CN101358218B

CN101358218B - 一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法

Info

Publication number: CN101358218B
Application number: CN2008101414189A
Authority: CN
Inventors: 王建设; 王绍鹏
Original assignee: 王建设
Current assignee: Zhengzhou Dayang Grease Chemical Equipment Co., Ltd.
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: CN101358218A

Abstract

本发明提供一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，秸秆经酸水解后过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖渣经酶解、发酵、精馏制备丙酮、丁醇和乙醇，木糖分解液用于制备木糖；本发明利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法实现了纤维素秸秆类物质利用的最大化，不但充分地利用秸杆资源，实现了变废为宝，提高了产品的附加值，实现了其经济价值，同时也为丙酮、丁醇的生产开辟了新的原料资源和方法，为企业和社会带来了更多的经济效益和社会效益。

Description

一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法。

背景技术

农作物秸杆是阳光光合作用的产物，是大宗的可再生资源，仅我国每年就收获大约8亿吨，除一小部分用作饲料外，其余大部分都被白白浪费掉了。随着技术的发展进步，开发了利用秸秆生产木糖、木糖醇的技术，为秸秆的重新利用开辟了一条新途径。但是在利用秸秆生产木糖、木糖醇的技术中还存在着一些缺点，秸秆经过酸水解、过滤后的液态部分用于生产木糖，但是过滤后的木糖渣则没有被充分地利用，有部分被用于制备乙醇，但并没有实现秸秆利用的最大化，还是存在一定资源上的浪费。

丙酮和丁醇广泛用于有机合成塑料、树脂、油漆、医药和国防工业。丙酮可作为油漆、电影胶片、塑料、石油精炼脱蜡、植物油萃取、制药的溶剂和有机合成化学工业的原料。丁醇除可用作溶剂外还是一种潜在的大综动力燃料，它的燃烧值和汽油相当，是汽车用油的替代品。现有的丙酮、丁醇生产工艺有两种方法，一种是石化合成法，另一种是生物发酵法。石化合成丙酮、丁醇的方法原料采用的是日益枯竭的石油资源，随着石油的减少石化合成法也将告终。生物发酵法生采用的原料为玉米，不但成本太高，同时也给饲料行业带来了竞争压力。利用玉米生产丙酮、丁醇是直接把玉米筛选、破碎、提胚、糊化、连消蒸煮等前期处理，再发酵、蒸馏生产丙酮和丁醇。这样利用玉米发酵生产丙酮和丁醇的方法的成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，实现了资源利用最大化。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，秸秆粉碎用热水浸泡后加入稀酸进行水解，过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖，向木糖渣中加入35～60℃的热水，木糖渣与热水的重量比为1：3～6，加入碱性物质调PH值为4～7，再分批加入纤维素酶，每克木糖渣加入200～600ncu纤维素酶，然后在40～55℃下连续酶解60～120小时；酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣，滤渣返回继续酶解；向分离液中加入氮源类物质，调整分离液中糖的质量百分比浓度为4～6％，然后在120～150℃下进行蒸煮杀菌30～45分钟，冷却至35～41℃后送入发酵罐，接种菌种，在34～39℃下厌氧发酵36～72小时；发酵液进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇。

所述秸秆粉碎后用60～90℃热水浸泡1～3小时。

所述稀酸为质量百分比浓度为0.3～6％的稀硫酸或稀盐酸，稀酸的加入量为秸秆重量的5～8倍。

所述水解时温度为100～130℃，水解时压力为0.1～0.3MPa，水解时间为3～8小时。

所述菌种为丙酮丁醇梭菌、丙酮丁酸杆菌、糖丁酸梭菌或巴氏芽孢梭菌。

所述氮源类物质为硫酸铵、硫酸氢铵、氯化铵、豆粕、棉籽粕、花生粕、玉米或菜籽粕，氮源类物质的加入量为分解液重量的1～5％。

所述碱性物质为氢氧化钙、碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾或氢氧化钾。

所述精馏工序前先进行粗馏。

所述酶解时使用酶解发生器。

所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、向日葵秸秆、稻草、玉米芯、甘蔗渣、花生壳或棉籽壳中的一种或多种。

本发明所使用的原料是秸秆类物质，秸秆类物质主要是由半纤维素、纤维素和木质素三种成分组成，半纤维素物质主要组成成分是木聚糖，半纤维素物质不易被纤维素酶水解，而纤维素主要组成成分是己聚糖，纤维素又不易被稀酸水解。为了充分地利用纤维素秸秆类物质，本发明先用热水浸泡秸秆，去掉原料中的果胶和单宁等妨碍水解的物质，然后利用稀酸使半纤维素水解转化为戊糖，戊糖是生产木糖、木糖醇或糠醛的很好的原料；而在同等条件下半纤维素酸水解速度是纤维素酸水解速度的100倍，不易被酸水解的纤维素则用少量的纤维素酶水解生成单糖—葡萄糖，这样不但降低了纤维素酶的用量，也大大提高了纤维素的利用率，葡萄糖中加入菌种发酵获得丙酮、丁醇和乙醇的混合物，精馏将混合物分离。本发明利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法实现了纤维素秸秆类物质利用的最大化，不但充分地利用秸杆资源，实现了变废为宝，提高了产品的附加值，实现了其经济价值，同时也为丙酮、丁醇的生产开辟了新的原料资源和方法，为企业和社会带来了更多的经济效益和社会效益。

具体实施方式

实施例1：将玉米芯粉碎后用90℃热水浸泡1小时，然后加入质量百分比浓度为0.3％的稀硫酸进行水解，稀硫酸加入量为玉米芯重量的8倍，水解时温度为100℃，水解时压力为0.1MPa，水解时间为8小时，过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖；向木糖渣中加入35℃的热水，木糖渣与热水的重量比为1：6，加入氢氧化钙调PH值为4，再分批加入纤维素酶，每克木糖渣加入200ncu纤维素酶，然后送入酶解发生器在40℃下连续酶解120小时；酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣，滤渣返回继续酶解；向分离液中加入硫酸铵，硫酸铵的加入量为分解液重量的1％，浓缩调整分离液中糖的质量百分比浓度为6％，然后在120℃下进行蒸煮杀菌45分钟，冷却至35℃后送入发酵罐，接种丙酮丁醇梭菌菌种，在34℃下厌氧发酵72小时；发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇，丙酮、丁醇、乙醇的质量比为27：62.2：10.1。

实施例2：将玉米秸秆、小麦秸秆和高粱秸秆混合粉碎后用80℃热水浸泡2小时，然后加入质量百分比浓度为3％的稀盐酸进行水解，稀盐酸加入量为玉米秸秆、小麦秸秆和高粱秸秆总重量的7倍，水解时温度为120℃，水解时压力为0.2MPa，水解时间为5小时，过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖；向木糖渣中加入45℃的热水，木糖渣与热水的重量比为1：5.5，加入碳酸钙调PH值为5，再分批加入纤维素酶，每克木糖渣加入400ncu纤维素酶，然后送入酶解发生器在50℃下连续酶解90小时；酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣，滤渣返回继续酶解；向分离液中加入硫酸氢铵，硫酸氢铵的加入量为分解液重量的3％，浓缩调整分离液中糖的质量百分比浓度为5％，然后在140℃下进行蒸煮杀菌40分钟，冷却至38℃后送入发酵罐，接种糖丁酸梭菌菌种，在37℃下厌氧发酵50小时；发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇，丙酮、丁醇、乙醇的质量比为28：61：10.1。

实施例3：将花生壳和棉籽壳混合粉碎后用60℃热水浸泡3小时，然后加入质量百分比浓度为6％的稀硫酸进行水解，稀硫酸加入量为花生壳和棉籽壳总重量的5倍，水解时温度为130℃，水解时压力为0.3MPa，水解时间为3小时，过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖；向木糖渣中加入60℃的热水，木糖渣与热水的重量比为1：3，加入氢氧化钠调PH值为7，再分批加入纤维素酶，每克木糖渣加入500ncu纤维素酶，然后送入酶解发生器在55℃下连续酶解60小时；酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣，滤渣返回继续酶解；向分离液中加入玉米，玉米的加入量为分解液重量的2％，加水调整分离液中糖的质量百分比浓度为4％，然后在150℃下进行蒸煮杀菌30分钟，冷却至41℃后送入发酵罐，接种丙酮丁醇梭菌菌种，在39℃下厌氧发酵36小时；发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇，丙酮、丁醇、乙醇的质量比为27.4：62：10.1。

实施例4：将甘蔗渣和稻草混合粉碎后用70℃热水浸泡2.5小时，然后加入质量百分比浓度为5％的稀盐酸进行水解，稀盐酸加入量为甘蔗渣和稻草总重量的6倍，水解时温度为110℃，水解时压力为0.15MPa，水解时间为6小时，过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖；向木糖渣中加入50℃的热水，木糖渣与热水的重量比为1：4，加入碳酸钠调PH值为6，再分批加入纤维素酶，每克木糖渣加入600ncu纤维素酶，然后送入酶解发生器在45℃下连续酶解100小时；酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣，滤渣返回继续酶解；向分离液中加入豆粕，豆粕的加入量为分解液重量的5％，调整分离液中糖的质量百分比浓度为5％，然后在130℃下进行蒸煮杀菌35分钟，冷却至40℃后送入发酵罐，接种巴氏芽孢梭菌菌种，在38℃下厌氧发酵60小时；发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇，丙酮、丁醇、乙醇的质量比为28.2：61：10。

以上以具体实施例来说明本发明的技术方案，但并非是对本发明的技术方案的限制，本领域技术人员应该理解，依然可以对发明进行修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，秸秆粉碎，用热水浸泡后加入稀酸进行水解，过滤分为木糖水解液和木糖渣，木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖，其特征在于：向木糖渣中加入35～60℃的热水，木糖渣与热水的重量比为1∶3～6，加入碱性物质调PH值为4～7，再分批加入纤维素酶，每克木糖渣加入200～600ncu纤维素酶，然后在40～55℃下连续酶解60～120小时；酶解完毕，膜分离过滤分为分解液和滤渣，滤渣返回继续酶解；向分离液中加入氮源类物质，调整分离液中糖的质量百分比浓度为4～6％，然后在120～150℃下进行蒸煮杀菌30～45分钟，冷却至35～41℃后送入发酵罐，接种菌种，在34～39℃下厌氧发酵36～72小时；发酵液进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇。

2.如权利要求1所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述秸秆粉碎后用60～90℃热水浸泡1～3小时。

3.如权利要求2所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述稀酸为质量百分比浓度为0.3～6％的稀硫酸或稀盐酸，稀酸的加入量为秸秆重量的5～8倍。

4.如权利要求3所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述水解时温度为100～130℃，水解时压力为0.1～0.3MPa，水解时间为3～8小时。

5.如权利要求1至4任一项所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述菌种为丙酮丁醇梭菌、丙酮丁酸杆菌、糖丁酸梭菌或巴氏芽孢梭菌。

6.如权利要求5所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述氮源类物质为硫酸铵、硫酸氢铵、氯化铵、豆粕、棉籽粕、花生粕、玉米或菜籽粕，氮源类物质的加入量为分解液重量的1～5％。

7.如权利要求6所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述碱性物质为氢氧化钙、碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾或氢氧化钾。

8.如权利要求7所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述精馏工序前先进行粗馏。

9.如权利要求8所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述酶解时使用酶解发生器。

10.如权利要求9所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法，其特征在于：所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、向日葵秸秆、稻草、玉米芯、甘蔗渣、花生壳或棉籽壳中的一种或多种。