CN110172483A - 一种以糠醛渣和油茶饼粕为原料制备乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以糠醛渣和油茶饼粕为原料制备乙醇的方法。本发明提出的生产方法，可以直接利用油茶饼粕中的茶蛋白作为酵母生长所需的氮源，降低培养基成本和化学品的用量；同时，油茶饼粕中的茶皂素可以作为一种表面活性剂促进乙醇的生产。整个反应过程中不经化学预处理，既降低了化学品使用成本，又使得整个工艺过程绿色环保。糠醛渣和油茶饼粕的联合开发，有利于进一步实现农林废弃物的高效利用。在油茶饼粕添加量为10g/L、底物浓度为15％(w/w)、纤维素酶用量为10FPU/g‑纤维素的条件下，发酵120h后溶液中的乙醇浓度为30.54g/L，乙醇得率可达理论值的86.56％。

Description

一种以糠醛渣和油茶饼粕为原料制备乙醇的方法
技术领域
本发明涉及糠醛渣和油茶饼粕的再利用，糠醛渣和油茶饼粕可通过混合底物发酵生产乙醇，属于生物质化学化工领域。
背景技术
作为生物质资源的一个重要分支，农林废弃物有着十分重要的地位。糠醛渣是糠醛生产后的副产物，是一种资源丰富的工业纤维废渣。糠醛渣中纤维素和木质素含量较高，且几乎不含半纤维素，这使其可作为燃料乙醇生产的潜在原料。近年来，有效降解糠醛渣的研究受到国内外学者的广泛关注，但目前仍无法实现糠醛渣的产业化利用。这主要是因为糠醛渣中较高的木质素含量导致其酶解效率较低，其次就是较低的底物浓度使得转化的糖浓度较低无法满足工业上的要求。学者们采用了不同的预处理方法提高糠醛渣的酶解效率，并取得了一定的研究成果。但是，目前大多数的预处理过程需要消耗大量的化学品和额外的能耗，这在带来二次环境污染的同时也增加了乙醇的生产成本。此外，预处理后物料中残存的木质素仍会对酶解产生抑制作用。因此，开发低能耗、低成本的方式来提高酶解效率是实现纤维乙醇工业化生产的关键。
表面活性剂因其独特的结构和功能特性使其在纤维乙醇的生产过程中得到广泛应用。大量研究表明，在乙醇生产过程中添加表面活性剂是一种简单有效的促进乙醇生产的方法。同预处理技术相比，仅添加表面活性剂的生物转化过程所需的能耗较低，这有利于降低乙醇生产成本。目前，用于木质纤维乙醇生产过程中的表面活性剂大多是化学合成类表面活性剂。为了降低乙醇生产过程中化学合成表面活性剂的使用对环境造成的二次污染，具备较好生物降解性和环境兼容性的天然表面活性剂受到了学者们的广泛关注。
油茶是我国特有的油料树种，其种子普遍用于食用油的生产。我国油茶资源丰富，年产量约120万吨，榨油后产生的油茶饼粕约为60万吨。油茶饼粕中含有10％～17％的天然非离子型表面活性剂茶皂素，并且含有茶蛋白等生物活性物质。但是，目前绝大多数的油茶饼粕被用作肥料、燃料或是清塘剂，甚至直接丢弃。这在造成资源浪费的同时也污染了环境。为了加强油茶饼粕的资源化利用，将油茶饼粕中的活性物质进行高值化应用就具有很高的现实意义和良好的应用前景。目前，已有研究证实茶皂素可以作为一种表面活性剂促进木质纤维素的酶解。但是，直接将油茶饼粕应用于纤维乙醇生产的研究还未见报道。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明的目的是提出一种糠醛渣和油茶饼粕混合底物发酵生产乙醇的方法。该方法将油茶饼粕中的茶皂素作为表面活性剂来促进糠醛渣中纤维素的有效转化：并将油茶饼粕中的茶蛋白作为酵母生长所需氮源，降低乙醇生产成本。
为实现上述目的的具体技术方案为：
一种以糠醛渣和油茶饼粕为原料制备乙醇的方法，是将油茶饼粕中的茶皂素作为一种表面活性剂促进纤维素向可发酵性糖的转化、降低纤维素酶用量；并以油茶饼粕中的茶蛋白作为发酵培养基中的氮源，降低培养基成本和化学品的用量。
在糠醛渣以5％(w/w)底物浓度进行的同步糖化发酵过程中，通过对油茶饼粕添加量(10、20和30g/L)的比较得出，添加10g/L油茶饼粕的发酵效果最佳。
优选的，在油茶饼粕添加量为10g/L的条件下，提高发酵底物浓度(10％、15％和20％w/w)。
进一步优选的，在最佳底物浓度(15％w/w)的前提下，考察纤维素酶用量(2.5-15FPU/g-纤维素)对乙醇得率的影响，最佳纤维素酶用量为10FPU/g-纤维素。
优选的，所述糠醛渣和油茶饼粕混合底物同步糖化发酵乙醇生产的方法如下：
发酵培养基成分为：10g/L的油茶饼粕、0.5g/L的(NH4)2HPO4和0.5g/L的MgSO4·7H2O，发酵体系pH值为5.5。
复合纤维素酶NS22086的用量为10FPU/g-纤维素；初始酵母细胞浓度为4g/L。
整个发酵体系配制完成后，将发酵装置放置于温度为38℃、振荡速度为130rpm的恒温振荡摇床中反应120h。
本发明的有益效果在于：
糠醛渣是工业糠醛生产后的纤维废渣，资源量大、价格低廉；糠醛渣中的纤维素经有效降解可转化为葡萄糖，可用于生产乙醇。此外，未洗糠醛渣直接用于乙醇生产可以降低水洗脱毒处理所需的用水量，并减少水洗过程中糖分的损失。
油茶饼粕是榨油过程产生的副产物，富含各种生物活性物质，如茶皂素、茶蛋白等，可用于纤维乙醇的生产过程。
本发明提出的方法，油茶饼粕中的茶皂素可以作为一种表面活性剂促进乙醇的生产；且茶蛋白可以作为酵母生长所需氮源，有利于降低发酵成本。并且本研究表明，油茶饼粕在不经任何处理的前提下，可直接用于乙醇发酵体系。整个反应过程中不经化学预处理，既降低了化学品使用成本，又使得整个工艺过程绿色环保。
糠醛渣在底物浓度为15％(w/w)、加酶量为10FPU/g-纤维素的发酵过程中，添加10g/L的油茶饼粕可使乙醇得率达到理论值的86.56％。与其他涉及预处理的生物转化过程相比，添加油茶饼粕的发酵过程所需的能耗更低，这表明高底物浓度同步糖化发酵乙醇的生产可以通过较为简化的过程实现。
附图说明
图1是本发明糠醛渣和油茶饼粕混合底物发酵乙醇生产的工艺流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中，糠醛渣的含水率为45％～50％。油茶饼粕中茶皂素和蛋白质的含量分别为10.0％和8.8％。
实施例中，如无特殊说明，所使用的手段均为本领域常规的技术手段。
实施例1
流程见图1。
1)糠醛渣不经任何脱毒处理，仅将其用粉碎机粉碎、工业振动筛筛分过40目筛后，贮存于4℃的冰箱中备用；油茶饼粕用粉碎机粉碎、工业振动筛筛分过40目筛后，置于50℃的烘箱中烘12h，随后放于干燥器中备用。
2)酵母的活化：称取6.0g的干酵母溶于灭菌后的2％(w/v)葡萄糖溶液中，将混合液置于36℃的摇床中静置培养15min，随后将摇床温度降至34℃继续培养1h。活化完成后，精确称取8.0g酵母细胞培养液，于4000g的转速下离心5min后倒掉上清液，再用1.2mL无菌水重悬离心后的酵母细胞，制备成200g/L的高浓度酵母细胞种子液。
3)配制发酵培养基：1O、20和30g/L的油茶饼粕、0.5g/L的(NH4)2HPO4和0.5g/L的MgSO4·7H2O。具体发酵条件如下：称取3.0g(绝干质量)未洗糠醛渣加入装有60mL发酵培养基的锥形瓶中(100mL)，用少量20％(w/w)的NaOH溶液将发酵体系的pH值调至5.5。随后将装有上述物料的锥形瓶用封口膜封住后置于115℃的灭菌锅中灭菌30min。灭菌结束后将锥形瓶冷却至室温，在超净工作台中加入纤维素酶和活化后的酵母。复合纤维素酶NS22086的用量为15FPU/g-纤维素。高浓度酵母细胞种子液的添加量为1.2mL，最终发酵体系中初始酵母细胞浓度为4g/L。整个发酵体系配制完成后，我们将锥形瓶用装有无菌甘油的特殊瓶盖进行密封，以提供酵母生长所需的厌氧环境。随后将发酵装置放置于温度为38℃、振荡速度为130rpm的恒温振荡摇床中反应120h。
当发酵体系中加入10g/L的油茶饼粕时，乙醇得率达到理论值的85.40％。
实施例2
在油茶饼粕添加量为10g/L、纤维素酶用量为15FPU/g-纤维素的条件下，探究底物浓度(10％、15％和20％w/w)对糠醛渣和油茶饼粕混合底物发酵过程的影响。发酵过程的其他参数如实施例1所述。
当底物浓度为10％(w/w)时，乙醇得率最高，可达理论值的93.39％；当底物浓度提高至15％(w/w)时，乙醇得率略有下降(89.89％)；但是当底物浓度提高至20％(w/w)时，乙醇得率显著降低(61.80％)。为了降低乙醇生产的过程成本并获得更高浓度的乙醇，后续发酵过程的优化将在15％(w/w)底物浓度的基础上进行。
实施例3
在油茶饼粕添加量为10g/L、底物浓度为15％(w/w)的前提下，考察了纤维素酶用量(2.5、5、10、15FPU/g-纤维素)对乙醇得率的影响。发酵过程的其他参数如实施例1所述。
当酶用量为10FPU/g-纤维素时，发酵120h后溶液中的乙醇浓度为30.54g/L，乙醇得率达到理论值的86.56％。相较于酶用量为15FPU/g-纤维素的发酵体系(89.89％)，发酵效率仅略有降低。
对比例1
1)糠醛渣不经任何脱毒处理，仅将其用粉碎机粉碎、工业振动筛筛分过40目筛后，贮存于4℃的冰箱中备用。
2)酵母的活化：称取6.0g的干酵母溶于灭菌后的2％(w/v)葡萄糖溶液中，将混合液置于36℃的摇床中静置培养15min，随后将摇床温度降至34℃继续培养1h。活化完成后，精确称取8.0g酵母细胞培养液，于4000g的转速下离心5min后倒掉上清液，再用1.2mL无菌水重悬离心后的酵母细胞，制备成200g/L的高浓度酵母细胞种子液。
3)配制发酵培养基：①空白对照组：以蒸馏水为发酵培养基，不添加任何营养物质；②无机培养基：0.5g/L的(NH4)2HPO4和0.5g/L的MgSO4·7H2O。具体发酵条件如下：称取3.0g(绝干质量)未洗糠醛渣加入装有60mL发酵培养基的锥形瓶中(100mL)，用少量20％(w/w)的NaOH溶液将发酵体系的pH值调至5.5。随后将装有上述物料的锥形瓶用封口膜封住后置于115℃的灭菌锅中灭菌30min。灭菌结束后将锥形瓶冷却至室温，在超净工作台中加入纤维素酶和活化后的酵母。复合纤维素酶NS22086的用量为15FPU/g-纤维素。高浓度酵母细胞种子液的添加量为1.2mL，最终发酵体系中初始酵母细胞浓度为4g/L。整个发酵体系配制完成后，我们将锥形瓶用装有无菌甘油的特殊瓶盖进行密封，以提供酵母生长所需的厌氧环境。随后将发酵装置放置于温度为38℃、振荡速度为130rpm的恒温振荡摇床中反应120h。
空白对照组和无机培养基的乙醇得率分别为理论值的73.03％、81.15％。
讨论：发酵培养基中缺乏无机盐和氮源会抑制酵母的生长和代谢，进而导致乙醇得率降低。
对比例2
1)糠醛渣不经任何脱毒处理，仅将其用粉碎机粉碎、工业振动筛筛分过40目筛后，贮存于4℃的冰箱中备用。
2)酵母的活化方式如对比例1所述。
3)配制发酵培养基：①空白对照组：以蒸馏水为发酵培养基，不添加任何营养物质；②无机培养基：0.5g/L的(NH4)2HPO4和0.5g/L的MgSO4·7H2O；③有机培养基：1.0g/L的酵母提取物、0.5g/L的(NH4)2HPO4和0.5g/L的MgSO4·7H2O。具体发酵条件如下：配制底物浓度为15％(w/w)的60mL发酵体系，用少量20％(w/w)的NaOH溶液将发酵体系的pH值调至5.5。随后将装有上述物料的锥形瓶用封口膜封住后置于115℃的灭菌锅中灭菌30min。灭菌结束后将锥形瓶冷却至室温，在超净工作台中加入纤维素酶和活化后的酵母。复合纤维素酶NS22086的用量为10FPU/g-纤维素。高浓度酵母细胞种子液的添加量为1.2mL，最终发酵体系中初始酵母细胞浓度为4g/L。整个发酵体系配制完成后，我们将锥形瓶用装有无菌甘油的特殊瓶盖进行密封，以提供酵母生长所需的厌氧环境。随后将发酵装置放置于温度为38℃、振荡速度为130rpm的恒温振荡摇床中反应120h。
空白对照组、无机培养基和有机培养基中的乙醇得率分别为理论值的74.55％、77.32％和82.47％。
讨论：空白对照组的乙醇得率最低，这是因为在此条件下酵母缺乏生长所需的氮源和矿物盐，使其发酵活性降低。与空白对照组相比，添加无机盐的发酵体系的乙醇得率增加了2.77％；向发酵体系中进一步添加酵母提取物作为酵母生长所需氮源，乙醇得率提高了7.92％；实施例3中添加油茶饼粕的发酵体系中乙醇得率可达理论值的86.56％，明显高于其他培养基。这是因为，油茶饼粕中的茶蛋白可以满足酵母生长过程中对氮源的需求，且发酵液中的茶皂素可以促进纤维素的降解，有利于提高乙醇得率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种以糠醛渣和油茶饼粕为原料制备乙醇的方法，其特征在于，将糠醛渣不经水洗脱毒处理直接作为乙醇生产的原料，并直接利用油茶饼粕中的活性物质(茶皂素和茶蛋白)来促进乙醇的生产。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，所述糠醛渣为工业纤维废渣，含水量为45％～50％，游离葡萄糖含量约为5％，未洗糠醛渣直接用于乙醇生产可以降低水洗脱毒处理所需的用水量，并减少水洗过程中糖分的损失，具有较好的经济性。
3.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，油茶饼粕中的茶皂素可以作为一种表面活性剂促进纤维素的有效转化；同时，油茶饼粕中的茶蛋白可以作为酵母生长所需的氮源，能够降低培养基成本。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述发酵培养基含有的成分为10～30g/L的油茶饼粕、0.5g/L的(NH4)2HPO4和0.5g/L的MgSO4·7H2O，其中以10g/L油茶饼粕添加量为最优。
5.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，发酵体系中未洗糠醛渣的底物浓度为5％～20％(w/w)，纤维素酶的加入量为2.5～15FPU/g-纤维素。
6.根据权利要求1～5任一项所述的生产方法，其特征在于，发酵体系中初始酵母细胞浓度为4g/L、培养的条件为温度38℃、时间120h、振荡速度130rpm。
7.根据权利要求1～5任一项所述的生产方法，其特征在于，发酵结束后，将发酵液在12000×g离心条件下离心15min后收集上清液，用0.22μm的水系滤膜过滤除去不溶物后用HPLC检测发酵液中乙醇浓度。
8.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于，与其他涉及预处理的生物转化过程相比，添加油茶饼粕的发酵过程所需的能耗更低，这表明同步糖化发酵乙醇的生产可以通过较为简化的过程实现。
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