CN109929882A - 以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺。所述工艺包括纤维素预处理、纤维素水解、糖类原料液化、原料混合和加入发酵菌种进行发酵。本发明使用纤维素原料和糖类原料共同发酵生产乙醇，发酵时纤维素原料预处理过程中产生的抑制物被稀释，抑制物对发酵的抑制效果降低，提升纤维素产乙醇的产率。同时本发明使用纤维素原料替代一部分糖类原料，减少发酵行业对糖类原料的需求，避免乙醇行业占用大量的粮食资源。本发明将纤维素原料和糖类原料进行共发酵，可以提升总的乙醇产量，提升纤维素原料的利用率。

Description

以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺

技术领域

本发明属于可再生能源和生物工程技术领域，涉及一种以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺。

背景技术

乙醇因为具有清洁、安全的特点，是一种代表性的可再生能源。目前，乙醇主要有两种生产工艺：第一代和第二代乙醇生产工艺。第一代乙醇的原料主要是糖类，如玉米、木薯、高粱、甘蔗等。糖类原料主要由通过α-糖苷键连接的葡萄糖多糖组成，其易于水解成单糖并被微生物利用。此外，这些原料中还存在一定量的脂肪，蛋白质，微量元素和其他成分，可以促进微生物进行发酵。经过几十年的发展，第一代乙醇生产技术已经十分成熟，并且大规模应用于工业化生产。然而，糖类物质也是人类的食物和动物的饲料，大量使用其生产乙醇将占用大量的耕地，最终可能会导致原料价格上涨，影响其他农作物的生产，减少粮食供应，造成“与民争粮，与粮争地”的窘境(Niphadkar,Bagade et al.2017)。

第二代乙醇生产技术利用纤维素原料生物质生产乙醇。其中纤维素原料的来源十分广泛，包括木材、作物秸秆、甘蔗渣等一系列富含纤维素、半纤维素、木质素的物质。使用纤维素原料炼制乙醇不仅解决了乙醇原料来源问题，而且解决了农林废弃物的处理问题，达到双赢的效果。纤维素原料生物质主要由纤维素，半纤维素和木质素组成，其具有复杂的三维结构，结构致密，很难被微生物利用。DDGS为玉米乙醇发酵的主要副产品，包含纤维素和残留淀粉，主要作为动物饲料使用。使用DDGS炼制乙醇可以利用其中的纤维素和残留淀粉，提高利用价值。纤维素复杂的结构会导致DDGS酶解效率低。因此，木质纤维素、DDGS首先需要进行预处理，改变其结构，使水解过程中酶可以和底物充分接触，促进水解效率。但是预处理过程需要消耗大量的能量，并且产生很多的抑制物，例如乙酸、糠醛、5-羟甲基糠酸、香草酸、香草醛等。这些抑制物达到一定浓度后会对后续的纤维素原料水解和发酵过程产生不利影响。之后，在纤维素原料水解过程中将纤维素酶加入预处理后的底物中，将其水解成相应的单糖。在此过程中需要消耗大量的纤维素酶，大量酶的使用增加了二代乙醇的生产成本。最后，微生物利用水解得到的单糖进行发酵生产乙醇。二代乙醇生产技术可以将纤维素原料生物质直接转化为乙醇，具有广泛的应用前景。但是，由于高昂的酶成本，抑制物的负面影响，乙醇产量较低等因素，使得第二代乙醇技术仍难以实现大规模应用(Niphadkar,S.,P.Bagade and S.Ahmed(2017)."Bioethanol production:insight intopast,present and future perspectives."Biofuels:1-10.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以联合使用纤维素原料和糖类原料共同发酵生产乙醇的工艺，将第二代燃料乙醇生产工艺和现有的第一代乙醇工艺进行联合。该工艺不仅可以利用纤维素原料高效地生产乙醇，同时可以利用纤维素原料部分替代淀粉、糖类原料生产乙醇，减少乙醇行业对淀粉、糖类原料的需求。

实现本发明目的的技术方案如下：

以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺，包括以下步骤：

步骤1，木质纤维素原料的预处理：

将木质纤维素原料进行预处理，得到易于水解的木质纤维素；

步骤2，糖类原料的液化：

向糖类原料中加入水和α-淀粉酶，调节pH，进行液化，得到糖类原料液化液；

步骤3，水解：

将预处理后的木质纤维素置于水中，加入纤维素酶，进行水解，得到木质纤维素水解液；

步骤4，原料混合：

将纤维素水解液和糖类液化液进行混合；

步骤5，发酵：

向混合液中加入糖化酶和氮源，加入乙醇发酵菌，进行发酵，收集乙醇。

优选地，步骤1中，所述的预处理为碱预处理、酸预处理、热水预处理、有机溶剂预处理、离子液体预处理或氨预处理等预处理方法。

优选地，步骤1中，所述的木质纤维素原料可以是木材、玉米秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、小麦秸秆或草本植物的根茎等富含木质纤维素的物质以及DDG/DDGS(distillersdried drains with dolubles，干酒糟)。

优选地，步骤2中，所述的糖类原料为玉米、木薯、高粱、水稻、小麦、马铃薯、甜菜或蔗糖等含有淀粉或者含糖类的物质。

优选地，步骤4中，糖类原料液化液或纤维素水解液分批混合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将纤维素原料乙醇工艺(二代乙醇工艺)和现有糖类乙醇工艺(一代乙醇工艺)进行联合，使纤维素原料得到有效利用，可以减少农林废弃物的处理费用以及农林废弃物的不当处理引起的环境问题，例如秸秆焚烧带来的大气污染；

(2)纤维素原料和糖类原料混合后，纤维素原料预处理过程中产生的抑制物被稀释，抑制物浓度降低，减轻了对发酵的不利影响；

(3)使用纤维素原料替代一部分糖类原料，可以减少对糖类原料的需求，避免乙醇行业占用大量的粮食资源；

(4)将纤维素原料和糖类原料进行共发酵，可以提升总的乙醇产量，提升纤维素原料的利用率。

附图说明

图1为实施例1中稀碱预处理玉米秸秆水解液和玉米液化液混合发酵时的发酵曲线图。

图2为实施例2中稀酸预处理玉米秸秆水解液和玉米液化液混合发酵时的发酵曲线图。

图3为实施例3中稀碱预处理玉米秸秆水解液和玉米液化液按不同方式混合发酵时的发酵曲线图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例使用纤维素原料和糖类原料共同发酵生产乙醇的工艺按以下步骤进行:

玉米秸秆预处理：将玉米秸秆加入到反应器中，加入氢氧化钠溶液，使玉米秸秆质量浓度为10％，氢氧化钠质量浓度为2％，之后在121℃下，预处理20min。然后使用盐酸调节pH至6-8，将预处理后的玉米秸秆置于烘箱中，于60℃下烘干水分至10％-20％待用；

玉米秸秆水解：将预处理后的玉米秸秆加入到反应器中，加入水和纤维素酶，使玉米秸秆质量浓度为30％，纤维素酶加量为40mg蛋白质/g葡聚糖，调节pH为4.7-4.9，于50℃、250rpm下水解48h；

玉米液化：将玉米加入到反应器中，加入水和α-淀粉酶，使玉米质量浓度为30％，α-淀粉酶加量为0.48mg/g玉米，调节pH至5.6-5.8，在85℃下进行液化4h，得到玉米液化液；

乙醇发酵：分别将50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液、40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液加入到100mL反应器中，调整pH至4.5-4.7，加入糖化酶和尿素，糖化酶加量为0.8mg/g玉米，尿素加量为1.285mg/g发酵液，加入0.4g/L的酿酒酵母，于30℃、150rpm下发酵。

本实施例中稀碱预处理秸秆水解液和玉米液化液混合发酵时的发酵曲线如图1所示，图中为50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线，为50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液混合发酵时乙醇的浓度变化曲线，为40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线，为40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时乙醇的浓度变化曲线。从图1可以看出，50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液混合发酵时，72h发酵完成，乙醇浓度为111.51g/L，乙醇产量为5.70g；40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时，96h发酵完成，乙醇浓度为92.88g/L，乙醇产量为4.57g。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是进行玉米秸秆预处理时，在反应釜中加入玉米秸秆和硫酸溶液，使秸秆质量浓度为10％，硫酸质量浓度为1％。在160℃下预处理20min，使用氢氧化钠调节pH至6-8，然后通过滤布将液体过滤掉，将剩余固体于60℃下烘干水分至10％-20％。进行乙醇发酵时，分别将50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液、40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液、30g玉米液化液和30g玉米秸秆水解液加入到100mL反应器中。

本实施例中稀酸预处理秸秆水解液和玉米液化液混合发酵时的发酵曲线如图2所示，图中为50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线，为50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液混合发酵时乙醇的浓度变化曲线，为40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线,为40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时乙醇的浓度变化曲线，为30g玉米液化液和30g玉米秸秆水解液混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线，为30g玉米液化液和30g玉米秸秆水解液混合发酵时乙醇的浓度变化曲线。从图2可以看出，50g玉米液化液和10g玉米秸秆水解液混合发酵时，72h发酵完成，乙醇浓度为119.27g/L，乙醇产量为6.09g；40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时，72h发酵完成，乙醇浓度为108.02g/L，乙醇产量为5.33g。30g玉米液化液和30g玉米秸秆水解液混合发酵时，72h发酵完成，乙醇浓度为94.76g/L，乙醇产量为3.09g。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是进行发酵时，将40g玉米液化液和8g玉米秸秆水解液加入到反应器中，调整pH至4.5-4.7，加入9.6mg糖化酶和77.1mg尿素，加入0.4g/L酿酒酵母，于30℃、150rpm下发酵，在24h时继续加入12g玉米秸秆水解液，于30℃、150rpm下发酵。发酵过程中总的玉米液化液为40g，玉米秸秆水解液为20g。

本实施例中稀碱预处理秸秆水解液和玉米液化液混合发酵时的发酵曲线如图3所示，图中为40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线，为40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时乙醇的浓度变化曲线。40g玉米液化液和20g玉米秸秆水解液混合发酵时，48h发酵基本完成，乙醇浓度为92.68g/L。120h时乙醇浓度为96.43g/L，乙醇产量为4.76g。

对比例1

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是进行乙醇发酵时，加入的玉米液化液和玉米秸秆水解液的质量分别为30g和30g。

本对比例中稀碱预处理秸秆水解液和玉米液化液混合发酵时的发酵曲线如图1所示，图中为混合发酵时葡萄糖的浓度变化曲线，为混合发酵时乙醇的浓度变化曲线。从图1可以看出，30g玉米液化液和30g玉米秸秆水解液混合发酵时，基本没有乙醇生成。

对比例2

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是，发酵过程中不加入玉米秸秆水解液，只以40g玉米液化液作为发酵底物，最终乙醇浓度为124.94g/L，乙醇产量为4.13g。

对比例3

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是，发酵过程中不加入玉米液化液，分别以20g碱预处理秸秆水解液、20g酸预处理秸秆水解液作为发酵底物，最终基本没有乙醇生成。

Claims (5)

1.以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，木质纤维素原料的预处理：

将木质纤维素原料进行预处理，得到易于水解的木质纤维素；

步骤2，糖类原料的液化：

向糖类原料中加入水和α-淀粉酶，调节pH，进行液化，得到糖类原料液化液；

步骤3，水解：

将预处理后的木质纤维素置于水中，调节pH，加入纤维素酶，进行水解，得到木质纤维素水解液；

步骤4，原料混合：

将糖类原料液化液和木质纤维素水解液进行混合；

步骤5，发酵：

向混合液中加入糖化酶和氮源，加入乙醇发酵菌，进行发酵，收集乙醇。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤1中，所述的木质纤维素原料为木材、玉米秸秆、水稻秸秆、大豆秸秆、小麦秸秆、草本植物的根茎或干酒糟。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤1中，所述的预处理为碱预处理、酸预处理、热水预处理、有机溶剂预处理、离子液体预处理或氨预处理。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤2中，所述的糖类原料为玉米、木薯、高粱、水稻、小麦、马铃薯、甜菜或蔗糖。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，步骤4中，木质纤维素水解液或糖类原料液化液分批混合。