CN101298620B

CN101298620B - 天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法

Info

Publication number: CN101298620B
Application number: CN2008100957987A
Authority: CN
Inventors: 刘振; 王键吉; 尹卫平; 杨敏
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: CN101298620A

Abstract

本发明涉及利用天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法。其中将天然纤维素原料依次用离子液体A和B处理分别除去半纤维素、木质素后，再以得到的纤维素为底物一步发酵制备乙醇，所述的离子液体A为酸性或碱性离子液体，所述的离子液体B为卤化咪唑类离子液体。本发明通过利用离子液体对天然纤维素原料进行分级处理，把其中的半纤维素、木质素等对发酵生产乙醇有害的物质去除以作他用，仅利用纤维素作为底物进行乙醇发酵，实现天然纤维素原料的全利用。同时可避免半纤维素、木质素等对纤维素酶的吸附，提高酶活；反应器内不发酵的物质积累少，可实现长时间连续发酵，进料浓度高，酵母、纤维素酶循环利用，回收乙醇浓度高，节约用水。

Description

天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法

(一)技术领域

本发明属于乙醇发酵工业技术领域，特别涉及利用天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法。

(二)背景技术

乙醇是生物质液体能源材料的主要代表，也是石化燃料最可能的替代品。随着社会的进步，环境污染、能源短缺问题越来越困扰人类的生存与发展，乙醇作为清洁可再生能源，具有愈益重要的现实意义。以淀粉类和糖类化合物为原料，采用微生物发酵生产乙醇是一项成熟的技术，但其原料成本高昂且消耗并不富余的粮食，难以满足当今社会大规模的开发和利用。

纤维素是地球上贮量最丰富的有机物质，植物每年通过光合作用能产生高达1550亿吨纤维素类物质。它成本低廉，来源广泛，目前每年用于工业过程或燃烧的纤维素约占2％左右，还有很大一部分未被利用，因此以纤维素作为发酵原料制备乙醇成为必然的趋势。以天然纤维素原料发酵生产乙醇主要以酿酒酵母为菌种，通过纤维素水解生成葡萄糖后，发酵制得乙醇。该工艺需要解决两大技术问题：(1)天然纤维素的水解产物对发酵的抑制作用；(2)木质纤维素水解产物五碳糖(木糖)、六碳糖(主要是葡萄糖)等混合糖的高效发酵问题。

纤维素水解的方法主要包括酸解和酶解。前者工艺繁琐，对设备有腐蚀，更重要的是产生大量的对发酵产生抑制的物质(如乳糖醛、酚类化合物等)。酶解较为理想，但纤维素酶价格昂贵，不能循环利用；且由于纤维素是复杂的晶状结构，周围附着半纤维素和木质素，必须经预处理后，纤维素酶才能发生作用。常见的预处理方法有物理法(如机械粉碎、蒸汽爆裂法等)和化学法(如臭氧法、酸法、碱法等)，但都不令人满意。其中蒸汽***被认为有应用前景，但它破坏了木聚糖的结构，还可能积累对微生物生长起抑制作用的物质，且需要消耗大量蒸气，另外木质素还不能被除去。出现混合糖发酵的问题是由于半纤维素水解生成了木糖。对于酵母来讲，木糖不能被发酵生成乙醇，且其存在对纤维素酶水解纤维素有抑制作用，随着底物中木糖浓度的增加，乙醇的收率将会下降。

木质纤维素发酵生产乙醇的方法中目前比较流行的是同步糖化发酵，该方法优点在于解除了葡萄糖对纤维素酶的抑制作用，提高了酶解效率，减少了纤维素酶的用量，所需要的反应设备减少，污染的可能性降低。但随着发酵的进行，乙醇的大量积累会对微生物的活性产生很大的影响，同时也对纤维素酶产生抑制作用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，解决混合糖发酵以及其引起的一系列问题，最终解决乙醇生产效率低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其中将天然纤维素原料先依次用离子液体A和B处理分别除去半纤维素、木质素，再以得到的纤维素为底物发酵制备乙醇，所述的离子液体A为酸性或碱性离子液体，其中酸性离子液体优选带磺酸根基团的离子液体；所述的离子液体B为卤化咪唑类离子液体。

本发明的关键在于先将天然纤维素原料中含有的对发酵过程有影响的半纤维素和木质素分别去除，采用的手段是分别使用离子液体A和离子液体B，酸性或碱性的离子液体A要求对天然纤维素原料中的半纤维素有很好的溶解性，但是不溶解纤维素和木质素；卤化咪唑类离子液体B对纤维素和木质素的溶解度要有较大差别。相比较于物理或者化学的预处理方法，本处理方法简单，且分离效果好；相较于无机或有机类的溶剂，使用离子液体不仅环保，且经简单处理后即可循环使用，降低成本。

较好的，天然纤维素原料用离子液体处理的过程可如下进行：将天然纤维素原料粉碎至20～200目，加入天然纤维素原料质量2-20倍的离子液体A在60-160℃下浸泡2-10小时，分离出固形物，得到除去半纤维素的天然纤维素；将除去半纤维素的天然纤维素再与离子液体B按照质量比1∶2-20混合，于60-130℃加热0.5-4h，将固形物分离除去，得除去木质素的纤维素溶液，处理后得纤维素。

以上过程中用离子液体A处理后分离出固形物后的溶液即为半纤维素的离子液体溶液，加入水或乙醇后半纤维素即可沉淀出来，离心后半纤维素可作他用，离子液体A可通过旋转蒸发后再生并循环使用。卤化咪唑类离子液体B是可以溶解半纤维素和纤维素的，而对木质素溶解度极小，在半纤维素已经除去的情况下，离子液体B中溶解的只有纤维素，而木质素作为固形物在分离时被除去。具体的，溶解有纤维素的离子液体可以通过加入乙醇或水使纤维素沉淀出来，而离子液体通过旋转蒸发后再生并循环使用。

天然纤维素原料经离子液体分级处理后，木质素与半纤维素已被分离除去，这就避免了后续糖化发酵过程中水解产物的混合糖发酵问题，以及分解不完全对纤维素酶的抑制作用，提高了酶活以及发酵效率，另外发酵过程中累积的不发酵物质减少，可长时间连续发酵。

纤维素酶发酵生产乙醇已经是较为成熟的技术，本发明根据具体情况又进一步提供了较为优选的方法：将纤维素与水按照1-4∶10的质量比例混合，灭菌后加入纤维素酶，于40～60℃下保温20～40小时进行酶解，然后再于30～40℃，无菌接入酿酒酵母发酵10～30小时，生成乙醇。

本方法中所述酶解与发酵过程优选在同一反应器中进行，酶解与发酵过程中反应器底部通入CO₂。特别是当反应器中乙醇的体积浓度达到3～5％时，增大CO₂通气量至乙醇可从反应器中移出。此操作可以解决乙醇的大量积累对微生物的活性产生的影响，同时也避免了乙醇积累对纤维素酶产生的抑制作用。

在上述纤维素发酵制备乙醇的过程中，反应物料的加入、酶解、发酵、乙醇的分离可连续进行。而由CO₂移出的乙醇通过冷凝、吸附、吸收或膜分离回收，可得到体积百分比浓度为30～60％的乙醇。

本发明提到的天然纤维素原料优选绿色植物通过光合作用形成的可再生资源，如玉米秸秆、小麦秸秆或稻草等农业废弃物，既保护环境又能废物利用。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明通过利用环境友好的离子液体对天然纤维素原料进行分级处理，把其中的半纤维素、木质素等对发酵生产乙醇有害的物质去除以作他用，仅利用纤维素作为底物进行乙醇发酵，实现天然纤维素原料的全利用。同时可避免半纤维素、木质素等对纤维素酶的吸附，提高酶活；反应器内不发酵的物质积累少，可实现长时间连续发酵，进料浓度高，酵母、纤维素酶循环利用，回收乙醇浓度高，节约用水。

(四)具体实施方式：

以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

将一定量的玉米秸秆粉碎至40目，按1∶6的质量比例加入离子液体氯化1-甲基-3-(苯基磺酸基)甲基咪唑(酸性)中，在80℃下浸泡4小时。原料部分溶解，经离心，获得主要成分为纤维素和木质素的固形物。溶解在离子液体氯化1-甲基-3-(苯基磺酸基)甲基咪唑中的半纤维，可通过加入水沉淀出来，离心分离；离子液体氯化1-甲基-3-(苯基磺酸基)甲基咪唑可通过真空干燥循环使用。

含有纤维素和木质素的固形物，按6∶100的质量比例加入离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑中，在110℃下油浴加热2小时。固形物部分溶解，经离心，获得主要成分为木质素的固形物。溶解于离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑的纤维素，通过加入乙醇溶剂沉淀出来，离心分离；离子液体氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑可通过旋转蒸发再生循环使用。

分离所得纤维素与水混合配制质量百分比为20％的混合液，加入气升式反应器中，经灭菌后加入纤维素酶酶解，酶加入量为100U/g纤维素，于55℃下保温24小时，生成纤维素酶解物，在该过程中，从反应器底部微通CO₂进行搅拌；纤维素酶解物在34℃下，无菌接入酿酒酵母发酵24小时，生成乙醇，该过程中，继续从反应器底部微通CO₂进行搅拌；当反应器中乙醇的体积浓度达到3～5％时，增大CO₂通气量，进行气提操作，利用CO₂的夹带作用，将乙醇从反应器中移出。由CO₂移出的乙醇通过冷凝方法(冷媒温度-30℃)回收，最终乙醇体积浓度为40％。

实施例2

将一定量的稻草粉碎至80目，按1∶15的质量比例加入离子液体甲磺酸N-甲基咪唑(酸性)中，在60℃下浸泡6小时。原料部分溶解，经离心，获得主要成分为纤维素和木质素的固形物。半纤维素的分离与离子液体的回收方法同实施例1。

含有纤维素和木质素的固形物，按1∶5的质量比例加入离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑中，微波加热1小时。固形物部分溶解，经离心，获得主要成分为木质素的固形物。纤维素的分离与离子液体的再生方法同实施例1。

分离所得纤维素与水混合配制质量百分比为40％的混合液，加入气升式反应器中，经灭菌后加入纤维素酶酶解，酶加入量为100U/g纤维素，于60℃下保温24小时，生成纤维素酶解物，在该过程中，从反应器底部微通CO₂进行搅拌；纤维素酶解物在34℃下，无菌接入酿酒酵母发酵24小时，生成乙醇，该过程中，从反应器底部微通CO₂进行搅拌；后续操作同实施例1。由CO₂移出的乙醇通过填充活性炭吸附塔回收，待吸附饱和后，加热吸附塔再生，经冷凝最终乙醇浓度为60％。

实施例3

将一定量的小麦秸秆粉碎至100目，按1∶10的质量比例加入离子液体氢氧化1-甲基-3-正丁基咪唑(碱性)中，在80℃下浸泡8小时。原料部分溶解，经离心，获得主要成分为纤维素和木质素的固形物。半纤维素的分离与离子液体的回收方法同实施例1。

含有纤维素和木质素的固形物，按6∶100的质量比例加入离子液体溴化1-丁基-3-甲基咪唑中，微波加热3小时。固形物部分溶解，经离心，获得主要成分为木质素的固形物。纤维素的分离与离子液体的再生方法同实施例1。

分离所得纤维素与水混合配制质量百分比为20％的混合液，加入气升式反应器中，经灭菌后加入纤维素酶酶解，酶加入量为100U/g纤维素，于60℃下保温24小时，生成纤维素酶解物，在该过程中，从反应器底部微通CO₂进行搅拌；纤维素酶解物在34℃下，无菌接入酿酒酵母发酵24小时，生成乙醇，该过程中，继续从反应器底部微通CO₂进行搅拌；当反应器中乙醇的体积浓度达到3～5％时，增大CO₂通气量，进行气提操作，将乙醇从反应器中移出。同时向反应器中补加经过灭菌的纤维素与水的混合溶液(质量百分比为40％)，进行连续操作。其他操作同实施例2，最终乙醇浓度为60％。

Claims

1.天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于，将天然纤维素原料依次用离子液体A和B处理分别除去半纤维素、木质素后，以得到的纤维素为底物发酵制备乙醇，所述的离子液体A为氯化1-甲基-3-(苯基磺酸基)甲基咪唑、甲磺酸N-甲基咪唑或氢氧化1-甲基-3-正丁基咪唑；所述的离子液体B为氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、溴化1-丁基-3-甲基咪唑。

2.如权利要求1所述的天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于将天然纤维素原料粉碎至20～200目，加入天然纤维素原料质量2-20倍的离子液体A在60-160℃下浸泡2-10小时，分离出固形物，得到除去半纤维素的天然纤维素；将除去半纤维素的天然纤维素再与离子液体B按照质量比1∶2-20混合，于60-130℃加热0.5-4h，将固形物分离除去，得除去木质素的纤维素溶液，处理后得纤维素。

3.如权利要求2所述的天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于将纤维素与水按照1-4∶10的质量比例混合，灭菌后加入纤维素酶，于40～60℃下保温20～40小时进行酶解，然后再于30～40℃，无菌接入酿酒酵母发酵10～30小时，生成乙醇。

4.如权利要求3所述的天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于所述酶解与发酵过程在同一反应器中进行，酶解与发酵过程中反应器底部通入CO₂。

5.如权利要求4所述的天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于当反应器中乙醇的体积浓度达到3～5％时，增大CO₂通气量至乙醇可从反应器中移出。

6.如权利要求5所述的天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于反应物料的加入、酶解、发酵、乙醇的分离连续进行。

7.如权利要求6所述的天然纤维素原料经离子液体分级处理一步发酵制备乙醇的方法，其特征在于所述天然纤维素原料为玉米秸秆、小麦秸秆或稻草。