一种木质纤维素连续酶解发酵产乙醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物质能源领域，具体涉及一种木质纤维素连续酶解发酵产乙醇的方法。
【背景技术】
[0002]随着世界人口增长和各国工业化程度提高，能源消耗持续上升。石油是满足能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，科学家预测到2050年原油产量将由2009年的258亿桶(35.25亿吨)下降到50亿桶。生物能源作为一种可再生的交通运输燃料，能够有效的降低室温效应，减缓环境污染，同时改变现有不平等的石油供求关系，保持持续供应，比矿质燃料具有明显优势。与生物柴油等其它生物能源相比，燃料乙醇的生产已经具有了相当规模(2002年全球大约1700万吨)，主要以含糖物质为原料通过发酵法生产。在汽油中掺入10%的无水乙醇(ElO)不仅可以缓解能源压力，还能提高辛烷值，改善尾气排放质量。在美国和巴西，燃料乙醇作为石油替代品已经广泛用作交通燃料。
[0003]我国政府十分重视能源多元化和环境污染问题，采取财政补贴和税收减免等鼓励措施，大力推进多元化替代石油能源的技术和产业开发。《可再生能源法》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的出台，极大地推进了生物柴油和燃料乙醇等生物液体燃料的开发进程。我国规划到2020年，生物燃料消费量占到全部交通燃料的15%左右，建立起具有国际竞争力的生物燃料产业，这给我国燃料乙醇产业带来了良好的发展机遇。目前我国乙醇汽油已经覆盖全国9个省市，现有燃料乙醇产能152万吨，2010年实际生产燃料乙醇180万吨以上，以玉米和小麦为主要原料。我国人多地少，耕地资源紧缺，粮食供应紧张，以玉米、小麦为原料生产燃料乙醇将威胁到国家的粮食安全，导致农产品价格上涨等连锁反应，所以我国严格控制以粮食为原料的燃料乙醇新建和扩能项目。
[0004]相对于糖类和淀粉作物而言，木质纤维素属于非粮原料，而且资源丰富。它可以来源于农业废弃物，如麦草、玉米秸杆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；林业废弃物；城市废弃物，如废纸、包装纸等。据估计木质纤维素原料占世界生物量100亿-500亿吨的50%，我国就农作物秸杆每年产量即可达7亿吨，大量被废弃而未加利用的纤维物(小枝、树皮、树叶、屑和废纸等)约有五亿吨/每年，只用其中的I亿吨也要年产2000万吨的燃料乙醇。由此可见，开发木质纤维素生产乙醇的新工艺具有很好的前景。
[0005]纤维素酶水解过程中纤维素酶的成本、乙醇蒸馏过程的能耗，以及酶解工艺的连续性一直是纤维乙醇工业化的制约因素。CN200810189465.0公开了一种纤维素乙醇的生产方法，其中包括如下步骤:(I)将含有纤维素和/或半纤维素原料的培养基加入到发酵反应釜中；(2)向发酵反应釜中加入纤维素酶，并接种葡萄牙假丝酵母；(3)在纤维素酶和葡萄牙假丝酵母的共同作用下进行同步糖化发酵，分离得到纤维素乙醇。CN200810101314.5公开了一种含纤维素的原料制备乙醇的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料；将得到的蒸汽爆破的产物与酶混合、酶解；发酵酶解得到的产物。为了降低纤维素酶成本，对酶解发酵液中的纤维素酶进行回收再利用是较好的方法。CN200910212693公开了一种木质纤维原料酶水解的方法，用经过预处理的木质纤维作原料，采用分段进行酶解和超滤回用纤维素酶和β_葡萄糖苷酶。但是，利用超滤膜回收纤维素酶成本高，操作过程繁琐。
[0006]间隙酶解工艺能够用于生产，但其酶解效率低下，只能进行低干物浓度水解，水解糖浓度偏低，造成最终乙醇浓度低，影响后续蒸馏能耗，而且还有设备利用率低、占地面积大、总电机搅拌功率大等弊端。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提供了一种木质纤维素连续酶解发酵产乙醇的方法。本发明方法可以实现连续化生产，提高了酶的活性和利用率，提高了发酵产物得率，在保证酶得以回用的同时，降低了酶解和发酵成本。
[0008]本发明木质纤维素连续酶解发酵产乙醇的方法，包括如下内容:
(1)对木质纤维素原料进行预处理，获得预处理原料；
(2)将预处理原料、纤维素酶和水连续加入到酶解罐中进行预酶解，控制酶解体系干物质浓度为18wt%_36wt% ；
(3)预酶解后料液连续进入到发酵罐中，加入耐温酿酒酵母进行同步糖化发酵；
(4)发酵后的醪液在管道混合器中与非离子表面活性剂充分混合，然后进入沉降罐；
(5)经过沉降罐沉降后的下部浓缩混合液进入产品分离单元，上清液循环回酶解罐中重新参与酶解反应。
[0009]本发明方法中，进一步地步骤(3)所述同步糖化发酵后的醪液首先进行细胞破碎处理，如可以采用高速搅拌珠研磨破碎法、高压匀浆破碎法、超波声破碎法和酶溶破碎法等，优选采用酶溶破碎法:如可以采用蜗牛酶和/或溶菌酶，蜗牛酶和/或溶菌酶以连续流加的方式加入，控制蜗牛酶的加入量为l_2mg/g干物质，溶菌酶的加入量为0.2-1.0mg/g干物质。经过细胞破碎处理的料液在管道混合器中与非离子表面活性剂混合，然后进入沉降
几降。
[0010]本发明步骤(I)中的木质纤维素原料包括一切含纤维素的生物质原料，如秸杆、木屑、能源植物(如柳枝稷)和废纸等，优选为玉米秸杆。所述预处理方式可以采用一切可提高木质纤维素酶解性能的物理、化学和热化学技术，包括机械粉碎、辐射、微波、酸处理、碱处理、蒸汽爆破预处理和溶剂预处理，或上述方法的组合预处理等，优选采用稀酸蒸汽爆破组合预处理。
[0011 ] 步骤(2 )中，控制酶解料液的停留时间为8_96h，优选8_24h。根据酶解罐有效体积的大小，控制预处理原料和水的加入速率，使酶解体系的干物质浓度(可溶性固体和不可溶性固体质量之和与体系总质量的百分比，下同)为20wt%_30wt%。所述的纤维素酶采用一切可水解木质纤维素组分的酶蛋白或酶蛋白混合物，可在工厂在线生产纤维素酶，也可采用市售商品纤维素酶，如诺维信酶或者泽生酶。控制纤维素酶的加入量使得纤维素酶与预处理原料中纤维素的比例为5-25IU/g纤维素。控制预酶解的pH为4.5-5.5，优选为4.8-5.2 ；温度为45-55°C，优选为48-52°C。
[0012]步骤(3)中的同步糖化发酵是指预酶解后残余纤维素在发酵葡萄糖产乙醇或其它产物的同时继续被水解的过程。所述的耐温酿酒酵母采用目前已知的可利用木质纤维素原料发酵产乙醇或其它产物的菌株，优选使用可耐受36-42°C的耐温酿酒酵母，更优选使用CN200910204295.3 中所述的耐温酿酒酵母菌 iSaccharomyces cerevisiae )FE_B,该菌株的保藏号为CGMCC N0.2735。采用本领域常规的培养方式制备发酵菌种子液，种子液的接种量为lv%-5v%。本发明中，酶解后不需要调节pH，直接进行同步糖化发酵，控制发酵温度为35-42°C，发酵停留时间为12-72h。同步糖化发酵体系中加入的氮源可选自酵母膏、蛋白胨、玉米浆、硫酸铵或尿素等中的一种或几种，优选尿素，加入量为体系总质量的0.02 wt%-0.2wt%。
[0013]步骤(4)所述的非离子表面活性剂为Tween20、Tween80、PEG和SDS等中的一种或几种，优选为TWeen80或PEG，控制非离子表面活性剂的加入量为2_20mg/g干物质。将发酵醪液首先与非离子表面活性剂在管道混合器中按比例混合，然后进入沉降罐沉降，由于木质素与非离子表面活性剂的结合有助于发酵醪液中吸附在固体表面的纤维素酶脱附到液体中，增加纤维素酶在液相中的含量，并且随着上清液循环回到酶解罐中重新参与酶解反应，从而提高纤维素酶回用量。
[0014]在纤维乙醇发酵醪液中，纤维素酶同时存在于固液两相中，无论后续采用何种方式对产品进行分离提纯，都会造成纤维素酶一定程度上的流失和失活。为了实现酶的部分回用，发酵醪液通常采用以下3种方式循环:①发酵液直接部分循环回用发酵液经过固液分离后，液相循环回用；③发酵液经过固液分离后，固相循环回用。但是，发酵醪液中的固体残渣颗粒在几十个微米以下，大部分仅几个微米，固液分离非常困难，一般采用板框过滤加离心结合，但是能耗较大；如果直接进行自然沉降，处理周期较长，效果不佳，酶不能有效回用。本发明将发酵醪液与非离子表面活性剂混合，然后进入沉降罐沉降，控制沉降罐的温度为35-55°C，停留时间为0-72 h。