法进行脱毒；
3)将步骤2)中所得脱毒后的产物加入戊糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，戊糖发酵酵母为酿酒酵母NL22，发酵的时间为50h，发酵完成后得乙醇成品；
4)将步骤1)中所得滤渣先进行烘干处理，然后按滤渣2g：浓度(1mol/L)1mL:酶用量18FPIU/g(纤维素计)纤维素酶液:水20ml的比例混合，混合物搅拌均匀，放入容器封口后置58℃、振幅为75的恒温水浴装置中进行酶水解反应48h，反应结束后，3000r/min离心7min，离心分离后得上清液；
5)将步骤4)中所得上清液进行稀释，然后加入己糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵，己糖发酵酵母为树干毕赤酵母NLP31，发酵的时间为30h，发酵完成后得乙醇成品。
本实施例中，步骤1)中浸泡的时间为12h，浸泡过程在常温下进行，浸泡时棉秆芯与硫酸的固液比(g/ml)为1:20；该步骤中的保温过程具体为：在115℃的烘箱中保温10h；该步骤中的洗涤过程具体为：采用50-70℃的清水，滤渣与水的固液比(g/ml)为1：9，反复洗涤、抽滤5次。
本实施例中，步骤2)中的三烷基萃取法与现有技术中常见的三烷基萃取法的具体操作方法相同；该步骤中的浓缩过程在蒸发仪中进行，蒸发仪的水浴浊度为76℃，真空压力为16KPa。
本实施例中，步骤3)和步骤5)中的培养基为斜面培养基，培养基中的培养液均采用PH＝5.4的柠檬酸缓冲液配制；这两步中的发酵条件均为在温度30℃环境下，培养基的转速为160r/min。
经过上述的生物炼制过程后，棉秆芯预处理滤渣经酶水解、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为60.06g/L、糖利用率为97.12％、乙醇得率为85.95％；棉秆芯预水解液经三烷基胺脱毒、浓缩、发酵后所得乙醇成品的质量浓度为20.05g/L、糖利用率为91.16％、乙醇得率为82.05％。采用上述方法制备乙醇，1t乙醇需4.88t绝干棉秆芯。
经过上述实施例及其他大量实验，并从小试、中试到生产实践，利用了棉秆芯成功炼制出了生物乙醇燃料，并且乙醇的得率均在80％以上。
Claims (9)
1.一种采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)棉秆芯中酸预处理：棉秆皮芯分离后的棉秆芯在质量分数2％-6％的硫酸中浸泡，浸泡完成后进行过滤，酸液回用，滤渣经研磨后放入容器中密闭，容器放入烘箱中保温一段时间后取出并用水进行洗涤、抽滤，滤液和滤渣分别收集；
2)将步骤1)中所得滤液浓缩至木糖质量浓度为40-50g/L，得棉秆芯预水解液，棉秆芯预水解液采用三烷基萃取法进行脱毒；
3)将步骤2)中所得脱毒后的产物加入戊糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵40-50h，发酵完成后得乙醇成品；
4)将步骤1)中所得滤渣先进行烘干处理，然后按滤渣2g：浓度(1mol/L)1mL:酶用量18FPIU/g(纤维素计)纤维素酶液:水20ml的比例混合，混合物搅拌均匀，放入容器封口后置50-60℃、振幅为70-85的恒温水浴装置中进行酶水解反应40-50h，反应结束后，离心分离，得上清液；
5)将步骤4)中所得上清液进行稀释，然后加入己糖发酵酵母在旋转培养基上进行发酵18-30h，发酵完成后得乙醇成品。
2.根据权利要求1所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤1)中浸泡的时间为8-12h，浸泡过程在常温下进行，浸泡时棉秆芯与硫酸的固液比(g/ml)为1:10-1:20。
3.根据权利要求1所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤1)中的保温过程具体为：在90-150℃的烘箱中保温8-14h。
4.根据权利要求1所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤1)中的洗涤过程具体为：采用50-70℃的清水，滤渣与水的固液比(g/ml)为1：8-1:12，反复洗涤、抽滤3-5次。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤2)中的浓缩过程在蒸发仪中进行，所述蒸发仪的水浴浊度为70-80℃，真空压力为15-20KPa。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤3)中的戊糖发酵酵母为酿酒酵母NL22。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤5)中的己糖发酵酵母为树干毕赤酵母NLP31。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤5)中的培养基为斜面培养基，培养基中的培养液均采用PH＝5.4的柠檬酸缓冲液配制。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的采用棉秆芯生物炼制乙醇的方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤5)的发酵条件均为在温度27-33℃环境下，培养基的转速为120-180r/min。
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