CN1896254B - 混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法 - Google Patents

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Abstract

混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，它涉及一种降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法。它解决了目前利用纤维素类物质生产酒精存在生产成本高、生产周期长的问题。酒精生产按以下步骤：(一)木质纤维素类物质粉碎后用H2SO4浸泡，然后蒸汽爆破；(二)固液分离，向固相物中加入营养液，然后灭菌；(三)将酿酒酵母菌和能在酿酒酵母菌发酵条件下产纤维素酶的纤维素降解菌加入糖化发酵底物；(四)同步降解糖化—发酵，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。本发明纤维素的降解糖化和发酵同步进行，降解糖化和发酵周期缩短了40％，简化了生产工艺，提高了设备的利用率；而且消除了单糖对纤维素水解的反馈抑制作用，提高了原料的利用率和酒精产量。

Description

混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法
技术领域
本发明涉及一种降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法。
背景技术
随着能源的日益紧缺和可持续发展的需要，寻求新的可再生能源形式和利用途径，已成为全世界迫切和现实的研究课题。作为化石燃料的替代品，燃料乙醇便于储存、输送，并且可以在不改变现有加油站设施和发动机形式的情况下作为车用动力燃料使用。此外，酒精用作发动机燃料具有优良的环境效益，可以显著减少排入大气中的温室气体量。所以乙醇的应用量和应用范围正逐渐扩大。
目前，工业上主要是通过酿酒酵母利用己糖进行燃料酒精的生产，主要以糖蜜和谷物为生产原料，此方法生产成本高，污染环境，并受到人口增加和耕地减少的困扰。木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。据资料表明，植物每年通过光合作用能产生高达1550亿吨纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为600亿吨，而每年纤维素的利用率却仅为2％左右。目前利用纤维素类物质生产酒精的方法是通过纤维素酶或纤维素酶曲降解纤维素原料后再进行酿酒酵母发酵生产酒精，但存在生产成本高，生产周期长，用酶量大等问题，导致纤维素酒精的价格无法与粮食酒精相竞争，限制了纤维素酒精的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前利用纤维素类物质生产酒精存在生产成本高、生产周期长、用酶量大等问题，而提供的一种混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法。木质纤维素类物质生产酒精按以下步骤进行：(一)木质纤维素类物质粉碎后用浓度为0.5～1.5％的H2SO4浸泡11～13h，然后在1.6～2.0MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破6～10min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量8～12倍、pH值为5.5～6.5的营养液，然后高温灭菌制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为1×107～9×108cfu/mL的酿酒酵母菌和能在酿酒酵母菌发酵条件下产纤维素酶的纤维素降解菌一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的8％～12％；(四)在38～42℃的条件下同步降解糖化-发酵34～38h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。本发明纤维素的降解糖化和发酵同步进行，降解糖化和发酵周期缩短了40％，简化了生产工艺，提高了设备的利用率；而且由于降解糖化和发酵的耦合，消除了单糖对纤维素水解的反馈抑制作用，提高了原料的利用率和酒精产量。本发明用纤维素降解菌替代了纤维素酶和纤维素酶曲，使生产成本降低了15％以上，产品价格低于粮食酒精。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式按以下步骤降解发酵木质纤维素类物质生产酒精：(一)木质纤维素类物质粉碎后用浓度为0.5～1.5％的H2SO4浸泡11～13h，然后在1.6～2.0MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破6～10min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量8～12倍、pH值为5.5～6.5的营养液，然后高温灭菌制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为1×107～9×108cfu/mL的酿酒酵母菌和能在酿酒酵母菌发酵条件下产纤维素酶的纤维素降解菌一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的8％～12％；(四)在38～42℃的条件下同步降解糖化-发酵34～38h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。
本实施方式中酿酒酵母菌在麦芽汁培养基中培养至生长对数期，纤维素降解菌在阿氏培养基中培养至生长对数期。本实施方式中每1000g木质纤维素类物质原料生产乙醇(酒精)76.8～160g。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(一)中粉碎后的木质纤维素类物质用浓度为1％的H2SO4浸泡12h，然后在1.8MPa、185～195℃的条件下蒸汽爆破8min。其它步骤与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤(一)中木质纤维素类物质为甘蔗残渣、稻壳或秸秆，粉碎后颗粒粒径为40～60目。其它步骤与实施方式一或二相同。
本实施方式采用的木质纤维素类物质原料为工业、农业或食品加工业废弃物，变废为宝，提高了物质可再生利用率，节约了谷类、甘蔗、玉米等农作物，降低了生产成本。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(二)中向固相物中加入固相物重量10倍、pH值为6.0的营养液，然后在110～130℃的条件下灭菌15～25min。其它步骤与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或四的不同点是：步骤(二)中营养液按重量百分比由1％的硫酸铵、0.05％的硫酸钙、0.5％的磷酸钙和98.45％的水组成。其它步骤与实施方式一或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(三)中酿酒酵母菌和纤维素降解菌的菌落浓度都为2×107～9×108cfu/mL，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的10％。其它步骤与实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一或六的不同点是：步骤(三)中的纤维素降解菌为芽孢杆菌、纤维杆菌、瘤胃球菌、链霉菌、木霉、曲霉中的一种或几种组成。其它步骤与实施方式一或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤(三)中的纤维素降解菌为芽孢杆菌、纤维杆菌、瘤胃球菌、链霉菌、木霉或曲霉。其它步骤与实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤(三)中的纤维素降解菌为芽孢杆菌和链霉菌。其它步骤与实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(四)在40℃的条件下同步降解糖化-发酵36h。其它步骤与实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤(三)中酿酒酵母菌和纤维素降解菌的菌落浓度都为5×107～5×108cfu/mL。其它步骤与实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式按以下步骤降解发酵木质纤维素类物质生产酒精：(一)秸秆粉碎成粒径为40目的颗粒后用浓度为1％的H2SO4浸泡12h，然后在1.8MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破8min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量10倍、pH值为6.0、按重量百分比由1％的硫酸铵、0.05％的硫酸钙、0.5％的磷酸钙和98.45％的水组成的营养液，然后在120℃的条件下灭菌20min制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为3×107～8×108cfu/mL的酿酒酵母菌和芽孢杆菌一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和芽孢杆菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的10％；(四)在40℃的条件下同步降解糖化-发酵36h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。
本实施方式中每1000g秸秆生产乙醇(酒精)82.1g。
具体实施方式十三：本实施方式按以下步骤降解发酵木质纤维素类物质生产酒精：(一)稻壳粉碎成粒径为50目的颗粒后用浓度为1％的H2SO4浸泡12h，然后在1.8MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破8min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量10倍、pH值为6.0、按重量百分比由1％的硫酸铵、0.05％的硫酸钙、0.5％的磷酸钙和98.45％的水组成的营养液，然后在120℃的条件下灭菌20min制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为4×107～7×108cfu/mL的酿酒酵母菌和木霉一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和木霉培养液的总体积为糖化发酵底物体积的10％；(四)在40℃的条件下同步降解糖化-发酵36h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。
本实施方式中每1000g稻壳生产乙醇(酒精)80.9g。
具体实施方式十四：本实施方式按以下步骤降解发酵木质纤维素类物质生产酒精：(一)秸秆粉碎成粒径为60目的颗粒后用浓度为1％的H2SO4浸泡12h，然后在1.8MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破8min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量10倍、pH值为6.0、按重量百分比由1％的硫酸铵、0.05％的硫酸钙、0.5％的磷酸钙和98.45％的水组成的营养液，然后在120℃的条件下灭菌20min制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为6×107～4×108cfu/mL的酿酒酵母菌和能在酿酒酵母菌发酵条件下产纤维素酶的纤维素降解菌一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的10％；(四)在40℃的条件下同步降解糖化-发酵36h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。
本实施方式中纤维素降解菌由芽孢杆菌和链霉菌按1∶1的体积比组成。本实施方式中每1000g秸秆生产乙醇(酒精)160g。
具体实施方式十五：本实施方式按以下步骤降解发酵木质纤维素类物质生产酒精：(一)甘蔗残渣粉碎成粒径为50目的颗粒后用浓度为1％的H2SO4浸泡12h，然后在1.8MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破8min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量10倍、pH值为6.0、按重量百分比由1％的硫酸铵、0.05％的硫酸钙、0.5％的磷酸钙和98.45％的水组成的营养液，然后在120℃的条件下灭菌20min制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为7×107～3×108cfu/mL的酿酒酵母菌和能在酿酒酵母菌发酵条件下产纤维素酶的纤维素降解菌一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的10％；(四)在40℃的条件下同步降解糖化-发酵36h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。
本实施方式中纤维素降解菌由纤维杆菌、瘤胃球菌和曲霉按1∶1∶1的体积比组成。本实施方式中每1000g甘蔗残渣生产乙醇(酒精)152g。

Claims (9)

1.混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于按以下步骤降解发酵木质纤维素类物质生产酒精：(一)木质纤维素类物质粉碎后用浓度为0.5～1.5％的H2SO4浸泡11～13h，然后在1.6～2.0MPa、180～200℃的条件下蒸汽爆破6～10min；(二)固液分离，再向固相物中加入固相物重量8～12倍、pH值为5.5～6.5的营养液，然后高温灭菌制成糖化发酵底物；(三)按1∶1的体积比将处于生长对数期、培养液中菌落浓度都为1×107～9×108cfu/mL的酿酒酵母菌和能在酿酒酵母菌发酵条件下产纤维素酶的纤维素降解菌一同加入到糖化发酵底物中，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的8％～12％；(四)在38～42℃的条件下同步降解糖化-发酵34～38h，然后再经蒸馏、精馏即得到成品酒精。 
2.根据权利要求1所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(一)中粉碎后的木质纤维素类物质用浓度为1％的H2SO4浸泡12h，然后在1.8MPa、185～195℃的条件下蒸汽爆破8min。 
3.根据权利要求1或2所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(一)中木质纤维素类物质为甘蔗残渣、稻壳或秸秆，粉碎后颗粒粒径为40～60目。 
4.根据权利要求1所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(二)中向固相物中加入固相物重量10倍、pH值为6.0的营养液，然后在110～130℃的条件下灭菌15～25min。 
5.根据权利要求1或4所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(二)中营养液按重量百分比由1％的硫酸铵、0.05％的硫酸钙、0.5％的磷酸钙和98.45％的水组成。 
6.根据权利要求1所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(三)中酿酒酵母菌和纤维素降解菌的菌落浓度都为2×107～9×108cfu/mL，酿酒酵母菌培养液和纤维素降解菌培养液的总体积为糖化发酵底物体积的10％。 
7.根据权利要求1或6所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(三)中的纤维素降解菌为芽孢杆菌、纤维杆菌、 瘤胃球菌、链霉菌、木霉、曲霉中的一种或几种组成。 
8.根据权利要求1或6所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(三)中的纤维素降解菌为芽孢杆菌和链霉菌。
9.根据权利要求1所述的混合菌群降解发酵木质纤维素类物质生产酒精的方法，其特征在于步骤(四)在40℃的条件下同步降解糖化-发酵36h。 
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