CN106755131A - 一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法。该方法包括以下步骤：首先对废弃蔗髓进行氨水催化蒸汽***预处理，过滤收集固形物，然后进行同步糖化共发酵得到乙醇。本发明利用氨水催化蒸汽***预处理能有效脱除蔗髓的木质素，从而提高原料的酶解效率。同时，氨水催化蒸汽***预处理后的原料保留了大部分的半纤维素，这些半纤维素在酶解过程中转化为可发酵的单糖，从而提高了蔗髓原料的利用率。此外，本发明利用梯度升温、好厌氧交替的SSCF技术使酵母保持了较高的活性从而提高了乙醇的产率。

Description

一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法
技术领域
本发明涉及纤维素乙醇生产的预处理及发酵领域，尤其是涉及一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法。
背景技术
利用木质纤维原料转化燃料乙醇用来部分替代日趋枯竭的化石能源，可以缓解能源危机、环境污染等问题。目前来讲，纤维素乙醇生产工艺包括：原料的预处理、预处理原料的脱毒、酶水解纤维素糖化、乙醇发酵、乙醇精馏提纯等步骤。自然界中的植物在长期的进化过程中形成了由纤维素、半纤维素、木素以及少量的蛋白质等组成的极其复杂的超分子结构，对化学品和酶等具有天然的生物抵抗性。因此，这种生物抵抗性严重影响了生物转化过程中液体的浸润、生物酶的接触及催化活性，最终造成差的生物转化率。纤维素原料的预处理旨在有效分离和破坏纤维素、半纤维素和木素间致密的结合，脱除木素保留半纤维素，减少纤维素的结晶度，提高原料的孔隙率，从而提高原料的酶解效率。
目前，纤维素原料的预处理方法分为物理法、化学法、物理-化学法和生物法。对农业废弃物来说，蒸汽***预处理是目前最适合且最有工业化前景的预处理方式。蒸汽***预处理是纤维原料在高温(160-270℃)、高压(0.69-4.83Mpa)下蒸煮一段时间，高压蒸汽通过扩散作用进入木质纤维细胞壁内部，使纤维结构的牢固性减弱，并通过快速泻压以达到***的效果。此外，研究发现，蒸汽***与水、酸、或碱浸渍相结合可大大提高预处理过程中原料的利用率和蒸汽***的作用效果。
同步糖化发酵工艺是指木质纤维素糖化和发酵过程同时进行，纤维素原料在纤维素酶的作用下生成葡萄糖的同时，立即被发酵微生物直接转化为乙醇。这种工艺减少了纤维素酶解过程中的产品抑制，从而提高了纤维素酶的效率。因此，SSF与SHF相比，具有更高的乙醇产量。但是，该工艺的缺点在于纤维素酶、木聚糖酶和酵母菌不能同时在各自适宜的温度和pH下工作，酵母菌与部分未糖化生物质混合在一起，削弱了酵母菌的活性。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：首先对废弃蔗髓进行氨水催化蒸汽***预处理，过滤收集固形物，然后进行同步糖化共发酵得到乙醇。本发明利用氨水催化蒸汽***预处理是为了有效脱除蔗髓的木质素，从而提高原料的酶解效率。同时，氨水催化蒸汽***预处理后的原料保留了大部分的半纤维素，这些半纤维素在酶解过程中转化为可发酵的单糖，从而提高了蔗髓原料的利用率。此外，本发明利用梯度升温、好厌氧交替的SSCF技术使酵母保持了较高的活性从而提高了乙醇的产率。
一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：
(1)备料：将工厂废弃的湿蔗髓置于通风处风干，直到干度达到90％以上；
(2)预浸渍：将步骤(1)所得蔗髓和氨水加入带搅拌的密闭广口瓶中预浸渍，得预浸渍液；
(3)蒸汽***预处理：将预浸渍液加入移动式蒸汽***装置中进行蒸汽***预处理；
(4)分离：利用洗浆袋对蒸汽***预处理后的固体和液体产物进行分离；
(5)脱气：将分离所得的固形物置于带有风机的通风橱内吹扫，脱除固形物中的氨水残留；
(6)风干：将步骤(5)所得固形物置于露天通风处风干，直到固形物干度达到90％以上；
(7)同步糖化共发酵：将风干后的固形物、缓冲溶液、发酵营养液、纤维素酶、纤维素二糖酶、木聚糖酶和酵母提取物加入发酵罐中混合，得混合液；再在30-50℃下进行同步糖化共发酵，得乙醇。
优选的，步骤(1)所述工业废弃蔗髓来自广西某浆纸厂。
优选的，步骤(2)所述预浸渍的条件为：料液比为1:3-1:5，氨水的浓度为30wt％，温度为常温，时间为6-12h，搅拌转速为150-250r/min。
优选的，步骤(3)所述蒸汽***预处理的条件为：料液比为1:3-1:5，反应温度为140-170℃，承载压力为0.4-0.8Mpa,反应时间为5-20min。
优选的，步骤(4)所述洗浆袋的规格为80-120网目。
优选的，步骤(5)所述吹扫的时间为30-60min。
优选的，步骤(7)所述同步糖化共发酵的条件为：固含量为6-12％，pH为4.5-5.5，转速为150-250rpm，发酵时间为72-108h，所述纤维素酶的用量为20-40FPU/g，纤维素二糖酶的用量为40-80CBU/g，木聚糖酶的用量为10-20U/g(“FPU/g”、“CBU/g”、“U/g”中的g是指用于同步糖化共发酵的蔗髓的质量)。
优选的，步骤(7)所述发酵营养液为(NH4)2SO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2和水的混合物；所述(NH4)2SO4、KH2PO4、MgSO4、CaCl2和酵母提取物在混合液中的浓度为0.5-1.5g/L(“g/L”中的L是指同步糖化共发酵液的总体积，下同)、2-3g/L、0.3-0.5g/L、0.05-0.15g/L和2-5g/L。
优选的，步骤(7)所述同步糖化共发酵采用梯度升温程序，具体操作为：首先45-55℃保持24-36h，然后降到37-40℃保持24-36h，最后降至28-30℃保持48-72h。所述同步糖化共发酵采用交替通气处理，具体操作为：0-24h不通气，24h后通氮气5-10min，48h后通氧气5-10min。
优选的，步骤(7)所述缓冲溶液为50mmol/L的柠檬酸缓冲液；所述纤维素酶为Celluclast1.5L；所述纤维二糖酶为Novozyme 188。
优选的，步骤(7)所述酵母提取物为己糖发酵酵母菌和戊糖发酵酵母菌。
进一步优选的，所述己糖发酵酵母菌为酿酒酵母(CICC1416)，采用厌氧发酵；所述戊糖发酵酵母菌为休哈塔假丝酵母(GIM2.175)，采用好氧发酵。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
1、本发明利用氨水催化蒸汽***预处理是为了有效脱除蔗髓的木质素，从而提高原料的酶解效率。同时，氨水催化蒸汽***预处理后的原料保留了大部分的半纤维素，这些半纤维素在酶解过程中转化为可发酵的单糖，从而提高了蔗髓原料的利用率。
2、本发明利用梯度升温、好厌氧交替的SSCF技术使酵母保持了较高的活性从而提高了乙醇的产率。
附图说明
图1是预处理前后蔗髓的XRD谱图分析。
图2a、图2b、图2c、图2d分别是预处理前后蔗髓的FE-SEM图像。
图3是预处理前后蔗髓的酶水解曲线图。
图4是预处理前后蔗髓的同步糖化共发酵曲线图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施例进一步说明本发明的一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法。
实施例1
(1)备料：将工厂废弃的10kg湿蔗髓置于通风处风干，直到干度达到90％以上，本实施例所用工厂废弃的湿蔗髓来自广西某浆纸厂，其成分组成如表1所示。
表1
(2)预浸渍：将步骤(1)所得蔗髓(300g绝干)和浓度为30wt％的氨水加入带搅拌的密闭广口瓶中预浸渍，得预浸渍液；
(3)蒸汽***预处理：将预浸渍液加入移动式蒸汽***装置(BL-08型)中进行蒸汽***预处理；
(4)分离：利用120网目的洗浆袋对蒸汽***预处理后的固体和液体产物进行分离；
(5)脱气：将分离所得的固形物置于带有风机的通风橱内吹扫30min，脱除固形物中的氨水残留；
(6)风干：将步骤(5)所得固形物置于露天通风处风干，直到固形物干度达到90％以上；
本实施例利用氨浸渍结合蒸汽***技术对蔗髓原料进行预处理，其预处理条件如表2所示。
表2
本实施例采用美国能源部NREL法对预处理前后蔗髓原料的组分进行分析。利用离子色谱(Dionex ICS-5000)对上述所得水解液的糖组分进行分析。IC检测条件为：检测器：Dionex IonPacTM AG11-HC，色谱柱：Dionex CarboPac PA20，流动相：2mmol/L NaOH,流速：0.5mL/min，洗脱液：200mmol/L NaOH和1mol/L NaAC。预处理后蔗髓的化学成分分析结果如表3所示。
表3
由表3可知，与原料相比预处理后的蔗髓#1、#2和#3木素含量降低，半纤维素含量基本不变，这说明氨水催化蒸汽***预处理能在保留大部分半纤维素的同时有效的脱除木素。这主要是因为氨水在蒸汽***过程中对木素的脱除和对半纤维素的保护作用。木素的脱除使更多的纤维素和半纤维素暴露出来，增大了水解酶的可及度，从而提高了原料的酶解效率。此外，半纤维素的保留使更多的半纤维素参与到戊糖发酵过程中，从而大大提高了原料的利用率。
本实施例利用X-射线衍射仪(D8ADVANCE，德国Bruker公司)对预处理前后蔗髓的结晶结构进行分析。XRD测试条件为：Cu靶，管压40KV，电流40mA，扫描速度35.4秒/步，步长0.04度，扫描范围5-60度。所得XRD图谱如图1所示。由图可知，预处理后的蔗髓101和面的衍射峰交融在一起，且040面的衍射峰变强。此外，预处理后蔗髓#1、#2和#3的结晶度都略微提高了，纤维原料的结晶度由43％降至48.4％。这说明经过氨水催化蒸汽***预处理后，蔗髓的纤维素的非结晶区遭到破坏，使得纤维原料的结晶度略有提高。
本实施例利用MERLIN场发射扫描电镜(FE-SEM)对预处理前后蔗髓的外观形貌进行分析。其扫描电镜图片如图2a、图2b、图2c、图2d所示。由图可知，蔗髓表面布满了大大小小的气孔，且多数气孔中充满了木素。而在氨水浸渍和蒸汽***的协同作用下蔗髓表面出现了大量的裂痕和孔洞。此外，由于氨水的脱木素作用使得蔗髓表面大部分的气孔被打开。
本实施例利用纤维素酶(Celluclast 1.5L)、纤维二糖酶(Novozyme 188)和木聚糖酶对预处理前后的蔗髓进行酶解。酶水解条件为：固含：2％，pH：4.8，纤维素酶用量：30FPU/g(“FPU/g”、“CBU/g”、“U/g”中的g是指用于酶解的蔗髓的质量)，纤维二糖酶用量：60CBU/g，木聚糖酶用量：15U/g，，转速：250rpm，反应温度：50℃，反应时间：48h。
图3为预处理前后蔗髓的酶解曲线。图3中，实线为葡聚糖的酶解曲线，虚线为木聚糖的酶解曲线。由图可知，与原料相比预处理后的蔗髓#1、#2和#3葡聚糖和木聚糖的转化率显著提高。具体来说，葡聚糖和木聚糖的转化率分别由原来的25.2％和9.8％提高到85.8％和83.3％。并且，蒸汽***预处理条件最剧烈的样品#3都具有最高的纤维素和半纤维素的转化率。由此可知，本发明实施例所用的预处理技术对蔗髓具有非常好的效果。
(7)同步糖化共发酵：将风干后的固形物、缓冲溶液、营养液、纤维素酶、纤维素二糖酶、木聚糖酶和酵母提取物加入发酵罐中进行同步糖化共发酵，得乙醇；所述酵母提取物为己糖发酵酵母菌为酿酒酵母CICC1416与休哈塔假丝酵母GIM2.175(质量比1:1)。
本实施例利用同步糖化共发酵技术对预处理前后的蔗髓进行发酵。同步糖化共发酵的条件为：固含量：8％，pH：4.8，营养液：1g/L(NH4)2SO4(“g/L”中的L是指同步糖化共发酵液的总体积，下同)，2.5g/L KH2PO4，0.4g/L MgSO4，和0.1g/L CaCl2，纤维素酶用量：30FPU/g(“FPU/g”、“CBU/g”、“U/g”中的g是指用于同步糖化共发酵的蔗髓的质量)，纤维素二糖酶用量：60CBU/g，木聚糖酶用量：15U/g，酵母提取物：2g/L，转速：150rpm，发酵温度：30-50℃，发酵时间：108h。本发明实施例中所用的己糖发酵酵母菌为酿酒酵母(CICC1416)，戊糖发酵酵母菌为休哈塔假丝酵母(GIM2.175)。同步糖化共发酵采用梯度升温程序，具体操作为：首先50℃保持24h，然后降到40℃保持24h，最后降至30℃保持60h；所述同步糖化共发酵采用交替通气处理，具体操作为：0-24h不通气，24h后通氮气5min，48h后通氧气5min。
图4为预处理前后蔗髓的发酵曲线图。图4中，实线代表样品#3的发酵曲线，虚线代表未处理蔗髓的发酵曲线。由图可知，加入酿酒酵母后(24h)，两组样品的葡萄糖急剧下降，乙醇的含量逐渐提高。而木糖的含量趋于稳定是因为本实施例所用的酿酒酵母不能转化木糖。这些木糖在加入休哈塔假丝酵母(48h)后被逐渐消耗。由物料平衡计算可得，氨水催化蒸汽***预处理后蔗髓的乙醇产量由原来的64.6kg/t提高到223kg/t。
以上为本发明的理想实施例，本领域技术人员完全可以不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多种修改及优化。而这些所有的修改和优化都包括在如本发明权利要求所限定的范围之内，并不脱离本发明所包含的精神实质和所要求的实用型范围。

Claims (10)

1.一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）备料：将工厂废弃的湿蔗髓置于通风处风干，直到干度达到90%以上；
（2）预浸渍：将步骤（1）所得蔗髓和氨水加入带搅拌的密闭广口瓶中预浸渍，得预浸渍液；
（3）蒸汽***预处理：将预浸渍液加入移动式蒸汽***装置中进行蒸汽***预处理；
（4）分离：利用洗浆袋对蒸汽***预处理后的固体和液体产物进行分离；
（5）脱气：将分离所得的固形物置于带有风机的通风橱内吹扫，脱除固形物中的氨水残留；
（6）风干：将步骤（5）所得固形物置于露天通风处风干，直到固形物干度达到90%以上；
（7）同步糖化共发酵：将风干后的固形物、缓冲溶液、发酵营养液、纤维素酶、纤维素二糖酶、木聚糖酶和酵母提取物加入发酵罐中混合，得混合液；再在30-50℃下进行同步糖化共发酵，得乙醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述预浸渍的条件为：料液比为1:3-1:5，氨水的浓度为30wt%，温度为常温，时间为6-12 h，搅拌转速为100-250 r/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述蒸汽***预处理的条件为：料液比为1:3-1:5，反应温度为140-170℃，承载压力为0.4-0.8 Mpa, 反应时间为5-20 min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述同步糖化共发酵的条件为：固含量为6-12%，pH为4.5-5.5，转速为150-250 rpm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述纤维素酶的用量为20-40FPU/g，纤维素二糖酶的用量为40-80 CBU/g，木聚糖酶的用量为10-20 U/g。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述同步糖化共发酵采用梯度升温程序，具体操作为：首先45-55℃保持24-36 h，然后降到37-40℃保持24-36 h，最后降至28-30℃保持 48-72 h。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述同步糖化共发酵采用交替通气处理，具体操作为：0-24 h不通气，24 h后通氮气5-10 min，48 h 后通氧气5-10 min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述缓冲溶液为50 mmol/L的柠檬酸缓冲液；所述纤维素酶为Celluclast 1.5 L；所述纤维二糖酶为Novozyme 188。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述发酵营养液为(NH4)2SO4、KH2PO4、 MgSO4、 CaCl2和水的混合物；所述(NH4)2SO4、 KH2PO4、 MgSO4、 CaCl2和酵母提取物在混合液中的浓度为0.5-1.5g/L、2-3g/L、0.3-0.5g/L、0.05-0.15g/L和2-5 g/L。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）所述酵母提取物为己糖发酵酵母菌和戊糖发酵酵母菌；所述己糖发酵酵母菌为酿酒酵母CICC1416，采用厌氧发酵；所述戊糖发酵酵母菌为休哈塔假丝酵母GIM2.175，采用好氧发酵。
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