CN1966693A

CN1966693A - 一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法

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Publication number: CN1966693A
Application number: CNA2005101244964A
Authority: CN
Inventors: 熊和平; 彭源德; 唐守伟; 杨喜爱; 严理; 喻春明; 朱爱国; 王延周; 胡陵
Original assignee: Institute of Bast Fiber Crops of CAAS
Current assignee: Institute of Bast Fiber Crops of CAAS
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: CN1966693B

Abstract

本发明公开了一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于经生物脱胶后的苎麻韧皮纤维，采用木聚糖酶和酸性纤维素酶进行降解糖化后，利用酵母菌发酵生产燃料乙醇。本发明采用的技术方案包括：备料、生物脱胶、洗麻、混合酶降解糖化、过滤、酸性纤维素酶降解糖化、发酵液配制与灭菌、发酵、分馏等工序。苎麻韧皮纤维的酶水解糖化分二步进行。糖化液经过酵母发酵后，多级分馏获得燃料级乙醇。加入的木聚糖酶活性＞5000IU/ml，酸性纤维素酶活性＞2000IU/ml。采用本发明技术生产燃料乙醇，具有处理时间短、转化率高、污染轻等特点。本技术对解决常规化学生产工艺存在的环境污染重、转化率低等问题具有重要作用。

Description

一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法

一、技术领域

本发明涉及生物能源工业，采用纤维素酶和木聚糖酶水解糖化苎麻韧皮纤维，水解产物经过酵母发酵生产燃料乙醇的新工艺。

二、背景技术

1、生物能源将成为石油的替代产品

石油作为国民经济发展的战略物资在经过人类近二百年的开采后，面临全球枯竭的局面。上世纪七十年代中期，历经连续四次的“石油危机”的重创后，生物能源利用成为了重要课题。美国、巴西大力推荐燃料乙醇，已形成规模生产和使用。同时也刺激农业、维护粮价、减少对石油依赖、增加就业、改善大气环境质量等，均为世界所共认。目前，许多农业资源国如英国、荷兰、泰国、南非等国政府均已制定规划，积极发展燃料乙醇工业。

我国是能源消耗大国，仅次于美国。随着石油和煤炭等不可再生能源的过度开采，能源危机已成为社会持续发展的障碍。而经济的高速发展，人民生活水平的提高，对能源的需求却在与日俱增。因此开发利用可再生能源，确保现代社会发展的需求，已成为当今时代最紧迫的任务。全国九届人大四次会议通过的《国民经济和社会发展第十个五年计划纲要》提出，要“开发燃料乙醇等石油替代品，采取措施节约石油资源”。“十五”期间，国家批准河南天冠、黑龙江华润、吉林和安徽丰原4家燃料乙醇企业产能122万吨，东北三省被列为全国燃料乙醇应用试点推广省份。

2、苎麻富含木质纤维素，是极为重要的能源载体

目前，我国生产燃料乙醇的主要原料是玉米。据预测，未来几年国内燃料乙醇生产能力和需求均有提高，玉米工业消费量将持续增加，国内玉米供求极有可能重新出现缺口，并将进一步加大和威胁到我国的粮食安全。因此，燃料乙醇原料的多样化是国家生物能源战略发展的需要。将天然木质纤维素原料如玉米秸秆、苎麻、芦苇、甘蔗渣、柠檬酸渣、酒糟、谷壳等通过生物转化得到酒精等能源物质是当前国内外研究的热点和发展趋势。

苎麻是具中国特色的经济作物，常年种植面积近20万公顷，主要种植在长江流域山坡地和平原冲积土壤上，主栽区为湖南、四川、湖北、江西和重庆等省(市)。苎麻年收三季，生物学产量高，每公顷干物质产量可达23吨，比玉米杆产量高出42％；苎麻木质纤维素含量高，为68-75％，木质素含量低，仅为2-8％。按苎麻木质纤维素含量为68％计算，每公顷可产木质纤维素13.7吨，若按每吨纤维素生产1.2吨工业酒精计，可生产16.5吨工业用酒精。另外，苎麻抗逆能力强，各种逆境土壤和山坡地均可种植，不与粮食、棉花等主要作物争地，为能源植物的发展提供了重要的选择。

3、酶糖化技术是生产燃料乙醇的核心

苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇包括脱胶、纤维素水解糖化和酵母发酵等环节。其中，纤维素水解糖化技术是制约苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的关键环节。目前，生产上普遍采用的纤维素糖化方法为高温高压条件下的硫酸水解法，但该方法存在着成本高、污染严重等诸多问题，制约天然木质纤维素的开发利用。为此，国内外广泛开展高活性纤维素酶菌种的选育和天然木质纤维素酶水解工艺研究，并取得了一定的进展。国外，Zomed等(1991)利用纯化的β-葡萄糖苷酶和纤维素酶同时酶解纤维素，大大提高了糖化速率，几乎使所有的纤维素都能转化为葡萄糖；Han等(2000)利用模式菌种里氏木霉QM29414产生的纤维素酶对香蕉叶子进行降解，获得了较高的糖化率。国内，主要在降低酶的成本，超滤膜的酶回收技术、高产纤维素酶菌株选育及酶的后处理技术等方面做了大量工作。张发群等(1991)糖化蔗髓时，先用10％的CaO在120℃下搅拌处理70min，再经Trichoderma Uoningji P₂菌株所产生的酶液进行降解，24h后得糖率为45.3％-54.5％，全纤维素转化率平均为73.8％；沈金龙等(2004)利用纤维素酶高产菌株里氏木霉突变株813A所产生的纤维素酶，对天然木质纤维素的水解糖化过程进行了研究，玉米叶和杨树叶的水解糖化率分别达到86.12％和56.10％，酒精转化率79.14％-72.11％。这些研究表明，利用酶法技术降解木质纤维素，具有环境污染轻、提高糖化率和酒精转化率等特点，开发前景广阔。但有关苎麻韧皮纤维降解糖化生产燃料乙醇的技术国内外未见报道。

三、拟解决的关键问题

本发明针对生产上采用的纤维素硫酸水解糖化方法存在的问题，采用微生物发酵和酶催化技术，提供一种微生物提取、酶催化水解糖化和酵母发酵的燃料乙醇生产方法。即：通过脱胶微生物的发酵，除去纤维束间的果胶、木质素和半纤维素等非纤维素物质；纤维素酶和木聚糖酶的共同催化水解作用，可将纤维素和半纤维素降解糖化为单糖或寡糖；然后酵母发酵产生乙醇。与已有技术相比，本发明具有处理时间短、转化率高和环境污染轻等特点。苎麻木质纤维素提取率高达70-75％、木聚糖酶活性＞5000IU/ml、酸性纤维素酶活性＞2000IU/ml、纤维素糖化率为80％-85％、乙醇转化率＞70％。

四、技术方案

本发明采用的技术方案包括：备料、生物脱胶、洗麻、混合酶水解糖化、过滤、酸性纤维素酶水解糖化、发酵液配制与灭菌、发酵、分馏等工序。

(一)备料原麻除杂，剪成5cm±0.5cm的片断，备用。

(二)生物脱胶按“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”—国家发明专利技术(专利号：ZL95112564.8)要求进行，湿润发酵6-8小时。

(三)洗麻用自来水冲洗已脱胶的苎麻韧皮纤维，以除尽粘附在纤维上的脱胶产物。

(四)混合酶水解糖化木聚糖酶与酸性纤维素酶混合配比为1∶2-3，木聚糖酶浓度5％，酸性纤维素酶浓度10％-15％，浴比1∶8-10，pH值5.0-6.0，温度为45℃±5℃，酶催化反应时间2.0h±0.5h。

(五)过滤用四层纱布过滤，分离糖化酶解产物和未糖化纤维素。

(六)酸性纤维素酶水解糖化完全彻底糖化纤维素，酸性纤维素酶浓度10％±2％，浴比1∶8-10，pH值5.0±0.5，酶催化反应的温度45℃±5℃，反应时间3.0h±0.5h。

(七)发酵液配制与灭菌分别按发酵液体积(浓缩体积，其含糖率约为15％)的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制温度121℃±5℃，灭菌15-20分钟。

(八)发酵酵母菌接种量为糖液重量的2％±0.5％，发酵温度30℃±2℃，通气量0.02m³.m^-3.min^-1±0.002m³.m^-3.min^-1，发酵时间66h±6h。

(九)分馏多级分馏获得燃料级乙醇。

五、实施例

(一)技术方案

实施例1

1、备料原麻除杂，剪成5cm±0.5cm的片断，备用。

2、生物脱胶按“苎麻生物脱胶工艺技术与设备”—国家发明专利技术(专利号：ZL95112564.8)要求进行，湿润发酵6-8小时。

3、洗麻用自来水冲洗已脱胶的苎麻韧皮纤维，以除尽粘附在纤维上的脱胶产物。

4、混合酶水解糖化木聚糖酶与酸性纤维素酶混合的配比1∶2，木聚糖酶浓度5％，酸性纤维素酶浓度10％，浴比1∶8，pH值5.0-6.0，温度为45℃±5℃，酶催化反应时间1.5h。

5、过滤用四层纱布过滤，分离糖化酶解产物和未糖化纤维素。

6、酸性纤维素酶水解糖化完全彻底糖化纤维素，酸性纤维素酶浓度8％，浴比1∶8，pH值5.0±0.5，酶催化反应的温度45℃±5℃，反应时间2.5h。

7、发酵液配制与灭菌分别按发酵液体积(浓缩体积，其含糖率约为15％)的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制温度121℃±5℃，灭菌15-20分钟。

8、发酵酵母菌接种量为糖液重量的1.5％，发酵温度28℃，通气量0.02m³.m^-3.min^-1±0.002m³.m^-3.min^-1，发酵时间60h。

9、分馏多级分馏获得燃料级乙醇。

实施例2

1、备料原麻除杂，剪成5cm±0.5cm的片断，备用。

4、混合酶水解糖化木聚糖酶与酸性纤维素酶混合的配比1∶2.5，木聚糖酶浓度5％，酸性纤维素酶浓度12.5％，浴比1∶9，pH值5.0-6.0，温度为45℃±5℃，酶催化反应时间2.0。

6、酸性纤维素酶水解糖化完全彻底糖化纤维素，酸性纤维素酶浓度10％，浴比1∶9，pH值5.0±0.5，酶催化反应的温度45℃±5℃，反应时间3.0h。

8、发酵酵母菌接种量为糖液重量的2％，发酵温度30℃，通气量0.02m³.m^-3.min^-1±0.002m³.m^-3.min^-1，发酵时间66h。

9、分馏多级分馏获得燃料级乙醇。

实施例3

1、备料原麻除杂，剪成5cm±0.5cm的片断，备用。

4、混合酶水解糖化木聚糖酶与酸性纤维素酶混合的配比1∶3，木聚糖酶浓度5％，酸性纤维素酶浓度15％，浴比1∶10，pH值5.0-6.0，温度为45℃±5℃，酶解时间2.5h。

6、酸性纤维素酶水解糖化完全彻底糖化纤维素，酸性纤维素酶浓度12％，浴比1∶10，pH值5.0±0.5，酶催化反应的温度45℃±5℃，反应时间3.5h。

8、发酵酵母菌接种量为糖液重量的2.5％，发酵温度32℃，通气量0.02m³.m^-3.min^-1±0.002m³.m^-3.min^-1，发酵时间72h。

9、分馏多级分馏获得燃料级乙醇。

(二)实施效果

本发明以1kg、2kg和10kg的苎麻韧皮纤维为实验原料，经本发明技术实施处理后的苎麻木质纤维素提取率高达70-75％、纤维素水解糖化率为80％-85％、乙醇转化率＞70％。

Claims

1、一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于经生物脱胶后的苎麻韧皮纤维，采用木聚糖酶和酸性纤维素酶进行降解糖化后，利用酵母菌发酵生产燃料乙醇。

2、根据权利要求1所述的一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于工艺流程包括：备料、生物脱胶、洗麻、混合酶降解糖化、过滤、酸性纤维素酶降解糖化、发酵液配制与灭菌、发酵、分馏等工序。

3、根据权利要求1所述的一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于混合酶配制时，木聚糖酶与酸性纤维素酶的配比1∶2-3，木聚糖酶浓度5％，酸性纤维素酶浓度10％-15％，浴比1∶8-10，pH值5.0-6.0，温度为45℃±5℃，酶催化反应时间2.0h±0.5h。

4、根据权利要求1所述的一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于纤维素酶降解糖化时，酸性纤维素酶浓度10％±2％，浴比1∶8-10，pH值5.0±0.5，温度45℃±5℃，反应时间3.0h±0.5h。

5、根据权利要求1所述的一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于配制发酵液时，分别按糖液体积的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制温度121℃±5℃，灭菌15-20分钟。

6、根据权利要求1所述的一种酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇的方法，其特征在于乙醇发酵时酵母菌接种量为发酵液的1％±0.5％，发酵温度30℃±2℃，通气量0.02m³.m^-3.min^-1±0.002m³.m^-3.min^-1，发酵时间66h±6h。

7、根据权利要求1或3和4所述的酶法降解苎麻韧皮纤维生产燃料乙醇技术，其特征在于加入的木聚糖酶活性＞5000IU/ml，酸性纤维素酶活性＞2000IU/ml。