一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺的制作方法

一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺，其中，该工艺包括：将含纤维素原料与酶混合进行液化，液化的条件使得到的液化产物中可溶性寡糖以最终降解为单糖的含量计为10-150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度为200-500cp，液化产物的平均粒径为20-100μm；将液化产物与酶和酵母混合，进行同步糖化发酵。本发明的上述技术方案实现了含纤维素原料的高效的同步糖化发酵工艺，即实现了含纤维素原料的酶解与液体深层发酵的同步进行，从而有效缩短了酶解周期以及发酵周期，进而提高了酶解效率与纤维素转化为乙醇的效率并保证了较高的乙醇产率。
【专利说明】
一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺
技术领域
[0001] 本发明涉及一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
【背景技术】
[0002] 同步糖化发酵工艺是指将酶水解和乙醇发酵结合起来，在同一发酵罐中进行，而 且因发酵罐内的纤维素水解速度远低于葡萄糖消耗速度，因此，为将糖转化成乙醇创造了 有利条件。此外，同步糖化发酵工艺的优点还包括发酵时间短、减少了外部微生物污染等。 [0003] 但是，在现有技术的同步糖化发酵工艺中，存在纤维素酶解温度条件与发酵温度 条件不匹配、酶解时间长且适于乙醇液体深层发酵的酵母/微生物无法进行高效的代谢活 动的问题，从而导致酶解效率和纤维素转化为乙醇的效率不高。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是克服现有技术的同步糖化发酵工艺存在纤维素酶解温度条件与 发酵温度条件不匹配、酶解时间长且适于乙醇液体深层发酵的酵母/微生物不能实现其正 常、高效代谢活动而导致酶解效率和纤维素转化为乙醇的效率不高的缺陷，而提供一种实 现了含纤维素原料的酶解与液体深层发酵同步进行的、提高了酶解效率以及纤维素转化为 乙醇的效率并保证了较高的乙醇产率的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
[0005] 本发明的发明人发现，在采用批次式操作或者连续式操作的方式将含纤维素原料 与酶和酵母/微生物接触以后，由于含纤维原料干料或者高粘性物料的黏度较高，其转运 过程与酶解效率都受到极大影响，因而无法进行酵母/微生物的液体深层发酵，从而导致 酶解效率和纤维素转化为乙醇的效率不高。因为黏度偏高，酶与物料难以均匀混合，酵母也 无法与底物充分接触，导致酶解与发酵效率都很低。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺，其中， 该工艺包括：
[0007] 将含纤维素原料与酶混合进行液化，液化的条件使得到的液化产物中可溶性寡糖 以最终降解为单糖的含量计为10_150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度为 200-500cp，液化产物的平均粒径为20-100 μπι ;
[0008] 将液化产物与酶和酵母混合，进行同步糖化发酵。
[0009] 本发明提供的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺，包括将含纤维素原料进行液化 以及将液化产物进行同步糖化发酵的步骤。先将含纤维素原料与酶混合、液化，优选在本发 明所述的主酶解装置中进行多阶段的液化，有效地降低物料粘度，然后将液化产物与酶和 酵母接触，进行同步糖化发酵，该工艺方法有利于酵母/微生物的液体深层发酵而提高单 糖转化为乙醇的效率以及保证较高的乙醇产率，同时解决了降粘段与同步糖化发酵温度不 匹配的问题。
[0010] 相对于现有技术的发酵工艺以及同步糖化发酵工艺来说，本发明的上述技术方 案，首先实现了含纤维素原料高效的同步糖化发酵工艺，即实现了含纤维素原料的酶解与 液体深层发酵的同步进行，从而有效缩短了酶解周期以及发酵周期，进而提高了酶解效率 与发酵效率，提高了纤维素转化为乙醇的效率并保证了较高的乙醇产率。同时，由于同步糖 化发酵工艺的实现，有效提高了底物的浓度，可以再进一步降低生产成本和能耗。
[0011] 按照本发明的一个优选的实施方式，在本发明所述的主酶解装置中进行连续的多 阶段液化过程能够进一步利于物料粘度的有效降低，为后续的同步糖化发酵阶段酵母/微 生物的深层液体发酵创造良好的条件，因此，对连续液化出料并进行同步糖化发酵含纤维 素原料生产乙醇工艺的实现具有重要意义。
[0012] 本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0013] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0014] 图1是本发明提供的主酶解装置2的结构示意图。
[0015] 附图标记说明
[0016] 2主酶解装置 21罐体 22搅拌轴
[0017] 23隔板 24涡轮式搅拌器
[0018] 25旋桨式搅拌器 26含纤维素原料入口 27酶入口
[0019] 28物料出口 29补充酶入口。
【具体实施方式】
[0020] 以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体 实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0021] 在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如"上"、"下"通常是指附图 中所示的罐体21的高度方向的上和下；"内"、"外"是指主酶解装置罐体21或者间歇酶解 装置的酶罐体的内部和外部；"轴向"指搅拌轴22的方向，"径向"指罐体的直径方向，即垂 直于搅拌轴22的方向。
[0022] 按照本发明，所述含纤维素原料的同步糖化发酵工艺包括：
[0023] 将含纤维素原料与酶混合进行液化，液化的条件使得到的液化产物中可溶性寡糖 以最终降解为单糖的含量计为10_150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度为 200-500cp，液化产物的平均粒径为20-100 μπι ;
[0024] 将液化产物与酶和酵母混合，进行同步糖化发酵。
[0025] 按照本发明的一个优选的实施方式，如图1所示，所述液化在主酶解装置2中进 行，该主酶解装置2包括罐体21、包覆在罐体21外周的设置有入口和出口的夹套（图中未 示出）和设置在所述罐体21内的搅拌轴22以及隔板23,所述隔板23沿着罐体21高度方 向上将罐体21分隔成多个液化空间，且隔板23上具有能够使被隔板23分隔的相邻两个液 化空间相连通的通孔，在被隔板23分隔的每个液化空间中的搅拌轴22部分的长度方向上 均设置有搅拌器，所述酶解装置2还包括与罐体21相通的含纤维素原料入口 26、酶入口 27 和物料出口 28。
[0026] 按照本发明，优选情况下，所述液化的方法包括：将含纤维素原料间歇或连续地， 优选连续地引入罐体21中，以及将酶间歇或连续地，优选连续地引入罐体21中之前、同时 或之后启动搅拌轴22,使搅拌轴22带动搅拌器转动，在搅拌下，使得含纤维素原料与酶的 混合物沿罐体1的高度方向从上到下依次从被隔板23分隔的每个液化空间经过，经过多阶 段的液化之后，将液化产物从罐体21中排出，使得经过该液化阶段得到的液化产物中可溶 性寡糖以最终降解为单糖含量计为10_150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度 为200-500cp，液化产物的平均粒径为20-100 μπι。
[0027] 在本发明所述的主酶解装置2中进行的多阶段的液化过程能够进一步利于物料 粘度的有效降低，为后续的同步糖化发酵阶段酵母/微生物的深层液体发酵创造良好的条 件。
[0028] 按照本发明，优选情况下，所述含纤维素原料为蒸汽爆破的含纤维素原料，所述含 纤维素原料的干物质含量为15-50重量％，液化体系以及同步糖化发酵体系中的水分在反 应混合物中的含量保持在50-85重量％。即，在所述主酶解装置2中的液化能够更好地实 现在不额外加水的情况下，优选为连续进行的液化的顺利完成，从而进一步保证酶的利用 效率，并提高产糖效率。
[0029] 其中，不额外加水的描述应理解为，含纤维素原料的液化可以直接在将含纤维素 原料与酶混合后进行液化过程，保证了含纤维素原料至少在排除另外添加混入水分的情 形，如直接添加水、含水的溶液或含水的混合物等。不额外加水是为了尽可能的维持含纤维 素原料的干固浓度为15-50重量％，即，液化体系以及同步糖化发酵体系中的水分在反应 混合物中的含量保持在50-85重量％，从而维持液化结束时较高的糖浓度。此外，不引入含 水的混合物，如干物质浓度相同但可溶性糖含量较高低粘度酶解液，是为了保证酶不会被 溶剂稀释而影响总体酶解的效率，从而利于优化酶解周期。
[0030] 按照本发明，所述可溶性寡糖包括可溶性木寡糖和可溶性葡寡糖，可溶性木寡糖 以最终降解为木糖含量计可以为l〇_5〇g/L，可溶性葡寡糖以最终降解为葡萄糖含量计可 以为25-100g/L ;所述单糖包括葡萄糖、木糖以及阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖，具体来说，其 中，葡萄糖含量可以为5-60g/L、木糖含量可以为10-60g/L，阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的 总含量可以为l-l〇g/L。
[0031] 按照本发明，所述主酶解装置2的所述隔板23的数量可以根据生产能力以及液化 效果而定，例如，所述隔板的数量可以为2-5个，即将罐体21分隔成3-6个相互连通的液化 空间。且被隔板23分隔的相邻两个液化空间的容积比为0. 5-2. 5,优选，相邻两个液化空间 的容积比为1. 3-1. 8,以进一步保证物料在每个空间中的停留时间而达到充分液化的目的。 其中，所述隔板23的形状可以为各种适合的形状，只要能够满足沿着罐体21高度方向上将 罐体21分隔成多个液化空间，并具有能够使被隔板23分隔的相邻两个空间相连通的通孔 可以实现将物料卸下即可，通常可以为平板。优选情况下，如图1所示，所述隔板23为倒置 的锥板，更优选，该锥板的锥角α为大于或等于60°至小于180°，优选为60-150°。其 中，所述锥板的设置在于增强物料、酶与酶解装置间的相互作用。
[0032] 优选情况下，为了便于安装，每个隔板23的中心部分均设置有通孔，使得搅拌轴 22可以穿过通孔，沿着罐体21的轴向方向延伸至罐体21的底部，且隔板23中心的通孔的 孔径大于搅拌轴22的外直径，以保证搅拌轴22的顺利转动。隔板23上的用于卸料的通孔 的分布没有特别限制，只要能够使物料在空间中有一定的停留时间并能够保证将物料卸下 到下一层空间中即可，但是，按照本发明的一个优选的实施方式，为了保证当含纤维素原料 与酶的混合物的充分液化，优选，同一隔板上分布的通孔大小相同，且沿着罐体21的高度 方向由上向下分布的隔板23上的通孔孔径依次减小，且通孔以均匀分布的形式分布在整 个隔板上。优选，隔板23上的通孔的孔隙率为10-90 %，进一步优选为10-50%，孔直径大 小0. 1-10毫米，优选为0. 1-2毫米。其中，所述通孔的形状可以为规则多边形，如正方形、 长方形、菱形、梯形；不规则多边形、圆形、椭圆形等，可以是其中一种形状也可以是多种形 状的组合，优选为圆形。
[0033] 此外，隔板23的安装方法可以采用现有技术公知的方法，例如，通过焊接的方法 将隔板23的外周壁固定在所述罐体21内壁上。
[0034] 进一步优选，为了便于实现优选连续进行的液化过程，所述含纤维素原料入口 26 和酶入口 27设置在罐体21的顶部，所述物料出口 28设置在罐体21的底部。
[0035] 按照本发明，为了使得含纤维原料在被隔板23分隔的每个液化空间中均能够充 分与酶混合，在被隔板23分隔的每个液化空间中的搅拌轴22部分的长度方向上均设置有 搅拌器，优选情况下，设置在搅拌轴22下端的搅拌器为涡轮式搅拌器24,如斜叶圆盘涡轮 式搅拌桨、后弯叶圆盘涡轮搅拌桨、六直叶开启涡轮搅拌桨或四斜叶开启涡轮式搅拌桨中 的一种。设置在该涡轮式搅拌器上方的其它搅拌器为旋桨式搅拌器25,如锚式搅拌桨、锚框 式搅拌桨或螺杆螺带桨。采用上述优选实施方式，可以实现针对不同粘度的物料来提供更 佳的搅拌效果，以进一步提高液化效果和液化效率。
[0036] 优选情况下，所述主酶解装置2还包括设置在罐体21的侧部、分别与被隔板23分 隔的每个液化空间相连通的补充酶入口 29。优选情况下，含纤维素原料从含纤维素原料入 口 26被连续引入罐体21中，进一步优选，液化阶段酶用量的20-90 %的酶从酶入口 27被 连续引入罐体21中，液化阶段酶用量的10-80%的酶从补充酶入口 29被连续引入罐体21 中，液化产物从物料出口 28被连续从罐体21中排出。
[0037] 优选情况下，所述罐体21的高径比为0.5-4 : 1。
[0038] 按照本发明，由于在液化阶段是在不额外加入水的条件下进行的，为了使在液化 体系中的水分在反应混合物中的含量保持在50-85重量％的情况下，更好地控制物料的粘 度以及保证液化产物中的糖含量，优选将酶分阶段连续与所述含纤维素原料混合。即，将酶 从酶入口 27和补充酶入口 29连续引入罐体21中，即，向各层的液化空间中分别连续加入 酶，流加进入的酶在经过补充酶入口 29时，更容易以液体形式流入下层空间，因此，在进行 补充流加酶之前，低粘度液体中酶浓度相对于高粘度物料中酶浓度较高，因此，优选通过在 不同液化空间中均设置补充酶入口 29,补充酶以维持高粘度物料的高酶浓度，以增加各阶 段酶的浓度，从而增强液化效果，增加糖浓度，并使得含纤维素原料在所述主酶解装置2中 从上到下的各层液化空间中依次经历的过程中，使得液化产物的粘度和平均颗粒直径逐渐 降低或者减小，最终达到使得经过该液化阶段得到的液化产物中可溶性寡糖以最终降解为 单糖含量计为10_150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度为200-500cp，液化产 物的平均粒径为20-100 μm的目的。
[0039] 按照本发明，将含纤维素原料从罐体21顶部的含纤维素原料入口 26、酶从酶入 口 27被引入罐体21的顶层，设置于第一层液化空间中的搅拌器带动粘性物料翻滚运动， 同时物料与搅拌器、罐体内壁以及隔板相互挤压、揉捻，在酶的作用下，产物粒度降低、粘度 降低，当物料颗粒大小低于隔板的通孔大小时，由于重力的作用物料被挤压进入第二层液 化空间中，在该空间中进行同样的运动，使得物料粘度和粒度进一步降低，并连续进入后续 的液化空间中持续液化，最终实现液化产物平均颗粒以及粘度的降低，单糖、寡糖浓度的上 升，并实现连续液化出料。
[0040] 按照本发明，所述液化条件包括：液化pH值为4-6,液化温度为30-55Γ，优选为 40-50°C，液化阶段酶的用量为液化阶段和同步糖化发酵阶段酶总加入量的50-85 %，优选 为50-80%。液化阶段的时间依赖于工艺中进料速度的设置、酶的特性、加酶量以及加酶策 略匹配进料速度，并可以做相应调整，通常达到上述寡糖含量、单糖含量以及液化产物平均 粒径和粘度要求的液化时间为1-8小时，优选为2-5小时。
[0041] 按照本发明的优选实施方式，将含纤维素原料与酶混合，进行液化之前，优选，在 将含纤维素原料送入主酶解装置2中与酶混合，进行液化之前，该方法还包括先将含纤维 素原料与pH值调节剂混合，调节所述含纤维素原料的pH值为4-6。在液化之前，将所述含 纤维素原料进行pH值调节能够更好地使含纤维素原料的pH被调节地更为均匀，从而使物 料在液化之前就具备了进行充分液化的条件和状态，并有效提高酶的利用率和增强与酶的 混合效率。
[0042] 所述pH值调节剂的种类可以根据蒸汽爆破工艺的不同如根据所得含纤维素原料 的pH值，而进行适当选择用酸（例如，所述酸性物质可以是酸性气体，包括二氧化碳、二氧 化硫以及硫酸、盐酸和磷酸中的一种或多种）或用碱（例如，所述碱性物质可以是氨水、氢 氧化钠和/或氢氧化钾）进行调节，只要能够满足调节所述含纤维素原料的pH值为4-6即 可。优选情况下，将含纤维素原料与pH值调节剂混合的条件包括：温度为50-60°C。所述 调节含纤维素原料的pH值的步骤可以在本领域公知的各种混合设备中进行。
[0043] 按照本发明，在液化之前通常将含纤维素原料进行预处理，所述预处理的方法为 本领域技术人员所公知，优选采用蒸汽爆破的方法对含纤维素原料进行预处理，因此，所述 含纤维素原料优选为蒸汽爆破的含纤维素原料。由于根据蒸汽爆破工艺的不同，所述蒸汽 爆破工艺又包括酸性蒸汽爆破、碱性蒸汽爆破和中性蒸汽爆破，即，在蒸汽爆破时分别加入 酸、碱或者水，例如，在酸性蒸汽爆破时，在物料中加入酸或者酸性气体，如C0 2、S02;在碱性 蒸汽气爆时加入碱，如氨水、氢氧化钠等；在中性蒸汽爆破时加入水。
[0044] 采用现有技术常规的蒸汽爆破条件进行的蒸汽爆破都能达到本发明的发明目的， 例如，所述蒸汽爆破的温度为160-200°C，所述蒸汽爆破的压力为0. 6-1. 6兆帕，所述蒸汽 爆破压力的维持时间为3-20分钟。更优选所述蒸汽爆破的温度为160-180°C，所述蒸汽爆 破的压力为0. 6-1. 0兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间为4-15分钟。
[0045] 按照本发明，在液化之后，将液化产物与酶和酵母混合，进行同步糖化发酵的步骤 可以在本领域技术人员公知的各种设备中进行。
[0046] 优选情况下，所述同步糖化发酵在间歇酶解装置中进行，所述间歇酶解装置包括 多个，优选为2-4个并联的酶解罐，所述主酶解装置2的物料出口 28分别与该多个并联的 酶解罐的进料口连通，经过液化阶段得到的液化产物与酶和酵母分别间歇或连续地，优选 连续地引入间歇酶解装置的多个酶解罐中进行同步糖化发酵，即，将从主酶解装置2的物 料出口 28被引出的液化产物分别送入后续的同步糖化发酵阶段的各个酶解罐中与酶和酵 母混合进行同步糖化发酵，直至同步糖化发酵阶段的各个酶解罐的发酵产物中乙醇含量为 40-100g/L，单糖含量为(λ l-5g/L。
[0047] 按照本发明，所述间歇酶解装置包括的酶解罐的结构及酶解罐的并联方式都为本 领域所公知，在此不再赘述。每个酶解罐中物料的装料量通常为每个酶解罐体积的70-80% 左右。
[0048] 按照本发明，在同步糖化发酵阶段，每个酶解罐可独立进行进料与卸料；进料的时 候，设置阀门开关，分别将从主解罐装置2的出料口引出的液化产物连续引入间歇酶解装 置的酶解罐中以实现进一步的糖化发酵，达到最终的乙醇含量要求。所述酶解罐可以选用 现有技术中公知的搅拌式酶解罐。
[0049] 按照本发明，同步糖化发酵阶段中酶的用量为液化阶段和同步糖化发酵阶段酶总 加入量的15-50%，优选为20-50%。此处所述同步糖化发酵阶段中酶的用量指每个间歇酶 解装置的酶解罐所加酶的总和（由于同步糖化发酵阶段的每个酶解罐的体积和装料量基 本相同，因此，酶的用量可以平均分配，从而计算出每个酶解罐酶的用量）。
[0050] 按照本发明，所述同步糖化发酵条件包括：pH值为3-7,优选为4-6,温度为 28-42Γ，优选为28-35Γ。同步糖化发酵的时间只要保证各个酶解罐的发酵产物中乙醇的 含量为30-100g/L，单糖含量为0. l-5g/L即可，通常达到上述乙醇含量的同步糖化发酵时 间为48-72小时。
[0051] 按照本发明，在液化阶段和后续的同步糖化发酵阶段使用的酶包括纤维素酶，以 含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为6-20酶活力单位。
[0052] 按照本发明，在液化阶段和后续的同步糖化发酵阶段使用的酶还包括半纤维素 酶、果胶酶和蛋白酶中的一种或多种，以添加的纤维素酶的重量含量计，半纤维素酶、果胶 酶和蛋白酶的总重量与纤维素酶的重量之比为1 : 1-100,优选为1 : 1-10。
[0053] 在本发明中，对液化阶段和后续的同步糖化发酵阶段使用的酶的用量比例进行了 限定。进一步地，对相对于含纤维素原料中的每克纤维素计，以酶活力单位计的酶的用量进 行了定义，因此，根据含纤维素原料的进料速度、进料量可以计算出酶的总用量，并根据每 个阶段酶的分配比例计算出酶在各个阶段的用量。
[0054] 按照本发明，优选连续加入的所述含纤维素原料的加入量可以根据生产能力而 定，具体来说，可以为10-350千克/小时。
[0055] 例如，当所述含纤维素原料的加入量为300千克/小时，其中，纤维素的含量以50 重量％计算，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为6-20酶活力单 位。
[0056] 在该【具体实施方式】中，所述纤维素酶的加入总量为9 X 105_3 X 106酶活力单位/小 时。
[0057] 在液化阶段，优选，纤维素酶的用量为液化阶段和同步糖化发酵阶段纤维素酶总 加入量的50-80%，因此，在液化阶段，所述纤维素酶的总加入量为4. 5 X 105-2. 4X 106酶活 力单位/小时。
[0058] 在同步糖化发酵阶段，优选，纤维素酶的用量为液化阶段和同步糖化发酵阶段 纤维素酶总加入量的20-50%。因此，在同步糖化发酵阶段，所述纤维素酶的加入总量为 1. 8X 105-1· 5X 106酶活力单位/小时。
[0059] 优选情况下，在所述液化阶段中，所述罐体21被2个隔板分隔成三个连续的液化 空间，分别连续向第一层、第二层和第三层液化空间中加入的酶的量分别占该液化阶段纤 维素酶的总加入量的20-60%、20-40%和20-40%，优选分别连续向第一层、第二层和第三 层液化空间中加入的酶的量分别占该液化阶段纤维素酶的总加入量的30-50 %、25-40 %和 25-40%。因此，在上述含纤维素原料的加料量的前提下，分别连续向液化阶段的第一层、第 二层和第三层液化空间中加入的纤维素酶的加入量优选为1. 35X 105-1. 2X 106酶活力单 位/小时、1. 12X 105-9· 6X 105酶活力单位/小时和1. 12X 10 5-9· 6X 105酶活力单位/小 时。另一种优选情况下，在所述液化阶段中，所述罐体21被3个隔板分隔成四个连续的液 化空间，分别连续向第一层、第二层、第三层和第四层液化空间中加入的酶的量分别占该液 化阶段纤维素酶的总加入量的20-40%、15-35%、15-35%和10-30%。因此，在上述含纤维 素原料的加料量的前提下，分别连续向液化阶段的第一层、第二层和第三层液化空间中加 入的纤维素酶的加入量优选为9Χ 104-9. 6Χ 105酶活力单位/小时、6. 7Χ 10 4-8. 4Χ 105酶 活力单位/小时、6· 7Χ 104-8· 4Χ 105酶活力单位/小时和4· 5Χ 10 4-7· 2Χ 105。
[0060] 在液化阶段，只要保证液化产物的寡糖、单糖含量以及液化产物的平均粒径和粘 度要求即可，优选情况下，本发明仅涉及对液化阶段采用所述主酶解装置2进行液化的改 进，因此，对含纤维素原料进行液化方法中的其它步骤没有特别的限制。
[0061] 所述纤维素酶可以通过各种方式获得，例如商购得到，或者通过使用产酶微生物 分泌得到。由于使用产酶微生物分泌得到的酶会含有各种副产物，因此优选直接加入酶。本 发明所述纤维素酶的酶活力按照美国国家可再生能源实验室（NationalRenewable Energy Laboratory，NREL)提供的标准方法--纤维素酶活力测定NREL/TP-510-42628测定，所 述纤维素酶的酶活力单位为在该标准方法规定的测定条件下，取50mg滤纸为底物，截取 60min内释放2. Omg葡萄糖当量的还原糖的酶量来定义滤纸酶活。
[0062] 按照本发明，所述纤维素酶为复合酶，至少包括了内切型纤维素酶、外切型纤维素 酶以及纤维二糖酶。内切型纤维素酶可以作用于非结晶纤维素分子内部β_1，4糖苷键，生 成纤维糊精以及纤维二糖；外切型纤维素酶可以从纤维素分子非还原端作用于β_1，4糖 苷键，将纤维素酶切降解为葡萄糖；纤维二糖酶可以作用于纤维二糖，将纤维二糖降解为葡 萄糖。
[0063] 本发明所述半纤维素酶的酶活力单位（U)为在50°C、pH = 4. 8条件下，每分钟分 解浓度为1重量％木聚糖溶液产生1微克还原糖（以木糖计）所需的酶量。
[0064] 本发明所述半纤维素酶的活力指每克半纤维素酶所具有的活力单位。所述半纤维 素酶的活力利用半纤维素酶在50°C、pH为4. 8的条件下水解1重量％木聚糖产生还原糖 (以木糖计），所得还原糖与过量3, 5-二硝基水杨酸（DNS)发生颜色反应，用分光光度计测 得反应液550纳米的光吸收值与还原性糖（以木糖计）的生成量成正比关系测定。具体测 定方法如下：
[0065] 准确称取1. 000克木聚糖，用0. 5毫升pH = 4. 8的0. 1摩尔/升乙酸-乙酸钠缓 冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得到1重量％木聚糖溶液；
[0066] 称取30克四水合酒石酸钾钠放入500毫升锥形瓶内，加16克NaOH后，加50毫升 去离子水，以5°C /分钟的速度水浴加热至固体物质溶解，加入1克3, 5-二硝基水杨酸，至 溶解，冷却至室温，用去离子水定容至100毫升，可得3,5-二硝基水杨酸（DNS)溶液；
[0067] 将木糖80°C烘干至恒重，准确称取1. 000克溶于1000毫升水中，加10毫克叠氮化 钠防腐，得到1毫克/毫升的标准木糖溶液；
[0068] 准确称取1. 000克固体半纤维素酶或移取1毫升液体半纤维素酶原液，用0. 5毫 升pH = 4. 8的0. 1摩尔乙酸-乙酸钠缓冲溶液溶解，然后用去离子水定容到100毫升，得 到稀释100倍的待测酶液；
[0069] 分别将在50°C水浴加热60分钟的2毫升木糖梯度标准溶液（0. 1晕克/毫升、0. 2 毫克/毫升、〇. 3毫克/毫升、0. 4毫克/毫升和0. . 5毫克/毫升，所述木糖梯度标准溶液 用去离子水与1毫克/毫升的标准木糖溶液混合制备）或去离子水（木糖空白对照），与2 毫升DNS混合沸水浴5分钟，冷却，去离子水定容15毫升后，用分光光度计在550纳米下分 别测定反应后木糖梯度标准溶液的光吸收值，以光吸收值为横坐标，木糖浓度为纵坐标绘 制标准曲线。由该标准曲线可得回归方程y = bx+a，其中，X为光吸收值，y为木糖浓度，a 为所得直线方程的截距，b为所得直线方程的斜率；
[0070] 取0. 2毫升待测酶液与1. 8毫升所述1重量％木聚糖溶液或pH = 4. 8的0. 1摩 尔/升乙酸-乙酸钠缓冲溶液（木聚糖空白对照），按照与上述木糖梯度标准溶液相同的步 骤测试光吸收值。并按照下式计算半纤维素酶的活力：
[0071]
[0072] 式中X为待测酶液的光吸收值，b和a与木糖浓度对光吸收值的回归方程中的b 和a -致，η为酶的稀释倍数，60表示为酶促反应的时间为60分钟，5为取样倍数（这里从 1毫升待测酶液中取出了 〇. 2毫升进行测试）。
[0073] 根据上述方法可以测定出具体的半纤维素酶的活力，进而计算出半纤维素酶的用 量。
[0074] 按照本发明，液化周期指在液化过程中，从将酶与含纤维素原料混合时开始计算 直至液化产物中寡糖、单糖浓度达到要求为止所用的时间。
[0075] 按照本发明，能够发酵戊糖和/或己糖的微生物都可以用于本发明的发酵过程。 在本发明中，所述酵母可以采用常规的方法接种，例如，可以直接将发酵剂形式的C5/C6共 发酵菌株加入到液化产物中与酶混合进行同步糖化发酵，例如，所述发酵菌株可以是通过 冻干法或者其他方法制得的可以直接投入使用的菌种；也可以将采用常规扩培的方式得到 的种子液加入到液化产物中与酶混合进行同步糖化发酵，例如，采用玉米糖化醪、纤维素酶 解液、甜高粱茎汁作为碳源，以尿素、氨水、大豆粉饼等作为氮源，以多级扩培得到的含微生 物的种子液。在扩培的种子液中，一般含有折合l_40g/L的葡萄糖，l_5g/L的乙醇，视培养 方案，还可含有部分N元素和P元素等。
[0076] 按照本发明，以每克液化产物为基准，发酵所使用的酵母的接种量为103-10 8菌落 形成单位，更优选1〇4_1〇6菌落形成单位。
[0077] 当酵母接种量在用接入液化产物中的发酵剂的重量占接入发酵剂后的液化产物 的重量的百分比来表示时，当接入液化产物的发酵剂的重量占接入发酵剂后液化产物的 重量的1-4%。时，能够满足以每克液化产物为基准，接种后，发酵所使用的酵母的接种量为 10 3-108菌落形成单位，更优选10 4-106菌落形成单位，因此，接入液化产物的发酵剂的接种 量可以表不为：接种量为1-4重量％〇。
[0078] 当酵母接种量在用接入液化产物中的成熟种子液的体积占接入种子液后的液化 产物的体积的百分比来表示时，当接入液化产物的成熟种子液的体积占接入成熟种子液后 液化产物的体积的4-10 %时，能够满足以每克液化产物为基准，接种后，发酵所使用的酵母 的接种量为103-108菌落形成单位，更优选10 4-1〇6菌落形成单位，因此，接入液化产物的酵 母的接种量可以表示为：接种量为4-10体积％。
[0079] 所述酵母的菌落形成单位可以通过本领域公知的方法测定，比如亚甲基蓝染色活 菌计数法。通常，为了避免接入液化产物培养基后，由于残渣对计数造成的影响，该计数过 程在接入液化液之前完成，然后通过折算获得液化产物中的酵母浓度含量。亚甲基蓝染色 活菌计数法的具体方法如下：
[0080] 将1克干酵母粉溶于10毫升无菌水中，或将1毫升菌种活化液用无菌水稀释至10 _升，加入0. 5毫升0. 1重量％亚甲基蓝，在35°C下保温30分钟。在10倍光学显微镜下， 用血球计数板计数保温后的溶液中活菌的数目（死菌染色，活菌不染色），可得1克干酵母 或1毫升菌种活化液中活菌的数目，即菌落形成单位数。
[0081] 按照本发明，种子液的扩培方法为本领域技术人员所公知，例如，原种的培养采用 常规的YEro培养基，一级培养采用酵母膏或者蛋白胨培养基，二级、三级、甚至四级培养采 用玉米糖化醪、纤维素酶解液、甜高粱茎汁作为碳源，以尿素、氨水、大豆粉饼等作为碳源， 优选添加少量磷，以及微量兀素。其中发酵菌种的培养米用有氧的方式培养。
[0082] 按照本发明，可使用的菌种包括但不限于酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae、 嗜革柔管囊酵母Pachysolentannophilus、树干毕赤酵母Pichiastipitis、休哈塔假丝酵 母 Candidashehatae、酒香酵母 Brettanomycesnaardenensis、纤细假丝酵母 Candida tenuis、热带假丝酵母Candida tropicalis、赛沟毕赤酵母Pichiasegobiensis、多动拟 杆菌Bacteroidespolypragmatus、菊欧文氏杆菌Erwiniachrysanthem、植物克雷伯杆菌 Klebsiellaplanticola、嗜热厌氧乙醇菌 Thermoanaerobacterethanolicus、球状螺旋 体 Spirochaetacoccoidessp.、植物发酵梭菌 Clostridiumphytofermentassp.、尖抱镜刀 菌 Fusariumoxysporum、粗糖脉抱菌 Neurosporacrassa、燕麦镜刀菌 Fusariumavenaceum、 运动发酵单胞菌Zymomonasmobilis、大肠杆菌Escherichiacoli以及重组酿酒酵母 S. cerevisiae、重组运动发酵单胞菌Zymomonasmobilis、重组大肠杆菌Escherichiacoli 中的一种或多种。
[0083] 优选，采用本领域技术人员公知的一步法或者两步法改造得到具有木糖代谢 能力的重组酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae、具有共发酵能力的运动发酵单胞菌 Zymomonasmobilis和重组大肠杆菌Escherichiacoli中的一种或两种。
[0084] 同步糖化发酵的条件还可以包括：采用耗氧方式进行同步糖化发酵，也可以在发 酵过程中逐步降低氧气的供应量；例如，在同步糖化发酵的〇_12h过程中，通气量为0. 5-1 体积：（体积?分钟），在同步糖化发酵的12-24h过程中，通气量为0. 3-0. 5体积：（体积?分 钟），在同步糖化发酵的24-36h过程中，通气量为0. 1-0. 3体积：（体积?分钟）。由于发 酵菌株对氧气需求的特性，优选前期耗氧发酵，后期进行低含氧量发酵，例如，在同步糖化 发酵的〇-36h过程中，通气量为0. 1-0. 3体积：（体积?分钟），在同步糖化发酵的36-48h 过程中，通气量为0. 01-0. 05体积：（体积?分钟）。
[0085] 术语"通气量"一般以通气比来表示，通常以每分钟内通过单位液化产物的空气体 积比来表示（V/V · min)，例如通气比为1 : 0. 1-1，简称通气量为0. 1-1体积：（体积?分 钟）。
[0086] 经过同步糖化发酵工艺得到的发酵产物中乙醇含量为40-100g/L，通常，当发酵产 物中还原性糖（单糖）浓度检测值在0. l-5g/L时停止发酵，确定为发酵终点。同步糖化发 酵周期一般为48-72小时，所述同步糖化发酵周期指从在液化产物中加入酶制剂和接入酵 母最后到发酵终点所经历的时间为同步糖化发酵周期。
[0087] 发酵产物乙醇可以用常规的方法，根据不同工业产品的要求（比如燃料酒精要求 乙醇的纯度达99%以上）分离并精制，比如蒸馏、浓缩、脱水。
[0088] 按照本发明，所述含纤维素原料可以为现有农业残留物，如农作物秸杆、农业草本 植物，包括玉米秸杆、玉米芯、草、纸、大麦杆、小麦杆、稻草、纸张等；也可以为林园残留物， 如硬木、软木、坚果壳、树叶、棉籽絮、柳枝、燕麦壳等，能源作物，如柳枝稷、能源草。由于国 内种植分布与种植特点，优选以猜杆，如玉米猜杆、麦草为待液化和同步糖化发酵的含纤维 素原料。
[0089] 由于含纤维素原料中可能会含有沙石杂质以及铁杂质，对蒸汽爆破设备会造成损 害，还可以包括在蒸汽爆破之前对含纤维素原料进行收储、打包、除杂、切分、粉碎的步骤。 此外，由于含纤维素原料本身容易缠结而堵塞设备管路，因此，在进入蒸汽爆破设备前，优 选使所述含纤维素原料的大小为〇. 5-3厘米X0. 2-1厘米X0. 2-1厘米，更优选使所述含 纤维素原料的大小为1-2厘米X0. 4-0. 6厘米X0. 5-1厘米。
[0090] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中 的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这 些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0091] 另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛 盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可 能的组合方式不再另行说明。
[0092] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本 发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
[0093] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
[0094] 下述实施例和对比例中，所使用的纤维素酶是诺维信酶制剂公司生产的牌号为 Ctec2的纤维素酶，半纤维素酶是诺维信酶制剂公司生产的牌号为Htec2的半纤维素酶。
[0095] 下述实施例和对比例中，所使用的酵母为安琪超级酿酒高活性干酵母，购自湖北 安琪酵母股份公司。
[0096] 以下实施例中采用如图1所示的主酶解装置进行含纤维素原料的液化。其中，主 酶解装置2的罐体21的高径比为3 : 1，设置在所述罐体21内的3个倒置的圆锥形隔板23 的锥角α为120° ;隔板23的中心具有通孔，且通孔的孔径大于搅拌轴22的外直径，以保 证搅拌轴22的顺利转动，隔板23上还平均分布有用于卸料的通孔，隔板23上的通孔的孔 隙率为50%，孔直径大小为1mm。且被隔板23分隔的相邻两个液化空间的容积比为1. 5。
[0097] 同步糖化发酵阶段所使用的间歇酶解装置中的酶解罐是宜兴市制药设备厂生产 的型号为028OOX35OO，ss3O4、容量为21500L的酶解罐（罐体顶部具有进料口，罐体的下 部具有出料口）。
[0098] 黏度的测定：用粘度仪测定样品的黏度。将液化阶段取样获得的液化产物，用粘度 仪进行测验。具体方法参见国家标准GB/T 10247-2008中有关旋转法的规定。
[0099] 平均粒径的测定：用激光衍射法检测样品平均粒度的检测。将液化阶段取样获得 的液化产物，采用马尔文Mastersizer2000或300粒度仪进行样品平均直径的分析。
[0100] 寡糖的测定方法：样品离心取上清，取其中10ml样品用质量分数为72%的硫酸， 得到质量终浓度为4%的硫酸混合液，在120°C条件下酸解lh，得到酸解液，并配置糖回收 率标准液，加质量浓度为72%的硫酸，得到质量终浓度为4%的硫酸混合液在120°C条件下 酸解lh，作为对照。水解后用液相法分析单糖浓度，并减去初始样品中单糖浓度，获得折算 糖浓度的寡糖浓度。具体参见NERL/TP-510-42623。
[0101] 发酵产物中单糖、副产物以及乙醇含量的测定方法为本领域技术人员所公知： 用0. 2微米滤膜过滤收集的样品的上层清液，所得滤液用HPLC法测定，具体参见NREL/ TP-510-42623。
[0102] 实施例1
[0103] 本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
[0104] (1)含纤维素原料的前处理
[0105] 将2222千克没有杂质的玉米秸杆（含水量10重量％ )切成不超过1.2厘米X 0.5 厘米X 1. 0厘米的小段，在180°C下维持1. 0兆帕的压力5分钟，然后泄压，完成蒸汽爆破。 共得到4000千克蒸汽爆破产物（含水量为50重量％ )。
[0106] 所得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素总重量的测定，具体参见 NREL/TP-510-42618 ：
[0107] 取10克上述蒸汽爆破产物在45°C下烘干至恒重5克，称量300. 0毫克该干燥后的 蒸汽爆破产物，放置于重80克的100毫升可密封的耐压玻璃管中。向所述耐压玻璃管内加 入3. 00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌1分钟。然后将耐压玻璃管在30°C的水浴 中放置60分钟，每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水解结束后，加入84ml去离子水使 硫酸的浓度稀释到4重量％。将耐压玻璃管放入高压灭菌锅中，在121°C下对密封样品灭 菌1小时，降温至室温。然后用布氏漏斗过滤，共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至 干燥的50毫升的三角瓶中。使用2. 5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5. 5,静置5小时，收 集上层清液。用0. 2微米滤膜过滤收集的上层清液，所得滤液用BioradAminex HPX-87P高 效液相色谱（HPLC)分析。HPLC条件：进样量20微升；流动相为0. 2微米滤膜过滤并且超 声振荡脱气的HPLC超纯水；流速为0. 6毫升/分钟；柱温80-85°C ;检测器温度80-85°C ; 检测器为折光率检测器；运行时间为35分钟。以0. 1-4. 0毫克/毫升浓度范围的D-(+)葡 萄糖和0. 1-4. 0毫克/毫升浓度范围D-(+)木糖作为标准样品。HPLC分析得到蒸汽爆破 产物酸水解液中葡萄糖浓度为2. 67毫克/毫升（经过SRS葡萄糖样品校正），计算可得1 克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为〇. 224克的葡萄糖，因为两步硫酸水解可以将蒸 汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破产物中纤维 素重量的1. 11倍，即1克所述蒸汽爆破产物中含纤维素0. 202克，则4000千克蒸汽爆破产 物中共含纤维素808千克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0. 667毫 克/毫升（经过SRS木糖样品校正），计算可得1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为 0. 055克的木糖，因为两步硫酸水解可以将蒸汽爆破的产物的半纤维素全部水解成木糖，因 此所得木糖的重量是蒸汽爆破产物中半纤维素重量的1. 14倍，即1克所述蒸汽爆破产物中 含半纤维素0. 048克，则4000千克蒸汽爆破产物中共含半纤维素192千克。
[0108] (2)液化
[0109] 在液化之前，在连续混合设备中，将pH值调节剂质量含量为40%的氢氧化钠溶液 与蒸汽爆破的含纤维素原料充分搅拌混合，使得所述含纤维素原料的pH值为5. 5 (经过该 预处理的含纤维素原料的含水量仍为50重量％ )。
[0110] 如图1所示，所述液化阶段在主酶解装置2中进行（在液化过程中不额外加入 水），将经过调节pH值的蒸汽爆破的含纤维素原料通过主酶解装置2罐体21顶部的含纤维 素原料入口 26连续送入该主酶解装置2中，将纤维素酶和半纤维素酶从罐体21顶部的酶 入口 27连续引入罐体21中，使得所述含纤维素原料与酶的混合物沿罐体21的高度方向从 上到下依次从被隔板23分隔的四个液化空间经过。主酶解装置2中的温度为50°C，所述 含纤维素原料的加入量为300千克/小时。以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维 素酶的用量为20酶活力单位，半纤维素酶的加入量为加入的纤维素酶总重量的10重量％。 在液化阶段，纤维素酶的加入量为液化阶段和同步糖化发酵过程纤维素酶的总用量的80% (液化阶段总酶用量为1. 3 X 107酶活力单位）。因此，连续加入主酶解装置2中的纤维素 酶的加入量为9. 6X 105酶活力单位/小时。经过多阶段的连续液化之后，液化产物从物料 出口 28被连续从罐体21中排出（液化时间为3小时），将液化阶段得到的液化产物取样， 用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，离心收集上层清液。0. 2 微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤（1)所述高效液相条件，得出由液化阶段得 到的液化产物中，单糖含量为97g/L，其中，葡萄糖含量为55g/L，木糖含量为30g/L，阿拉伯 糖、半乳糖和甘露糖的总含量为12g/L ;以最终降解为葡萄糖的含量计，可溶性葡聚糖的含 量为80g/L ;以最终降解为木糖的含量计，可溶性木聚糖的含量为18g/L ;液化产物的粘度 为400cp，液化产物的平均粒径为50 μ m。
[0111] ⑶同步糖化发酵
[0112] 将液化产物从物料出口 28被连续从罐体21中排出，分别依次连续送入与其连通 的间歇酶解装置中的4个并联的酶解罐中进行同步糖化发酵，并在每个酶解罐中加入纤 维素酶和酵母，纤维素酶的加入量为液化阶段和同步糖化发酵过程纤维素酶的总用量的 20%，因此，在同步糖化发酵阶段纤维素酶的总量为3. 2X 106酶活力单位（每个间歇酶解 装置中纤维素酶的用量为〇. 8 X 106酶活力单位），以每克液化产物的重量计，接种10 5菌落 形成单位的酿酒酵母，在32°C下搅拌培养，直至按照上述方法测定各个酶解罐的终点发酵 产物中乙醇的含量为85g/L，单糖含量为2克/升（同步糖化发酵周期为84小时）。
[0113] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇280千 克，按照下式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0114] 乙醇产率=100% X乙醇重量八固体蒸汽爆破产物中纤维素干重+固体蒸汽爆 破产物中半纤维素干重）。
[0115] 对比例1
[0116] 本对比例说明采用含纤维素原料制备乙醇的方法。
[0117] (1)预处理
[0118] 取用与实施例1同批次的秸杆原料2222kg (以干固含量计），按照实施例1所述的 方法预处理含纤维素原料，共计得到4000千克蒸汽爆破产物（含水量为50重量％ )。
[0119] 按照与实施例1相同的方法测得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素 总重量，4000千克蒸汽爆破产物中共含纤维素808千克，共含半纤维素192千克。
[0120] (2)酶解
[0121] 将步骤（1)取样测试后剩余的蒸汽爆破产物一次全部加入含有水的酶解罐中，然 后与纤维素酶和半纤维素酶混合均匀（全部蒸汽爆破产物与水的重量比为1.4 : 1，pH值 为5. 5,液化温度为50°C，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为20酶 活力单位，半纤维素酶的用量为纤维素酶重量的10重量％ )，酶解时间为72小时。
[0122] (3)发酵
[0123] 使酶解产物的温度降至32°C，以每克酶解产物的重量计，接种105菌落形成单位的 酿酒酵母，所得混合物在32°C下于发酵罐中搅拌培养60小时。发酵产物中乙醇含量为99g/ L，单糖含量为0.5克/升。
[0124] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇300千 克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0125] 对比例2
[0126] 本对比例说明采用含纤维素原料进行同步糖化发酵的参比方法。
[0127] (1)预处理
[0128] 取用与实施例1同批次的秸杆原料2222kg (以干固含量计），按照实施例1所述的 方法预处理含纤维素原料，共计得到4000千克蒸汽爆破产物（含水量为50重量％ )。
[0129] 按照与实施例1相同的方法测得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素 总重量，4000千克蒸汽爆破产物中共含纤维素808千克，共含半纤维素192千克。
[0130] ⑵同步糖化发酵
[0131] 将所述蒸汽爆破产物一次性投入搅拌式酶解容器中，在不添加水的条件下加入pH 调节剂40 %的氢氧化钠溶液，充分混匀至pH值为5. 5 (经过该预处理的含纤维素原料的含 水量为50重量％ )。
[0132] 在pH值调节完毕后，按照以含纤维素原料中的每克纤维素计，纤维素酶的用量为 20酶活力单位加入纤维素酶。因此，加入纤维素酶的总量为1. 6X107酶活力单位，半纤 维素酶的用量为纤维素酶重量的10重量％。在纤维素酶和半纤维素酶加入完毕之后，混 合〇.5h，按照实施例1的条件加入发酵酵母，进行同步糖化发酵，且在该同步糖化发酵过程 中，不额外通入空气。
[0133] 同步糖化发酵后各个酶解罐的终点发酵产物中乙醇含量为77g/L，单糖含量为 〇. 5克/升（同步糖化发酵周期为108小时）。
[0134] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇270千 克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0135] 实施例2
[0136] 本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
[0137] 按照实施例1的方法液化含纤维素的原料，并将液化产物进行同步糖化发酵，不 同的是：
[0138] 在液化之前，用pH调节剂质量含量为40%的氢氧化钠溶液调节所述含纤维素原 料的pH值为4。
[0139] 在液化步骤（2)中，主酶解装置2中的温度为40°C，所述调节了 pH值的含纤维素 原料的加入量为320千克/小时，以含纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量 为10酶活力单位，所述连续液化阶段，纤维素酶的加入量为液化阶段和同步糖化发酵阶段 纤维素酶的总用量的70% (液化阶段总酶用量为5. 7 X 106酶活力单位），因此，连续加入 主酶解装置2中的纤维素酶的加入量为4. 5 X 105酶活力单位/小时，不加入半纤维素酶。
[0140] 设置在所述罐体21内的为2个倒置的圆锥形隔板23的锥角α为120°，将罐体 21分隔成3个液化空间，将酶从罐体21顶部的酶入口 27和/或罐体21侧部的补充酶入 口 29被连续引入罐体21中，分别连续向第一层、第二层和第三层液化空间中加入的纤维素 酶的量分别占该液化阶段纤维素酶的总加入量的40 %、30 %和30 %。经过多阶段的连续液 化之后，液化产物从物料出口 28被连续从罐体21中排出，将液化阶段的液化产物取样（液 化时间为3小时），用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，离心 收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照上述步骤（1)所述高效液相条件， 得出经过液化阶段的液化产物中，单糖含量为57g/L，其中，葡萄糖含量为26g/L，木糖含量 为25g/L，阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的总含量为6g/L ;以最终降解为葡萄糖的含量计，可 溶性葡聚糖的含量为55g/L ;以最终降解为木糖的含量计，可溶性木聚糖的含量为40g/L ; 液化产物的粘度为487cp，液化产物的平均粒径为100 μ m。
[0141] 在同步糖化发酵步骤（3)中，将由所述液化产物从物料出口 28被连续从罐体21 中排出，分别依次连续送入与其连通的间歇酶解装置中的4个并联的酶解罐中进行同步 糖化发酵，并在每个酶解罐中加入纤维素酶和酵母，纤维素酶的加入量为液化阶段和同步 糖化发酵过程纤维素酶的总用量的30%，因此，在同步糖化发酵阶段纤维素酶的总量为 2· 4X 106酶活力单位（每个间歇酶解装置中纤维素酶的用量为0· 6X 10 6酶活力单位），以 每克液化产物的重量计，接种1〇5菌落形成单位的酿酒酵母，使得所述液化产物在33°C下搅 拌培养，直至按照上述方法测定各个酶解罐的终点发酵产物中乙醇含量为67g/L，单糖含量 为1克/升（同步糖化发酵周期为96小时）。
[0142] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇220千 克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0143] 实施例3
[0144] 本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
[0145] 按照实施例1的方法液化含纤维素的原料，并将液化产物进行同步糖化发酵，不 同的是：
[0146] 在液化步骤（2)中，将纤维素酶和半纤维素酶从罐体21顶部的酶入口 27和罐体 21侧部的三个补充酶入口 29连续引入罐体21中，分别连续向第一层、第二层、第三层和第 四层液化空间中加入的纤维素酶和半纤维素酶的量分别占该液化阶段纤维素酶和半纤维 素酶的总加入量的30%、25%、25%和20%。得出由液化阶段的液化产物中，单糖含量为 100g/L，其中，葡萄糖含量为52g/L，木糖含量为33g/L，阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的总含 量为15g/L ;以最终降解为葡萄糖的含量计，可溶性葡聚糖的含量为102g/L ;以最终降解为 木糖的含量计，可溶性木聚糖的含量为24g/L ;液化产物的粘度为lOOcp，液化产物的平均 粒径为40 μ m。
[0147] 同步糖化发酵后各个酶解罐的终点发酵产物中乙醇含量为98g/L，单糖含量为 〇. 5克/升（同步糖化发酵周期为72小时）。
[0148] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇301千 克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0149] 实施例4
[0150] 本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
[0151] 按照实施例1的方法液化含纤维素的原料，并将液化产物进行同步糖化发酵，不 同的是：
[0152] 不在液化之前调节含纤维素原料的pH值，而是在液化步骤（2)的液化过程中，调 节液化pH值为5. 5。得出由液化阶段的液化产物中，单糖含量为80g/L，其中，葡萄糖含量 为40g/L，木糖含量为30g/L，阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖的总含量为10g/L ;以最终降解为 葡萄糖的含量计，可溶性葡聚糖含量为62g/L ;以最终降解为木糖的含量计，可溶性木聚糖 含量为15g/L ;液化产物的粘度为480cp，液化产物的平均粒径为50 μπι。
[0153] 同步糖化发酵后各个酶解罐的终点发酵产物中乙醇含量为81g/L，单糖含量为2 克/升（同步糖化发酵周期为84小时）。
[0154] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇270千 克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0155] 实施例5
[0156] 本实施例用于说明本发明的含纤维素原料的同步糖化发酵工艺。
[0157] 按照实施例1的方法液化含纤维素的原料，并将液化产物进行同步糖化发酵，不 同的是：
[0158] 在步骤（1)中，将1333千克没有杂质的玉米秸杆（含水量10重量％ )切成不超 过1. 2厘米X0. 5厘米XI. 0厘米的小段，在160°C下维持1. 0兆帕的压力4分钟，然后泄 压，完成蒸汽爆破。共得到4000千克蒸汽爆破产物（含水量为70重量％ )。
[0159] 所得固体蒸汽爆破产物中纤维素总重量和半纤维素总重量的测定方法参照实施 例1所述的方法。
[0160] HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中葡萄糖浓度为1. 77毫克/毫升，计算可得 1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为〇. 117克的葡萄糖，因为两步硫酸水解可以将 蒸汽爆破的产物的纤维素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破产物中纤 维素的重量的1. 11倍，即1克所述蒸汽爆破产物中含纤维素0. 105克，则4000千克蒸汽爆 破产物中共含纤维素420千克。HPLC分析得到蒸汽爆破产物酸水解液中木糖浓度为0. 49 毫克/毫升（经过SRS木糖样品校正），计算可得1克所述蒸汽爆破产物酸水解能得到重 量为0. 041克的木糖，因为两步硫酸水解可以将蒸汽爆破的产物中半纤维素全部水解成木 糖，因此所得木糖的重量是蒸汽爆破产物中半纤维素的重量的1. 14倍，即1克蒸汽爆破产 物中含半纤维素〇. 036克，则4000千克蒸汽爆破产物中共含半纤维素144千克。
[0161] 并按照实施例1的步骤（2)的方法进行含纤维素原料的液化（经过pH值调节剂 调节pH值后含纤维素原料的含水量仍为70重量％，且在液化过程中不额外加入水）和步 骤（3)的同步糖化发酵，得出由液化阶段的液化产物中，单糖含量为45g/L，其中葡萄糖含 量为18g/L，木糖含量为20g/L，阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖总含量为7g/L ;以最终降解为葡 萄糖的含量计，可溶性葡聚糖的含量为32g/L ;以最终降解为木糖的含量计，可溶性木聚糖 的含量为15g/L ;液化产物的粘度为lOOcp，液化产物的平均粒径为25 μπι。
[0162] 同步糖化发酵后各个酶解罐的终点发酵产物中乙醇含量为48g/L，单糖含量为1 克/升（同步糖化发酵周期为84小时）。
[0163] 在100°C蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在78. 3°C下二次蒸馏可得乙醇158千 克，并按照实施例1的公式计算乙醇产率，计算结果见表1。
[0164] 表 1
[0165]
[0166] 由上表1中对比例1、对比例2与实施例1的数据比较可知，先将含纤维素原料进 行充分液化后再进行同步糖化发酵，能够显著提高酶解效率和发酵效率，即缩短液化周期 和同步糖化发酵的周期，同时保证具有较高的乙醇产率。此外，由实施例的数据可知，采用 本发明优选的液化方法能够在液化体系中干物含量保持一定范围内的情况下，实现干物料 与酶的连续混合液化，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐体的高度方向从上到下依次从 被隔板分隔的每个液化空间经过而进行多阶段液化的过程中，液化产物的粘度和平均粒径 逐渐降低，为后续同步糖化发酵的微生物的深层液化发酵提供了更为有利的条件。同时，可 溶性寡糖，如木寡糖、葡寡糖、纤维二糖；单糖，如葡萄糖、木糖的浓度逐渐上升，实现了在有 效控制液化产物的粘度、颗粒大小的前提下不断提高寡糖和单糖的含量，而进一步利于提 高产糖效率，以及后续的发酵效率和乙醇产率。现有技术的同步糖化发酵工艺，酶/微生物 对温度的要求不可能匹配，本发明将部分酶解过程置于液化步骤中实现，在液化步骤提高 反应温度，因而提高了酶解效率，解决了纤维素酶解温度条件与发酵温度条件不匹配的问 题。进一步地，由实施例3与实施例1的数据比较可知，优化酶的加入方式，能够进一步提 高液化效率和发酵效率。
【主权项】
1. 一种含纤维素原料的同步糖化发酵工艺，其特征在于，该工艺包括： 将含纤维素原料与酶混合进行液化，液化的条件使得到的液化产物中可溶性寡糖 以最终降解为单糖的含量计为10-150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度为 200-500cp，液化产物的平均粒径为20-100 μπι ; 将液化产物与酶和酵母混合，进行同步糖化发酵。2. 根据权利要求1所述的工艺，其中，所述液化在主酶解装置（2)中进行，该主酶解 装置（2)包括罐体（21)、包覆在罐体（21)外周的设置有入口和出口的夹套和设置在所述 罐体（21)内的搅拌轴（22)以及隔板（23)，所述隔板（23)沿着罐体（21)高度方向上将罐 体（21)分隔成多个液化空间，且隔板（23)上具有能够使被隔板（23)分隔的相邻两个液 化空间相连通的通孔，在被隔板（23)分隔的每个液化空间中的搅拌轴（22)部分的长度方 向上均设置有搅拌器，所述主酶解装置（2)还包括与罐体（21)相通的含纤维素原料入口 (26)、酶入口（27)和物料出口（28);将含纤维素原料间歇或连续地，优选连续地引入罐体 (21)中，以及将酶间歇或连续地，优选连续地引入罐体（21)中之前、同时或之后启动搅拌 轴（22)，使搅拌轴（22)带动搅拌器转动，在搅拌下，使得含纤维素原料与酶的混合物沿罐 体（1)的高度方向从上到下依次从被隔板（23)分隔的每个液化空间经过，经过多阶段的液 化之后，将液化产物从罐体（21)中排出，使得经过该液化阶段得到的液化产物中可溶性寡 糖以最终降解为单糖的含量计为10_150g/L，单糖的含量为10-100g/L，液化产物的粘度为 200-500cp，液化产物的平均粒径为20-100 μπι。3. 根据权利要求2所述的工艺，其中，所述隔板（23)的数量为2-5个，且被隔板（23)分 隔的相邻两个液化空间的容积比为〇. 5-2. 5,优选相邻两个液化空间的容积比为1. 3-1. 8。4. 根据权利要求2或3所述的工艺，其中，所述隔板（23)为平板或者倒置的锥板，优选 为倒置的锥板，该锥板的锥角为大于或等于60°至小于180°，优选为60-150°。5. 根据权利要求2或3所述的工艺，其中，同一隔板上分布的通孔大小相同，且沿着罐 体（21)的高度方向由上向下分布的隔板（23)上的通孔孔径依次减小，隔板（23)上的通孔 的孔隙率为10-90%，优选为10-50%，孔直径大小为0. 1-10毫米，优选为0. 1-2毫米。6. 根据权利要求2所述的工艺，其中，所述含纤维素原料入口（26)和酶入口（27)设置 在罐体（21)的顶部，所述物料出口（28)设置在罐体（21)的底部。7. 根据权利要求2所述的工艺，其中，设置在搅拌轴（22)下端的搅拌器为涡轮式搅拌 器（24)，设置在该涡轮式搅拌器上方的其它搅拌器为旋桨式搅拌器（25)。8. 根据权利要求2所述的工艺，其中，所述主酶解装置（2)还包括设置在罐体（21)的 侧部、分别与被隔板（23)分隔的空间相连通的补充酶入口（29)。9. 根据权利要求2、6或8所述的工艺，其中，含纤维素原料从含纤维素原料入口（26) 被连续引入罐体（21)中，酶从酶入口（27)和/或补充酶入口（29)被连续引入罐体（21) 中，优选，液化阶段酶用量的20-90%的酶从酶入口（27)被连续引入罐体（21)中，液化阶段 酶用量的10-80%的酶从补充酶入口（29)被连续引入罐体（21)中，液化产物从物料出口 (28)被从罐体（21)中连续排出。10. 根据权利要求1或2所述的工艺，其中，液化的条件包括：液化pH值为4-6,液化温 度为30-55Γ，优选为40-50°C，液化阶段酶的用量为液化阶段和同步糖化发酵阶段酶总用 量的50-85 %，优选为50-80 %。11. 根据权利要求1所述的工艺，其中，所述同步糖化发酵在间歇酶解装置中进行，所 述间歇酶解装置包括多个，优选为2-4个并联的酶解罐，所述主酶解装置（2)的物料出口 (28)分别与该多个并联的酶解罐的进料口连通，液化产物与酶和酵母分别间歇或连续地， 优选连续地引入间歇酶解装置的多个酶解罐中进行同步糖化发酵，直至同步糖化发酵阶段 的各个酶解罐的发酵产物中乙醇含量为40-100g/L，单糖含量为0. l-5g/L。12. 根据权利要求1或11所述的工艺，其中，同步糖化发酵的条件包括：pH值为3-7， 优选为4-6,温度为28-42Γ，优选为28-35Γ，同步糖化发酵阶段酶的用量为液化阶段和同 步糖化发酵阶段酶总加入量的15-50%，优选为20-50%，以每克液化产物计，发酵所使用 的酵母的接种量为IO 3-IO8菌落形成单位，优选为IO4-IO6菌落形成单位。13. 根据权利要求1或2所述的工艺，其中，该方法还包括：在将含纤维素原料与酶混 合进行液化之前，先将含纤维素原料与PH值调节剂混合，调节所述含纤维素原料的pH值为 4-6 〇14. 根据权利要求1、2和11中任意一项所述的工艺，其中，所述酶包括纤维素酶，以含 纤维素原料中的每克纤维素计，所述纤维素酶的用量为6-20酶活力单位。15. 根据权利要求14所述的工艺，其中，所述酶还包括半纤维素酶、果胶酶和蛋白酶中 的一种或多种，以纤维素酶的重量含量计，半纤维素酶、果胶酶和蛋白酶的总重量与纤维素 酶的重量之比为1 : 1-100,优选为1 : 1-10。16. 根据权利要求1所述的工艺，其中，所述含纤维素原料为蒸汽爆破的含纤维素原 料，所述含纤维素原料的干物质含量为15-50重量％，液化体系以及同步糖化发酵体系中 的水分在反应混合物中的含量保持在50-85重量％。17. 根据权利要求16所述的工艺，其中，所述含纤维素原料为秸杆和/或麦草。
【文档编号】C12P7/10GK105886553SQ201510038118
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月26日
【发明人】岳国君, 武国庆, 熊强, 林鑫, 林海龙, 李凡, 沈乃东, 许克家, 高尚, 杜伟彦, 袁敬伟, 李春玲, 刘文信
【申请人】中粮营养健康研究院有限公司, 中粮生化能源（肇东）有限公司, 中粮集团有限公司