CN112608950A - 一种纤维素乙醇的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维素乙醇的制备方法，该制备方法将木质纤维素类生物质粉碎，进行水热反应，降温得混合料液，调节其pH，加入纤维素酶与木聚糖酶酶解，酶解结束后再接种酵母发酵制备纤维素乙醇。本发明利用水热短时解聚预处理，获得低毒的预处理液，一锅法制备纤维素乙醇，简化了操作步骤，同时保留了预处理液中的木聚糖，实现五六碳糖共发酵，显著提高纤维素乙醇的产量，提供了一种低成本、低能耗、无废水排放，且能全面利用木质纤维素中有效糖成分的高效的纤维素乙醇制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及纤维素乙醇制备技术领域，具体地，涉及一种纤维素乙醇的制备方法。
背景技术
世界经济的飞速发展离不开煤、石油、天然气与核裂变能等化石能源的投入使用，但伴随而来的也是日益严苛的环境问题，如化石资源日渐枯竭，全球气温逐年上升，生态环境愈加恶化。近期，国际能源署发布的《2020能源技术展望报告》指出，目前，能源行业排放的有害温室气体占比全球约1/3，能源行业作为各国一直以来最为重视的减排领域，面临的节能减排任务艰巨。发展可再生能源以不断推进能源的转型和结构的调整，是应对现如今能源危机的优先选择。
燃料纤维素乙醇作为一种新型的生物质能，其具有可再生与环境友好等双重属性，是唯一可存储和运输的可再生能源。目前，欧美发达国家及巴西等发展中国家已经广泛使用燃料纤维素乙醇。我国作为传统的农业大国，生物质资源十分丰富，其中农林业废弃物如甘蔗渣、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆等蕴藏着丰富的生物质能，因此我国已于2001年开始试点使用燃料纤维素乙醇，现已成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料纤维素乙醇的生产国和应用国。
但是，相较于石油和粮食纤维素乙醇，纤维素乙醇目前的市场竞争优势还不强，成本仍然制约其产业规模化发展。由于木质纤维素转化为纤维素乙醇需要经过预处理、酶解、发酵等过程，大部分预处理方法生物相容性较差，需在酶解发酵之前对生物质进行一定的前处理，如专利CN101787384A公开了一种木质纤维原料耦合酶解糖化的方法，但是该方法需要多次过滤、水洗、稀释等，这样制备过程不仅繁琐，耗时长，能耗和水耗都比较高，存在资源浪费和废弃物难以处理的问题，缺乏经济有效的预处理技术必然使得纤维素乙醇制备工艺成本居高不下。因此，寻得经济有效的预处理方法是使得纤维素乙醇制备成本降低的有力举措之一。另外，大部分预处理方法通过去除与纤维素紧密相连的木质素来提高纤维素酶的可及性，预处理过程中不可避免造成半纤维素损失，而半纤维素的主要成分为木聚糖，木聚糖通过酶解发酵产纤维素乙醇，如果将半纤维素糖也用于纤维素乙醇制备，实现木质纤维素的全糖高效利用，不仅可以提升纤维素乙醇产量，也可以降低纤维素乙醇制备成本。
因此，需要开发出一种低成本、低能耗、高效、无废水排放，且能全面利用木质纤维素中有效糖成分的纤维素乙醇制备方法。
发明内容
本发明旨在提供一种纤维素乙醇的制备方法。本发明通过将木质纤维素类生物质粉碎，进行水热反应，降温得混合料液，调节其pH，加入纤维素酶与木聚糖酶酶解，酶解结束后再接种酵母发酵制备纤维素乙醇。本发明利用水热短时解聚预处理，获得低毒的预处理液以确保后续步骤中的酶和酵母能够顺利存活，一锅法制备纤维素乙醇，简化了操作步骤，同时保留了预处理液中的木聚糖，实现五六碳糖共发酵，显著提高了纤维素乙醇的产量，提供一种低成本、低能耗、高效、无废水排放，且能全面利用木质纤维素中有效糖成分的纤维素乙醇制备方法。
因此，本发明的目的是提供一种纤维素乙醇的制备方法。
为实现上述目的，本发明是通过以下方案实现的：
S1.将木质纤维素类生物质粉碎，进行水热反应，降温制得木质纤维素类生物质混合料液；
S2.调节步骤S1所得木质纤维素类生物质混合料液的pH，加入纤维素酶与木聚糖酶，酶解获得酶解液；
S3.将酵母接种于步骤S2所得酶解液中发酵制备纤维素乙醇。
本发明中水热反应的主要目的是有效地破坏木质纤维素的顽抗结构，提高后续酶解过程中纤维素和半纤维素对酶的可及性，提高酶解转化率，选择性地将纤维素酶解成葡萄糖，将半纤维素酶解成木聚糖，使木聚糖保留在水热处理滤液中与葡萄糖一起发酵，实现五六碳糖共发酵，显著提高了纤维素乙醇的产量。
作为一种优选，上述制备方法包括以下步骤：
S1.将木质纤维素类生物质粉碎并过筛后，进行水热反应，搅拌加热反应，置于冷水中，冷却降温后制得木质纤维素类生物质混合料液；
S2.用碱溶液调节S1所得的木质纤维素类生物质混合料液的pH，加入纤维素酶与木聚糖酶酶解，酶解获得酶解液；
S3.将酿酒酵母接种于步骤S2所得酶解液中发酵制备纤维素乙醇。
优选地，步骤S1中所述木质纤维素类生物质与水的质量体积比为1g：10～24mL。
当水量太少时，预处理效果较差，酶解转化率较低，且预处理液中抑制剂含量过高，会抑制后续的发酵；水量太多时，虽然酶解发酵效果较好，但产生的纤维素乙醇浓度较低，纤维素乙醇提纯工作的耗能过高。
更优选地，所述木质纤维素类生物质与水的质量体积比为1g：12～20mL。
优选地，步骤S1中所述水热反应的温度为180～210℃，时间为0～20min。
其中，反应时间从加热升温到反应温度时起算，当反应时间为0min时，其表示升温到反应温度时立即停止反应。
在该高温短时的预处理条件下，木质纤维素既能被有效地破坏，也不会过多降解可发酵糖，预处理液中的抑制剂含量较少，可保证后期发酵不受抑制，可发酵糖可高效转化为纤维素乙醇。温度较低时纤维素乙醇的转化率低，温度较高时酶解液会因为抑制剂的存在而导致无法产纤维素乙醇。
优选地，步骤S2中所述pH为4.5～5.5。
优选地，步骤S2中所述纤维素酶的用量与木质素纤维素类生物质质量之比为3～36FPU：1g，木聚糖酶的用量与木质素纤维素类生物质质量之比为3000～7000FXU：1g。
酶制剂成本较高是造成纤维素乙醇制备成本高的原因之一，控制酶的用量可以有效降低成本。低于该范围的酶用量虽然可以节约成本，但会导致酶解转化率过低；高于该范围的酶用量成本会明显提高，但只能微量提升转化率，不是经济可行的选择。
更优选地，所述纤维素酶的用量与木质素纤维素类生物质质量的配比为3～9FPU：1g。
进一步优选地，木聚糖酶的用量与木质素纤维素类生物质质量的配比为6500FXU：1g。
优选地，步骤S2中所述酶解的温度为33～55℃。
最优选地，所述酶解的温度为50℃。
最优选地，所述酶解在50℃恒温摇床中进行。
优选地，步骤S3中所述发酵的温度为30～40℃。
最优选地，所述发酵的温度为33℃。
最优选地，所述发酵在33℃恒温摇床中进行。
优选地，步骤S1中所述粉碎的木质纤维素类生物质的粒径为0.3～0.9mm。
优选地，步骤S3中所述酵母为酿酒酵母；所述酵母的种子液与酶解液的体积比为1：5～20。
更优选地，所述酵母的种子液与酶解液的体积比为1：5～10。
优选地，步骤S1中所述木质纤维素类生物质原料为玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆或甘蔗渣中的任一种。
更优选地，步骤S1中所述木质纤维素类生物质原料为甘蔗渣。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明利用水热短时解聚预处理，获得低毒的预处理液，将酶解与发酵两个连续过程放在同一反应器中进行，省略非必须的前处理步骤，简化了制备过程，节约了水耗能耗，降低了制备成本，整个过程不产生废水；并且水热预处理仅用水作溶剂，具有成本低廉、环境友好的优点，符合绿色环保发展理念。
2.本发明保留了预处理液中的木聚糖，实现五六碳糖共发酵，显著提高了纤维素乙醇的产量。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
甘蔗渣，来自于广西贵糖集团股份有限公司，为蔗糖制作过程中剩余残渣。
小麦秸秆、水稻秸秆，产自江西连云港。
玉米芯，产自广东佛山。
实施例1一种纤维素乙醇的制备方法
S1.将甘蔗渣进行粉碎并过筛，取3g粉碎后的甘蔗渣原料(粉碎粒径为0.3mm)与60mL水(1：20)混合，置于反应釜中反应，反应温度为210℃，反应时间为0min，反应结束后置于冷水中冷却降温，制得甘蔗渣混合料液A。
其中，反应时间从加热升温到反应温度时起算，当反应时间为0min时，其表示升温到反应温度时立即停止反应。
S2.将S1所得料液A加入浓度为4mol/L的NaOH溶液调节pH至5，加入36FPU/g甘蔗渣原料纤维素酶与7000FXU/g甘蔗渣原料木聚糖酶，置于50℃恒温摇床中进行酶解72h，酶解结束后获得酶解液B，测定酶解液B中的可发酵糖含量，计算甘蔗渣原料中葡萄糖与木糖的酶解转化率。
S3.将酿酒酵母种子液直接接种于步骤S2所述酶解液B中，其中，酿酒酵母种子液的添加用量为酶解液体积的10％，接种后置于33℃恒温摇床中进行发酵制备纤维素乙醇，发酵结束后，测定发酵液中的纤维素乙醇含量，计算发酵液中糖醇转化率、纤维素乙醇产率、纤维素乙醇质量。
实施例2一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中生物质原料为玉米芯，粉碎粒径为0.9mm。
实施例3一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中生物质原料为水稻秸秆，步骤S2中pH为4.5。
实施例4一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中生物质原料为小麦秸秆，步骤S2中pH为5.5。
实施例5一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中水热反应的温度为180℃，反应时间为20min。
实施例6一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中水热反应的温度为180℃，步骤S2中酶解温度为33℃。
实施例7一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中水的体积为30mL，步骤S2中酶解温度为55℃。
实施例8一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中水的体积为72mL，步骤S2中发酵温度为30℃。
实施例9一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中发酵温度为40℃。
实施例10一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中纤维素酶的用量为3FPU/g甘蔗渣原料，木聚糖酶的用量为3000FXU/g甘蔗渣原料。
实施例11一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中纤维素酶的用量为27FPU/g甘蔗渣原料，木聚糖酶的用量为6500FXU/g甘蔗渣原料
实施例12一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S3中酿酒酵母种子液的添加用量为酶解液体积的20％。
实施例13一种纤维素乙醇的制备方法
同实施例1的方案，区别在于步骤S3中酿酒酵母种子液的添加用量为酶解液体积的5％。
对比例1
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中并未进行水热反应。
对比例2
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中水的体积为15mL。
对比例3
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中所述水热反应时间为30min。
对比例4
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中所述水热反应温度为150℃。
对比例5
同实施例1的方案，区别在于步骤S1中所述水热反应温度为240℃。
对比例6
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中不加纤维素酶。
对比例7
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中不加木聚糖酶。
对比例8
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中酶解的温度为20℃。
对比例9
同实施例1的方案，区别在于步骤S2中酶解的温度为70℃。
对比例10
同实施例1的方案，区别在于步骤S3中酿酒酵母种子液的添加用量为酶解液体积的3％。
对比例11
同实施例1的方案，区别在于步骤S3中酿酒酵母种子液的添加用量为酶解液体积的25％。
对比例12
同实施例1的方案，区别在于步骤S3中发酵的温度为20℃。
对比例13
同实施例1的方案，区别在于步骤S3中发酵的温度为70℃。
对比例14
参考专利CN101787384A的方法制备。
S1.将甘蔗渣进行粉碎并过筛，取3g粉碎后的甘蔗渣原料与27mL热水混合，置于反应釜中反应，反应温度为210℃，反应时间为0min，过滤水解溶液，并用适量水洗涤滤渣，回收水解糖液及水洗液。
其中，反应时间从加热升温到反应温度时起算，当反应时间为0min时，其表示升温到反应温度时立即停止反应。
S2.把滤渣中加入0.39g氢氧化钠(分析纯)，加6.36ml水，在155℃蒸煮20min，升温时间1.5h，蒸煮后固液分离，液体部分为含有碱木质素的黑液。
S3.把步骤S2处理后的纤维素残渣和步骤S1水解的糖液混合，控制底物浓度10％，加入氢氧化钠调节pH＝5，加入36FPU/g甘蔗渣原料纤维素酶与7000FXU/g甘蔗渣原料木聚糖酶，置于50℃恒温水浴下酶解48h，酶解结束后获得酶解液。测定酶解液中的可发酵糖含量，计算甘蔗渣原料中葡萄糖与木糖的酶解转化率。
S4.将酿酒酵母种子液直接接种于步骤S3所述酶解液中，其中，酿酒酵母种子液的添加用量为酶解液体积的10％，接种后置于33℃恒温摇床中进行发酵制备纤维素乙醇，发酵结束后，测定发酵液中的纤维素乙醇含量，计算发酵液中糖醇转化率、纤维素乙醇产率、纤维素乙醇质量。
结果与分析
1、测试和计算方法
用NREL法分别测试木质纤维素类生物质原料中纤维素和半纤维素的质量，用高效液相色谱仪分别测试酶解液中葡萄糖和木糖、发酵液中纤维素乙醇的浓度，同时分别测量酶解液和发酵液的体积，计算葡萄糖、木糖、糖醇的转化率，并计算纤维素乙醇的产率与质量。分别按以下公式计算：
葡萄糖转化率(％)＝[(葡萄糖浓度*酶解液体积)/(1.11*纤维素质量)]*100；
木糖转化率(％)＝[(木糖浓度*酶解液体积)/(1.136*半纤维素质量)]*100；
糖醇转化率(％)＝[纤维素乙醇浓度/(葡萄糖浓度+木糖浓度)]*100；
纤维素乙醇产出速率[g/(h*L)]＝纤维素乙醇浓度/发酵时间；
纤维素乙醇转化率(％)＝[(纤维素乙醇浓度*发酵液体积)/木质纤维素类生物质理论产乙醇质量]*100。
2、实验结果
实验结果如表1和表2所示：
表1 实施例1-12的测试结果
从表1可以看出，本发明将水热法与一锅法相结合，短时解聚原料后将整个料液进行酶解发酵，有效破坏了木质纤维素且不损失料液中的葡聚糖和木聚糖，能转化高达93.44％葡萄糖、82.34％木糖，并达到了84.62％的纤维素乙醇转化率。
表2 对比例1-14的测试结果
其中，当数值为“-”时，表示数值极低无法测量，可以忽略不计。
从表1和表2可以看出，实施例1～12的纤维素乙醇转化率显著高于对比例1～14。
对比实施例1与对比例1可知，进行水热反应后的工艺流程，使得纤维素乙醇的转化率显著提升。
对比实施例1、7、8和对比例2可知，当步骤S1中所述木质纤维素类生物质与水的质量体积比为1g：10～24mL时，纤维素乙醇的转化率显著提升。
对比实施例1、5、6和对比例3～5可知，当步骤S1中水热反应的温度为180～210℃，时间为0～20min时，纤维素乙醇的转化率显著提升。
对比实施例1、10、11和对比例6、7可知，当步骤S2中所述纤维素酶的用量与木质素纤维素类生物质质量的配比为3～36FPU：1g，木聚糖酶的用量与木质素纤维素类生物质质量的配比为3000～7000FXU：1g时，纤维素乙醇的转化率显著提升且成本相对较低。
对比实施例1、6、7和对比例8、9可知，当步骤S2中所述酶解的温度为33～55℃时，纤维素乙醇的转化率显著提升。
对比实施例1、12、13和对比例10、11可知，当步骤S3中酵母的种子液与酶解液的体积比为1：5～20时，纤维素乙醇的转化率显著提升。
对比实施例1、8、9和对比例12、13可知，当步骤S2中发酵的温度为30～40℃时，纤维素乙醇的转化率显著提升。
结合实施例1和对比例14可知，实施例1的工艺流程比对比例14操作简单，并且纤维素乙醇的转化率也显著提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但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，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 (10)
1.一种纤维素乙醇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将木质纤维素类生物质粉碎，进行水热反应，降温制得木质纤维素类生物质混合料液；
S2.调节步骤S1所得木质纤维素类生物质混合料液的pH，加入纤维素酶与木聚糖酶，酶解获得酶解液；
S3.将酵母接种于步骤S2所得酶解液中发酵制备纤维素乙醇。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中所述木质纤维素类生物质与水的质量体积比为1g：10～24mL。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中所述水热反应的温度为180～210℃，时间为0～20min。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S2中所述pH为4.5～5.5。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S2中所述纤维素酶的用量与木质素纤维素类生物质质量之比为3～36FPU：1g，木聚糖酶的用量与木质素纤维素类生物质质量之比为3000～7000FXU：1g。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S2中所述酶解的温度为33～55℃。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S3中所述发酵的温度为30～40℃。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中所述粉碎的木质纤维素类生物质的粒径为0.3～0.9mm。
9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S3中所述酵母为酿酒酵母；所述酵母的种子液与酶解液的体积比为1：5～20。
10.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中所述木质纤维素类生物质原料为玉米芯、小麦秸秆、水稻秸秆或甘蔗渣中的任一种。
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