CN113106127B - 一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法。本发明将杨木原料与含有AlCl3的乙醇水溶液混合，在180～200℃下反应5～20min进行预处理，然后加水调整预处理杨木的固体负荷为10～13％，并添加营养盐，灭菌后加入纤维素酶、酵母进行同步糖化发酵。本发明预处理条件温和，能有效脱除杨木中的半纤维素和木素，保留纤维素，进行同步糖化发酵48h时发酵液中的乙醇浓度高于30g/L，可在较短时间内大大提升发酵产乙醇的效率，对杨木制备液体燃料乙醇方面具有良好的应用前景。

Description

一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法
技术领域
本发明属于生物质转化与利用技术领域，更具体地，涉及一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法。
背景技术
随着能源的短缺和环境等问题的不断突出，生物质作为可以转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。在地球上丰富的生物质资源中，以木质纤纤维类生物质制液体燃料最受人们关注。木质纤维类生物质制液体燃料的方法是把该原料中的半纤维素、纤维素水解成木糖、葡萄糖等单糖，通过发酵生产乙醇。
杨木资源丰富，是生产生物能源和生物质化学品的重要原料，生物转化杨木制备生物能源与化学品具有较大潜力。但由于杨木中的纤维素与半纤维素和木素紧密连接在一起，结构稳定，不易被纤维素酶破坏，因此在进行生物质资源转化时需要对其进行预处理。目前所使用的预处理方法有酸法预处理、碱法预处理、有机溶剂预处理及离子液体预处理。其中，基于乙醇溶液的有机溶剂预处理因其可循环利用、低毒性和可产生易于酶解的预处理残渣等优点而受到学者们青睐。通常，基于乙醇的有机溶剂预处理在通过自催化(半纤维素中乙酰基降解为乙酸)或通过添加酸催化剂提供的酸性条件下进行。然而，在自催化所产生的弱酸性条件下木质素和半纤维素难以被降解，还需要提高预处理温度以获得高效的糖化发酵的底物【Wei,W.,Wu,S.,Xu,S.,2017.Enhancement of enzymaticsaccharification of bagasse by ethanol-based organosolv auto-catalyzed pretreatment.J.Chem.Technol.Biotechnol.92,570-577.】。添加酸催化剂所产生的强酸性条件可脱除大部分半纤维素和木质素，但在剧烈的预处理条件下也会导致纤维素降解或生成的木糖降解为糠醛。因此，有必要开发一种条件温和，并能有效提高乙醇产率的杨木同步糖化发酵方法。
发明内容
本发明针对目前杨木同步糖化发酵方法存在的不足，旨在提供一种提高杨木同步糖化发酵产乙醇效率的方法及应用，本发明通过特定的预处理方法，通过金属盐AlCl3耦合有机溶剂乙醇预处理提高杨木原料同步糖化发酵产乙醇的效率。
本发明的首要目的是提供一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法，包括如下步骤：
S1.向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：8～15mL加入50～70％(v/v)的乙醇水溶液，再加入0.01～0.03mol/L乙醇水溶液的AlCl3，在18～200℃下反应5～20min，分离得到预处理杨木；
S2.预处理杨木加水得到预处理杨木-水混合料，控制预处理杨木的绝干质量与水的质量比为10～13：100；
S3.向步骤S2预处理杨木-水混合料中加入营养盐、调节pH、灭菌得到灭菌杨木混合料；
S4.向灭菌杨木混合料中加入纤维素酶、酵母，进行同步糖化发酵。
本发明上述方法中，有机溶剂预处理能有效去除木质纤维原料中的半纤维素和木素，而廉价金属盐AlCl3的添加能增加半纤维素和木素的脱除，近一步瓦解杨木原料的致密结构，暴露出更多的纤维素，增加酶对纤维素的可及度，提升酶解效率，从而提升同步糖化发酵效率。采用AlCl3耦合有机溶剂乙醇对杨木原料进行预处理，通过控制乙醇、AlCl3的添加量，可有效提高同步糖化发酵产乙醇的效率，在杨木的生物资源化利用领域具有良好的应用前景。
其中，本发明所述的杨木原料为经风干、搓丝、粉碎得到的杨木；步骤S1所述分离为采用真空抽滤或离心分离；步骤S1所述反应为在密闭反应器中反应，如反应釜。
在其中一些优选实施例中，所述营养盐依次包括质量比为1～3：0.5～1.5：0.5～1.5：0.1～0.5的酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O，见实施例1～3。
在其中一些优选实施例中，所述营养盐的添加量为2.1～6.5g/L水，见实施例1～3。
在其中一些优选实施例中，所述调节pH为调节至4.5～6.0，见实施例1～3。
在其中一些优选实施例中，所述灭菌为在高压灭菌锅中121℃灭菌20～30min，见实施例1～3。
在其中一些优选实施例中，所述纤维素酶的用量为10～20FPU/g预处理杨木绝干质量，见实施例1～3。
最优选地，所述纤维素酶的用量为15FPU/g预处理杨木绝干质量，见实施例1。
在其中一些优选实施例中，所述酵母为酵母活化液，所述酵母活化液的制备方法为：称取2g葡萄糖溶于100mL去离子水中，接入6.6g酿酒酵母，2g蛋白胨，1g酵母提取物，先在160rpm摇床上36℃活化10min，然后在160rpm摇床上34℃活化60min，见实施例1～3。
在其中一些优选实施例中，所述酵母活化液的用量为40～60mL/L水，见实施例1～3。
在其中一些优选实施例中，所述同步糖化发酵的条件为在32～37℃，转速为100～200转/分下发酵，见实施例1～3。
通过上述方法进行同步糖化发酵杨木，48h时发酵液中的乙醇浓度高于20g/L，可在较短时间内大大提升发酵产乙醇的效率，因此本发明还请求保护上述方法在杨木同步糖化发酵产乙醇方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过金属盐AlCl3耦合有机溶剂乙醇对杨木原料进行预处理，条件温和，能有效脱除杨木中的半纤维素和木素，保留纤维素，进行同步糖化发酵48h时发酵液中的乙醇浓度高于30g/L，可在较短时间内大大提升发酵产乙醇的效率，对杨木制备液体燃料乙醇方面具有良好的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
以下实施例中部分原料和方法：
所用杨木原料经风干、搓丝、粉碎处理后其粒径<1毫米，其组分含量为纤维素47.16％，半纤维素13.56％，木素22.86％。
酵母活化液制备：称取2g葡萄糖溶于100mL去离子水中，接入6.6g酵母粉，同时加入2g蛋白胨，1g酵母提取物，先在摇床上于160rpm，36℃活化10min，然后在160rpm摇床上34℃活化60min。
同步糖化发酵液中乙醇浓度采用高效液相色谱法直接测定。
实施例1一种提高杨木同步糖化发酵产乙醇效率的方法
S1.向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：10mL加入60％(v/v)乙醇水溶液，再加入0.025mol/L乙醇水溶液的AlCl3，于反应釜中200℃下反应10min，离心分离得到AlCl3耦合乙醇预处理杨木；将预处理杨木与去离子水混合，使得预处理杨木的绝干质量与去离子水的质量比为12：100，得到预处理杨木-水混合料；
S2.向步骤S1得到的预处理杨木-水混合料中添加营养盐、调节pH至4.8、放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min，得到灭菌杨木混合料；其中，营养盐的添加量为4.3g/L去离子水，营养盐中酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O的质量比为2:1:1:0.3；
S3.向12g(绝干质量)灭菌杨木混合料中加入15FPU/g预处理杨木绝干质量的纤维素酶、50mL/L去离子水的酵母活化液，在34℃，120rpm摇床上进行同步糖化发酵。
实施例2一种提高杨木同步糖化发酵产乙醇效率的方法
S1.向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：8mL加入50％(v/v)乙醇水溶液，再加入0.03mol/L乙醇水溶液的AlCl3，于反应釜中180℃下反应20min，离心分离得到AlCl3耦合乙醇预处理杨木；将预处理杨木与去离子水混合，使得预处理杨木的绝干质量与去离子水的质量比为10：100，得到预处理杨木-水混合料；
S2.向步骤S1得到的预处理杨木-水混合料中添加营养盐、调节pH至4.5、放入高压灭菌锅中121℃灭菌30min，得到灭菌杨木混合料；其中，营养盐的添加量为2.1g/L去离子水，营养盐中酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O的质量比为1:0.5:0.5:0.1；
S3.向12g(绝干质量)灭菌杨木混合料中加入10FPU/g预处理杨木绝干质量的纤维素酶、40mL/L去离子水的酵母活化液，在32℃，200rpm摇床上进行同步糖化发酵。
实施例3一种提高杨木同步糖化发酵产乙醇效率的方法
S1.向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：15mL加入70％(v/v)乙醇水溶液，再加入0.01mol/L乙醇水溶液的AlCl3，于反应釜中200℃下反应5min，真空抽滤分离得到AlCl3耦合乙醇预处理杨木；将预处理杨木与去离子水混合，使得预处理杨木的绝干质量与去离子水的质量比为13：100，得到预处理杨木-水混合料；
S2.向步骤S1得到的预处理杨木-水混合料中添加营养盐、调节pH至6.0、放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min，得到灭菌杨木混合料；其中，营养盐的添加量为6.5g/L去离子水，营养盐中酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O的质量比为3:1.5:1.5:0.5；
S3.向12g(绝干质量)灭菌杨木混合料中加入20FPU/g预处理杨木绝干质量的纤维素酶、60mL/L去离子水的酵母活化液，在37℃，100rpm摇床上进行同步糖化发酵。
对比例1
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1的反应温度为150℃。
对比例2
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1的反应温度为220℃。
对比例3
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1的乙醇水溶液浓度为30％(v/v)。
对比例4
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中AlCl3的添加量为0.005mol/L乙醇水溶液。
对比例5
同实施例1的方法，区别在于，将AlCl3替换为FeCl3。
对比例6
同实施例1的方法，区别在于，将AlCl3替换为CuCl2。
对比例7
其他步骤同实施例1，区别在于杨木的预处理方法不同，具体方法为：
S1.向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：10mL加入40％(v/v)乙醇水溶液，于反应釜中195℃下反应30min，真空抽滤分离得到乙醇预处理杨木；
S2.将预处理杨木与去离子水混合，使得预处理杨木的绝干质量与去离子水的质量比为12：100，得到预处理杨木-水混合料；
S3.向步骤S2得到的预处理杨木-水混合料中添加营养盐、调节pH至4.8、放入高压灭菌锅中121℃灭菌20min，得到灭菌杨木混合料；其中，营养盐的添加量为4.3g/L去离子水，营养盐中酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O的质量比为2:1:1:0.3；
S4.向12g(绝干质量)灭菌杨木混合料中加入15FPU/g预处理杨木绝干质量的纤维素酶、50mL/L去离子水的酵母活化液，在34℃，120rpm摇床上进行同步糖化发酵。
实验例
对实施例1-3和对比例1-7发酵48h时的发酵液采用高效液相色谱法测定发酵液中乙醇浓度，具体结果如表1所示：
表1不同处理组发酵48h时发酵液中乙醇浓度(g/L)
处理组 乙醇浓度(g/L)
实施例1 39.06
实施例2 32.17
实施例3 37.16
对比例1 5.37
对比例2 26.53
对比例3 22.46
对比例4 15.27
对比例5 29.17
对比例6 28.20
对比例7 20.14
从表1的结果可以看出，AlCl3耦合有机溶剂预处理在170～200℃下反应5～20min进行预处理，然后加水调整预处理杨木的固体负荷为10～13％，并添加营养盐，灭菌后加入纤维素酶、酵母进行同步糖化发酵48h后乙醇浓度大于32.17g/L。而当AlCl3耦合有机溶剂预处理温度降为150℃时，同步糖化发酵乙醇浓度仅为5.37g/L(对比例1)，当预处理温度增至220℃时，同步糖化发酵乙醇浓度为26.53g/L(对比例2)。当金属盐耦合有机溶剂水溶液的乙醇水体积比为30/70时，同步糖化发酵乙醇浓度为22.46g/L(对比例3)，当AlCl3的浓度为0.005mol/L时，此时乙醇浓度仅为15.27g/L(对比例4)。如果将AlCl3换成FeCl3、CuCl2等金属盐时，同步糖化发酵乙醇浓度分别为29.17和28.20g/L对比例5和6)。当采用自催化乙醇在195℃、30min下预处理杨木原料时，同步糖化发酵乙醇浓度为20.14g/L(对比例7)。可见，按照本发明的方法可有效提高杨木同步糖化发酵的乙醇产率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高杨木同步糖化发酵乙醇产率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：8～15mL加入50～70％(v/v)的乙醇水溶液，再加入0.01～0.03mol/L乙醇水溶液的AlCl3，在180～200℃下反应5～20min，分离得到预处理杨木；
S2.预处理杨木加水得到预处理杨木-水混合料，控制预处理杨木的绝干质量与水的质量比为10～13：100；
S3.向步骤S2预处理杨木-水混合料中加入营养盐、调节pH、灭菌得到灭菌杨木混合料；
S4.向灭菌杨木混合料中加入纤维素酶、酵母，进行同步糖化发酵。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述营养盐包括质量比为1～3：0.5～1.5：0.5～1.5：0.1～0.5的酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述营养盐的添加量为2.1～6.5g/L水。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述调节pH为调节至4.5～6.0。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述灭菌为在高压灭菌锅中121℃灭菌20～30min。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述纤维素酶的用量为10～20FPU/g预处理杨木绝干质量。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述纤维素酶的用量为15FPU/g预处理杨木绝干质量。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述酵母为酵母活化液，所述酵母活化液的制备方法为：称取2g葡萄糖溶于100mL去离子水中，接入6.6g酿酒酵母，2g蛋白胨，1g酵母提取物，先在160rpm摇床上36℃活化10min，再在160rpm摇床上34℃活化60min。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述酵母活化液的用量为40～60mL/L水。
10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述同步糖化发酵为在32～37℃，转速为100～200转/分下发酵。
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