CN105400830A - 一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法 - Google Patents

一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法，它包括如下步骤：a、预处理：对木质纤维素原料进行稀酸预处理，得预处理原料；b、预糖化：对步骤a的预处理原料进行糖化，得预糖化物料；c、批次补料同步糖化发酵。本发明提供的乙醇生产方法，能够有效提高乙醇的浓度，而且乙醇得率、产率和生产能力高，降低了乙醇的生产成本，具有良好的工业应用前景。

Description

一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种乙醇的生产方法，特别涉及一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法。
背景技术
木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，由于其具有产量大、成本低、可再生等优点，以木质纤维素生物质为原料，采用微生物法生产乙醇受到了世界各国的广泛关注。
利用木质纤维素原料生产乙醇的传统工艺主要有四种：分步糖化和发酵、同时糖化发酵(SSF)、同时糖化和共发酵以及联合生物加工【李江等，木质纤维素生产燃料乙醇的糖化发酵工艺研究进展，化工进展，2011(30)：284-291】。但是，这四种传统方法发酵制备乙醇时，得到的发酵液中的乙醇浓度过低，导致乙醇产率低，而且更为重要的是，会导致蒸馏提纯的成本过高。
根据Huang等报道，乙醇浓度低于4％w/w时，蒸馏成本非常高，而浓度大于等于4％w/w时，则蒸馏成本大大降低【Wei-DongHuangetal，Analysisofbiofuelsproductionfromsugarbasedonthreecriteria:Thermodynamics,bioenergetics,andproductseparation,EnergyEnviron.Sci.,2011,4,784–792；见图5】。然而，前述四种传统方法发酵制备乙醇时，SSF法作为最常用的工艺，制得的发酵液中乙醇浓度相对较高，但也很难达到前述临界值，蒸馏提纯成本高。
公告号为CN103074385B的专利公开了一种改进的SSF法，将乙醇浓度提高到了3.45％w/w(即39.4g/L)，该方法在一定程度上提高了发酵液中的乙醇浓度，但是得到的发酵液的乙醇浓度仍然显著低于4％w/w，蒸馏提纯成本仍然很高。
因此，为实现高效地、经济地利用木质纤维素原料生产乙醇，急需对现有方法进行改进，以提高发酵液中的乙醇浓度，降低蒸馏提纯成本，提高产率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法。
本发明提供了一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法，它包括如下步骤：
a、预处理：对木质纤维素原料进行稀酸预处理，得预处理原料；
b、预糖化：对步骤a得到的预处理原料进行糖化，得预糖化物料；
c、批次补料同步糖化发酵：
待步骤b得到的预糖化物料降温至35℃后，接种酵母，在pH值为4.8-5.0、150rpm、35℃条件下发酵，发酵过程中添加补料物料；最后一次补料24小时后，停止发酵，即可；
其中，补料物料由下述方法制备：
取步骤a得到的预处理原料，加纤维素酶，再加水，调pH至4.8-5.0，然后在150rpm、50℃条件下保持24小时，得补料物料；其中，预处理原料的固体浓度为20％(g/ml)，纤维素酶的加入量为15FPU/g固体。
木质纤维素原料是生物质的一大种类，主要由木质素、纤维素以及半纤维素组成，可用于生产乙醇的木质纤维素原料包括秸秆等农业废弃物，工业废弃物如造纸厂的纤维渣等，林业废弃物和城市废弃物如废纸、包装纸等。
FPU：滤纸酶活力单位(Filterpaperunit)，是用来描述纤维素酶活力的常用单位。
15FPU/g固体：酶添加量，指每g预处理原料干重(干重即预处理原料中的固体重量)需要添加的酶活力量为15FPU。
糖化时，若采用15％(g/ml)的固体浓度，则所需的总酶活力量为15FPU/g固体×15g＝225FPU。纤维素酶的酶活力为140FPU/mL，则纤维素酶的添加量为225/140＝1.6mL。
其中，步骤a中，所述预处理的方法为：
1)取木质纤维素原料，按固体浓度10％(g/ml)和硫酸终浓度1％(g/ml)添加硫酸和水，然后于140-150℃保持10-20min；
2)分离得到固体残渣；
3)清洗；
其中，所述木质纤维素原料为玉米芯、玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆、甘蔗渣和/或芦苇。
清洗是指：用水清洗固体残渣，至固体残渣的pH值与水的pH值相同。
其中，步骤a中，所述预处理的方法为：
1)取木质纤维素原料，调节固体浓度为15％(g/ml)；
2)在5000rpm下粉碎，调节pH至4.8-5.0；
其中，所述木质纤维素原料为纸。
其中，步骤b中，所述预糖化的方法为：
取步骤a的预处理原料，加纤维素酶，再加水，调pH至4.8-5.0，然后在150rpm、50℃条件下，保持16-24小时，得预糖化物料；其中，预处理原料的固体浓度为15％(g/ml)，纤维素酶的加入量为15FPU/g固体。
进一步地，所述纤维素酶为CellicCTec2。
其中，所述固体浓度是通过加水调节的。
其中，步骤c中，接种酵母后的预糖化物料中，酵母数量为1-2×107个/mL。
其中，步骤c中，所述补料的次数为2-3次；每次补料物料的添加量均与步骤b的预处理原料体积相同。
其中，第1次补料时间为发酵后0-24小时；第2次补料时间为第1次补料后24小时。
本发明提供的乙醇生产方法，对木质纤维素进行预糖化，集中了分步糖化发酵和同步糖化发酵的优点，得到的发酵醪液中乙醇浓度为4～4.6％w/w(即46.5～53.7g/l)，不低于4％w/w的临界点，乙醇蒸馏回收所耗用的成本大大降低，而且本发明得到的乙醇得率、产率和生产能力高，具有良好的工业应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1本发明的工艺图解
具体实施方式
下面以实施例作进一步说明，但本发明不局限于这些实施例。
实施例1本发明生产乙醇的方法
1、实验材料
纤维素酶：诺维信生产的CellicCTec2，根据美国国家能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory)推荐的方法(Measurementofcellulaseactivites)测定其滤纸酶活力为140FPU/mL；
玉米秸秆：取自于成都双流县农田，根据美国国家能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory)推荐的方法(Determinationofstructuralcarbohydratesandlignininbiomass)测定其组分及结构糖的含量如下：
注：所列结构糖、木质素和灰分含量均基于干重计算。
2、乙醇生产方法
(1)预处理：
取222.8g玉米秸秆(即干重200g)，加入400mL浓度为5％(g/ml)的硫酸溶液，再加入1577.2mL水(水的计算公式为：2000-400-(222.8-200))，使固体浓度为10％(g/ml)；
在150℃条件下处理10min，经固液分离得到523.8g固体残渣，即得到预处理后的玉米秸秆原料，备用。
预处理后的玉米秸秆原料中水分含量为78.7％，干重为523.8×(1-78.7％)＝111.6g。
预处理后的玉米秸秆原料中组分及结构糖含量如下：
注：所列结构糖、木质素和灰分含量均基于干重计算。
(2)预糖化：
取70.4g(干重＝70.4×(1-78.7％)＝15g)预处理后的玉米秸秆原料，添加纤维素酶1.6mL(计算公式为：15FPU/g固体×15g/140FPU/mL＝1.6),加水38mL，用20％H2SO4调节pH值至4.8后，再加水至总液体体积为100mL，混合均匀后，50℃条件下糖化16h，得预糖化液。
(3)同步糖化发酵(SSF)：
待预糖化液冷却至35℃后，加入10mL酵母种子液，酵母种子液中酵母数量为108个/mL，开始发酵；在发酵过程中添加补料物料；
其中，补料物料是由下述方法制备的：取93.9g(干重＝93.9×(1-78.7％)＝20g)步骤(1)预处理后的玉米秸秆原料，添加纤维素酶2.1mL(15FPU/g固体×20g/140FPU/mL＝2.1),加水15mL，用20％H2SO4调节pH至4.8后，再加水至总液体体积为100mL，混合均匀后与50℃条件下预糖化24h；
补料时间：待准备的补料温度降至35℃后进行补料，总共补料2次。第一次补料时间为SSF启动后24h；第二次补料时间为第一次补料24小时后。
停止：第二次补料后24h，结束SSF。
3、实验结果
1)测定醪液中的乙醇浓度(E)
以异丙醇为内标，用气相色谱法测定，乙醇浓度为46.5g/l。
换算为质量分数表示法，乙醇浓度E’：
E ′ = W L W + W L × E = 100 + 100 + 100 + 10 ( 15 + 20 + 20 ) + ( 100 + 100 + 100 + 10 ) × 46.5 = 4.0 % w / w
W：加入的总原料量(g)；
WL为反应体系的液体部分总质量，其密度被视为1g/mL。
2)乙醇产率(Y)：为90.3％；
计算公式如下：
Y = E E 0 × 100 % = 46.5 51.5 × 100 % = 90.3 %
E 0 = W × C g × 0.511 V = ( 15 + 20 + 20 ) × 56.8 % × 0.511 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.01 = 51.5 g / L
其中，
Y：乙醇产率；
E：发酵完成后醪液中的乙醇浓度(g/L)；
E0：理论产乙醇浓度(g/L)；
W：加入的总原料量(g)；
Cg：原料中的葡萄糖含量；
0.511:葡萄糖产乙醇的理论量；
V：反应体系的总液体体积(L)；
3)乙醇得率(Y’)：为77.4％；
计算公式如下：
Y ′ = G × w G 0 × w 0 × Y = 111.6 × 56.8 % 200 × 37.0 % × 90.3 % = 77.4 %
G：预处理后的玉米秸秆原料中的葡萄糖含量；
w：预处理后的玉米秸秆质重(g)；
G0：玉米秸秆原料中的葡萄糖含量；
w0：玉米秸秆原料的质量(g)；
Y：乙醇产率。
4)乙醇生产能力(P)：为0.53g/L/h；
计算公式如下：
P = E T = 46.5 16 + 24 + 24 + 24 = 0.53 g / L / h
P：生产能力(g/L/h)；
T：SSF的总发酵时间(h)。
本方法得到的醪液中的乙醇浓度为46.5g/l，即4.0％w/w，乙醇产率为90.3％，乙醇得率为77.4％，乙醇生产能力为0.53g/L/h。
实施例2本发明生产乙醇的方法
1、实验材料
纤维素酶：同实施例1；
打印纸：由日立造船提供，组分及结构糖的含量如下：
注：所列结构糖、木质素和灰分含量均基于干重计算。
2、乙醇生产方法
(1)预处理：
取16.5g打印纸(干重：16.5×(1-9.1％)＝15g)，加入90mL水和5mL20％(g/ml)硫酸溶液调节pH至4.8-5.0，然后用粉碎机于5000rpm条件下粉碎10min。若粉碎后pH高于5.0，再次用20％(g/ml)硫酸溶液调节pH至4.8-5.0，最后加水至总液体体积为100mL，得预处理原料。
(2)预糖化：
向预处理原料中添加纤维素酶1.6mL(15FPU/g固体×15g/140FPU/mL＝1.6),混合均匀后与50℃条件下糖化16h，得预糖化液。
(3)同步糖化发酵(SSF)：
待预糖化后的样品冷却至35℃后，加入10mL酵母种子液，酵母种子液中酵母数量为2×108个/mL，开始SSF，在反应过程中添加补料物料；
其中，补料物料是由下述方法制备的：取22g打印纸(干重：22×(1-9.1％)＝20g)，加入85mL水和5.5mL20％(g/ml)硫酸溶液调节pH至4.8-5，然后用粉碎机于5000rpm条件下粉碎10min。若粉碎后pH高于5.0，再次用20％(g/ml)硫酸溶液调节pH至4.8-5.0；
添加纤维素酶2.1mL(15FPU/g固体×20g/140FPU/mL＝2.1),再加水5.4mL(100-85-5.5-(22-20)-2.1＝5.4)至总液体体积为100mL，混合均匀后与50℃条件下预糖化24h。
补料时间：待准备的补料物料温度降至35℃后进行补料，总共补料2次。第一次补料时间为SSF启动后0h；第二次补料时间为第一次补料24小时后。
停止：第二次补料后24h，结束SSF。
3、实验结果
1)测定醪液中的乙醇浓度(E)：为53.7g/l。
换算为质量分数表示法，乙醇浓度E’：
E ′ = W L W + W L × E = 100 + 100 + 100 + 10 ( 15 + 20 + 20 ) + ( 100 + 100 + 100 + 10 ) × 53.7 = 4.6 % w / w
WL为反应体系的液体部分总质量，其密度被视为1g/mL。
2)乙醇产率(Y)：为90.7％；
计算公式如下：
Y = E E 0 × 100 % = 53.7 59.2 × 100 % = 90.7 %
E 0 = W × C g × 0.511 V = ( 15 + 20 + 20 ) × 65 .3 % × 0.511 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.01 = 5 9 . 2 g / L
3)乙醇得率(Y’)等于乙醇产率：为90.7％；
4)乙醇生产能力(P)：为0.84g/L/h；
计算公式如下：
P = E T = 53.7 16 + 24 + 24 = 0.84 g / L / h
本方法得到的醪液中的乙醇浓度为53.7g/l，即4.6％w/w，乙醇产率为90.7％，乙醇得率为90.7％，乙醇生产能力为0.84g/L/h。
以下通过试验例具体说明本发明的有益效果。
对比例1木质纤维素补料不经预糖化的对比实验
1、实验材料：同实施例1。
2、乙醇生产方法
(1)预处理：同实施例1。
(2)预糖化：同实施例1。
(3)同步糖化发酵(SSF)：
预糖化液冷却至35℃后，加入10mL酵母种子液，酵母种子液中酵母数量为108个/mL，开始SSF反应；在反应过程中添加未预糖化的补料物料；
其中，未预糖化的补料物料是由下述方法制备的：
取93.9g(干重＝93.9×(1-78.7％)＝20g)预处理后的玉米秸秆，添加纤维素酶2.1mL(15FPU/g固体×20g/140FPU/mL＝2.1),加水15mL，用20％H2SO4调节pH至4.8后，再加水至总液体体积为100mL，混合均匀后用于补料。
补料时间：待准备的补料物料温度降至35℃后进行补料，总共补料2次。第一次补料时间为SSF启动后24h；第二次补料时间为第一次补料24小时后。
停止：第二次补料后24h，结束SSF。
3、实验结果
1)测定醪液中的乙醇浓度(E)：为33.6g/l。
2)乙醇产率(Y)：为65.2％；
计算公式如下：
Y = E E 0 × 100 % = 33.6 51.5 × 100 % = 65.2 %
E 0 = W × C g × 0.511 V = ( 15 + 20 + 20 ) × 56.8 % × 0.511 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.01 = 51.5 g / L
3)乙醇得率(Y’)：为55.9％；
计算公式如下：
Y ′ = G × w G 0 × w 0 × Y = 111.6 × 56.8 % 200 × 37.0 % × 65.2 % = 55.9 %
4)乙醇生产能力(P)：为0.38g/L/h；
计算公式如下：
P = E T = 33.6 16 + 24 + 24 + 24 = 0.38 g / L / h
本方法中补料物料未经预糖化，得到的醪液中的乙醇浓度为33.6g/l，乙醇产率为65.2％，乙醇得率为55.9％，乙醇生产能力为0.38g/L/h。
对比例2木质纤维素补料不经预糖化的对比实验
1、实验材料：同实施例2。
2、乙醇生产方法
(1)预处理：同实施例2。
(2)预糖化：同实施例2。
(3)同步糖化发酵(SSF)：
预糖化液冷却至35℃后，加入10mL酵母种子液，酵母种子液中酵母数量为2×108个/mL，开始SSF反应；在反应过程中添加未预糖化的补料物料；
其中，未预糖化的补料物料是由下述方法制备的：
取22g打印纸(干重：22×(1-9.1％)＝20g)，加入85mL水和5.5mL20％(g/ml)硫酸溶液调节pH至4.8-5，然后用粉碎机于5000rpm条件下粉碎10min。若粉碎后pH高于5.0，再次用20％(g/ml)硫酸溶液调节pH至4.8-5.0；
添加纤维素酶2.1mL(15FPU/g固体×20g/140FPU/mL＝2.1),再加水5.4mL(100-85-5.5-(22-20)-2.1＝5.4)至总液体体积为100mL，混匀后用于补料。
补料时间：待准备的补料物料温度降至35℃后进行补料，总共补料2次。第一次补料时间为SSF启动后0h；第二次补料时间为第一次补料24小时后。
停止：第二次补料后24h，结束SSF。
3、实验结果
1)测定醪液中的乙醇浓度(E)：为41.8g/l。
2)乙醇产率(Y)：为70.6％；
计算公式如下：
Y = E E 0 × 100 % = 41.8 59.2 × 100 % = 70.6 %
E 0 = W × C g × 0.511 V = ( 15 + 20 + 20 ) × 65.3 % × 0.511 0.1 + 0.1 + 0.1 + 0.01 = 59.2 g / L
3)乙醇得率(Y’)等于乙醇产率：为70.6％；
4)乙醇生产能力(P)：为0.65g/L/h；
计算公式如下：
P = E T = 41.8 16 + 24 + 24 = 0.65 g / L / h
补料前无预糖化，本方法得到的醪液中的乙醇浓度为41.8g/l，乙醇产率为70.6％，乙醇生产能力为0.65g/L/h。
本方法中补料物料未经预糖化，得到的醪液中的乙醇浓度为41.8g/l，乙醇产率为70.6％，乙醇得率为70.6％，乙醇生产能力为0.65g/L/h。
将本发明方法中补料是否预糖化得到的乙醇评价指标，列表如下：
表1对比数据
注：二者相差值＝(本发明方法数值-补料不经预糖化的方法数值)/补料不经预糖化的方法数值
由表1可见，与补料不经预糖化的方法相比，本发明方法得到的发酵醪液中乙醇浓度、产率、得率和生产能力显著提高，可以大大降低了乙醇生产成本，取得了显著的技术效果。
综上，本发明提供的乙醇生产方法，提高了发酵液中的乙醇浓度，降低了乙醇蒸馏回收的能耗，同时提高了乙醇产率、得率和生产能力，乙醇生产成本低，具有良好的工业应用前景。

Claims (9)

1.一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
a、预处理：对木质纤维素原料进行稀酸预处理，得预处理原料；
b、预糖化：对步骤a得到的预处理原料进行糖化，得预糖化物料；
c、批次补料同步糖化发酵：
待步骤b得到的预糖化物料降温至35℃后，接种酵母，在pH值为4.8-5.0、150rpm、35℃条件下发酵，发酵过程中添加补料物料；最后一次补料24小时后，停止发酵，即可；
其中，补料物料由下述方法制备：
取步骤a得到的预处理原料，加纤维素酶，再加水，调pH至4.8-5.0，然后在150rpm、50℃条件下保持24小时，得补料物料；其中，预处理原料的固体浓度为20％(g/ml)，纤维素酶的加入量为15FPU/g固体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中，所述预处理的方法为：
1)取木质纤维素原料，按固体浓度10％(g/ml)和硫酸终浓度1％(g/ml)添加硫酸和水，然后于140-150℃保持10-20min；
2)分离得到固体残渣；
3)清洗；
其中，所述木质纤维素原料为玉米芯、玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆、甘蔗渣和/或芦苇。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中：所述预处理的方法为：
1)取木质纤维素原料，调节固体浓度为15％(g/ml)；
2)在5000rpm下粉碎，调节pH至4.8-5.0；
其中，所述木质纤维素原料为纸。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述预糖化的方法为：
取步骤a的预处理原料，加纤维素酶，再加水，调pH至4.8-5.0，然后在150rpm、50℃条件下，保持16-24小时，得预糖化物料；其中，预处理原料的固体浓度为15％(g/ml)，纤维素酶的加入量为15FPU/g固体。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述纤维素酶为CellicCTec2。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，所述固体浓度是通过加水调节的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中，接种酵母后的预糖化物料中，酵母数量为1-2×107个/mL。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中，所述补料的次数为2-3次；每次补料物料的添加量均与步骤b的预处理原料体积相同。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第1次补料时间为发酵后0-24小时；第2次补料时间为第1次补料后24小时。
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