CN115747263B - 一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法。本发明通过混合两种特定化学处理的纤维素发酵，相比于单一化学处理的纤维素发酵，能有效缩短发酵时间，且发酵过程存在协同促进作用，进一步提高乙醇的产率，具有意料之外的效果。

Description

一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法
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，涉及一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法。
背景技术
木质纤维材料是地球上最丰富的生物质资源，常见的木质纤维材料有各种速生木材，如杨木、桉木等，其他木质纤维材料包括但不限于蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯。发展生物精炼厂将木质纤维素生物质转化为燃料和化学品，能有助于缓解能源安全和全球变暖问题。由于木质纤维素生物质难降解的结构，需要进行预处理来破坏它的结构，增加纤维素的可及性。
通过发酵纤维素生产工业乙醇已经是一种相对成熟的技术，在纤维素的发酵过程中，纤维素的微观结构等对于发酵的速度和乙醇的终浓度有一定的影响。缩短发酵时间、提高发酵产物中乙醇的终浓度，具有非常重要的意义。为了提高木质纤维素的发酵速度等，一般需要对木质纤维素进行预处理。化学预处理效果较好，成本相对较低，是常见的木质纤维素预处理方法。
在化学预处理方面，目前所采用的有酸预处理、碱预处理、离子液体预处理和有机溶剂预处理。利用乙醇溶液的有机溶剂预处理具有低毒易回收等特点，可以通过添加酸催化剂或碱催化剂来增强其反应，脱除木质素和半纤维素。酸性条件可以降解木质纤维素生物质中的半纤维素，使得纤维素的比表面积增大从而增加酶对纤维素的可及性，碱性条件可以打破木质素与半纤维之间的结构从而去除大部分的木质素，增加生物质的孔隙度。
纤维素发酵生产是一个持续的过程，纤维素的降解和乙醇的发酵同时发生，随着发酵的进行，纤维素逐步转化为糖，然后被发酵为乙醇。发酵后期，乙醇又被逐渐消耗，导致产率下降。不同方法处理木质纤维素得到的纤维素在相同的发酵条件下，乙醇浓度的达峰时间并不相同，乙醇的产率也有所差异，纤维素的转化率也不尽相同。如何尽可能多地在发酵过程中利用纤维素，是一项具有挑战性的工作。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的至少一个不足，提供一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法及应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法，包括如下步骤：
1)NaOH预处理：向木质纤维原料中加入乙醇水溶液和NaOH溶液反应，分离得到NaOH强化乙醇预处理纤维素；
2)AlCl3预处理：向木质纤维原料中加入乙醇水溶液和AlCl3溶液反应，分离得到AlCl3强化乙醇预处理纤维素；
3)混合预处理：将NaOH预处理纤维素和AlCl3预处理纤维素按(8：2)～(2：8)的质量比混合，向混合的预处理纤维素加水得到预处理纤维素-水混合料；
4)灭菌处理：向步骤3预处理纤维素-水混合料中加入营养盐，灭菌得到灭菌纤维素混合料；
5)糖化发酵：向灭菌纤维素混合料中加入纤维素酶和酵母活化液，然后进行同步糖化发酵。
在一些方法的实例中，所述的步骤1和步骤2中乙醇水溶液加入的体积量与木质纤维原料绝干质量的比例为8～15mL：1g ，乙醇水溶液的体积浓度为50～70%。
在一些方法的实例中，所述的步骤1中加入的NaOH的质量含量为5～15%，反应温度为180～200℃，反应时间为10～35min。
在一些方法的实例中，所述的步骤2中加入的AlCl3溶液的摩尔浓度为0.01～0.03mol/L，反应温度为190～220℃，反应时间为5～20min。
在一些方法的实例中，所述的步骤3中的加入的水的质量与预处理纤维素-水混合料中纤维素的绝干质量的比例为8～15：1。
在一些方法的实例中，所述的步骤4中的灭菌处理的pH为4～6，灭菌温度为110～130℃，灭菌时间10～30min。
在一些方法的实例中，所述的步骤4中的营养盐的添加量为2～6.6g/L去离子水。
在一些方法的实例中，所述的步骤5中的纤维素酶的加入量为10～20FPU/g，酵母活化液的加入量为40～60ml/L去离子水。
在一些方法的实例中，所述的步骤5中的糖化发酵的温度为30～38℃，时间为0～120h，转速为100～200rpm。
在一些方法的实例中，所述的木质纤维原料包括但不限于杨木、桉木、蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯。
在一些方法的实例中，所述的分离方式为真空抽滤分离或离心分离。
本发明的有益效果是：
本发明通过混合两种特定化学处理的纤维素发酵，相比于单一化学处理的纤维素发酵，能有效缩短发酵时间，且发酵过程存在协同促进作用，进一步提高乙醇的产率，具有意料之外的效果。
本发明的实验数据表明，采用单一的NaOH强化有机溶剂乙醇预处理杨木发酵效率高，在48h时乙醇浓度能达到最大值，但流动性不好，而采用单一的AlCl3强化有机溶剂乙醇预处理杨木发酵过程流动性好，但发酵效率不高。本发明通过将两种预处理杨木混合发酵，可以出人意料地弥补单一预处理杨木发酵存在的不足，并具有协同促进作用，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。
以下实例中部分原料和方法：
所用杨木原料经风干、粉碎处理，其组分含量为纤维素43.05%，半纤维素13.90%，木素23.65%。
酵母活化液制备：称取1g葡萄糖、1g蛋白胨、0.5g酵母提取物溶于50mL去离子水中，接入3.3g酿酒酵母，在150 rpm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。
使用杨木仅在于示例性说明，也可以使用其他来源的木质纤维素代替杨木。可以替代杨木的原料包括但不限于桉木、蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯等。
以下实例中，如无特别说明，混合比均为质量混合比。
实施例1 一种通过混合发酵提升乙醇效率的方法
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10%NaOH，于反应釜中195℃下反应30min，真空抽滤得到NaOH强化乙醇预处理杨木；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，真空抽滤得到AlCl3强化乙醇预处理杨木；将NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木按8:2的比例混合，并加入一定量的去离子水，使得混合的预处理杨木的绝干质量与去离子水的质量比为1:10，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5g（绝干质量）灭菌杨木混合料中加入15 FPU/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℃，130rpm摇床上进行同步糖化发酵。
实施例2 一种通过混合发酵提升乙醇效率的方法
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为6:4。
实施例3 一种通过混合发酵提升乙醇效率的方法
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为5:5。
实施例4 一种通过混合发酵提升乙醇效率的方法
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为4:6。
实施例5 一种通过混合发酵提升乙醇效率的方法
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为2:8。
对比例1
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为10:0。
对比例2
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为0:10。
对比例3
同实施例2的方法，区别在于，步骤S1中NaOH强化乙醇预处理杨木与FeCl3强化乙醇预处理杨木进行混合。
对比例4
同实施例2的方法，区别在于，步骤S1中Ca(OH)2强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木进行混合。
不同实例的发酵对比
对实施例1-5和对比例1-4发酵0至120h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0至120h时发酵液中乙醇浓度（g/L）
表2 不同处理组发酵0至120h时发酵液中乙醇得率（%）
表3 不同处理组发酵0至120h时发酵产乙醇协同指数（基于乙醇产率）
对比例1 使用NaOH强化乙醇预处理杨木6h乙醇得率是9.51%，对比例2 使用AlCl3强化乙醇预处理杨木6h乙醇得率是31.03%，实施例5（混合发酵2：8时）根据乙醇浓度所测得的乙醇得率为35.18%，那其协同指数为35.18/（0.2*9.51+0.8*31.03）=35.18/26.926=1.31。
结合表1和表2的结果可以看出，NaOH强化乙醇预处理杨木与AlCl3强化乙醇预处理杨木的混合比例为8:2-2:8基本在72h内发酵达到最大值，而AlCl3强化乙醇预处理杨木在96h达到最大值（对比例2），5:5、4:6、2:8发酵前期协同指数大于1，具有协同促进作用，6:4在12h至发酵终点协同指数都大于1，整个发酵过程基本保持协同作用，在可见，按照本发明的方法可有效提高杨木糖化发酵的乙醇产率。
以上是对本发明所作的进一步详细说明，不可视为对本发明的具体实施的局限。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的简单推演或替换，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过混合纤维素发酵提升乙醇产率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：NaOH预处理：向木质纤维原料中加入乙醇水溶液和NaOH溶液反应，分离得到NaOH强化乙醇预处理纤维素；
步骤2：AlCl3预处理：向木质纤维原料中加入乙醇水溶液和AlCl3溶液反应，分离得到AlCl3强化乙醇预处理纤维素；
步骤3：混合预处理：将NaOH预处理纤维素和AlCl3预处理纤维素按(8：2)～(2：8)的质量比混合，向混合的预处理纤维素加水得到预处理纤维素-水混合料；
步骤4：灭菌处理：向步骤3预处理纤维素-水混合料中加入营养盐，灭菌得到灭菌纤维素混合料；
步骤5：糖化发酵：向灭菌纤维素混合料中加入纤维素酶和酵母活化液，然后进行同步糖化发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1和步骤2中乙醇水溶液加入的体积量与木质纤维原料绝干质量的比例为8～15mL：1g ，乙醇水溶液的体积浓度为50～70%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中加入的NaOH的质量含量为5～15%，反应温度为180～200℃，反应时间为10～35min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2中加入的AlCl3溶液的摩尔浓度为0.01～0.03mol/L，反应温度为190～220℃，反应时间为5～20min。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中的加入的水的质量与预处理纤维素-水混合料中纤维素的绝干质量的比例为8～15：1。
6.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中的灭菌处理的pH为4～6，灭菌温度为110～130℃，灭菌时间10～30min。
7.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤4中的营养盐的添加量为2～6.6g/L去离子水。
8.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中的纤维素酶的加入量为10～20FPU/g，酵母活化液的加入量为40～60ml/L去离子水。
9.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的步骤5中的糖化发酵的温度为30～38℃，时间为0～120h，转速为100～200rpm。
10.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维原料选自杨木、桉木、蔗渣、玉米秸秆、小麦秸秆、玉米芯。
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