采用含纤维素的原料制备乙醇的方法

专利名称：采用含纤维素的原料制备乙醇的方法
技术领域：
本发明是关于一种制备乙醇的方法，更具体地，是关于采用含纤维素的 原料制备乙醇的方法。
背景技术：
现有技术可以用含纤维素的原料制备乙醇，所述含纤维素的原料一般为 植物的根、茎和叶，包括秸秆。所述秸秆即农作物(一般为草本植物)收获 种子或果实后剩余的根、茎和叶，主要为茎和叶，如包括玉米秸秆、高梁秸 秆、稻秆、麦秸的谷类植物的秸秆、包括豆秸的油料植物的秸秆以及棉花秸 秆。秸秆中纤维素、半纤维素和木质素通过共价键和/或非共价键紧密结合，
三者约占秸秆干物质总重量的70-90重量％。秸秆中纤维素、半纤维素和木 质素的含量会随不同来源的农作物或农作物的不同部分而有所区别。
纤维素在纤维素酶的作用下能够降解成葡萄糖，半纤维素在半纤维素酶 的作用下能够降解成木糖，葡萄糖和木糖都可以用于发酵生产乙醇，比如酿 酒酵母可以发酵葡萄糖制备乙醇，树干毕赤酵母可以发酵木糖制备乙醇。但 是木质素是由苯基丙烷聚合而成的一种非多糖物质，因而不溶于水难以降 解。由于木质素由芳香烃的衍生物以-C-C-键、-O-键纵横交联，侧链与半纤 维素以共价键结合，形成致密的网络结构——木质素鞘包埋纤维素和半纤维 素，因而使纤维素酶和半纤维素酶不易与纤维素和半纤维素接触，结果导致 秸秆也难以降解。
现有的用含纤维素的原料制备乙醇的方法， 一般采用蒸汽爆破和/或酸 水解进行预处理，以破坏木质素对纤维素和半纤维素的包埋。酸水解虽然能 够破坏木质素，但是也会破坏纤维素，继而降低葡萄糖的产率，而且酸水解后还需要加大量碱中和才能进行酶解和发酵。因此更倾向只通过蒸汽爆破完 成预处理过程，达到破坏木质素对纤维素和半纤维素的包埋作用。
例如文献"对植物秸秆酒精生产工艺的介绍"，张学峰、兰玉成，酿酒，
第29巻第4期，第37-38页，2002年7月，公开了一种利用植物秸秆生产 酒精的方法，该方法包括将玉米秸秆除石除铁清洗后，切割成1.5厘米的小 段，水浸40分钟，通入2.5兆帕蒸汽，保温8分钟，泄压，水洗十分之一的 蒸汽爆破产物，并在所述十分之一的蒸汽爆破产物中培养里斯木酶产生纤维 素酶，将所得培养物与另外十分之九的蒸汽爆破产物混合，保温5(TC水解 24小时，经过滤得到6%糖液，无机膜浓縮成20%以上的糖液，加入休哈塔 酵母(0.8-1.2亿/毫升)，发酵24小时，产酒份10%，蒸馏得99.5%的酒精。 但是现有用含纤维素的原料制备乙醇的方法中，蒸汽爆破预处理对含纤 维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘破坏不够，因而导致最终乙 醇产率低。

发明内容
本发明的目的是克服现有的用含纤维素的原料制备乙醇的方法乙醇产 率低的缺点，提供一种乙醇产率高的用含纤维素的原料制备乙醇的方法。
现有技术蒸汽爆破含纤维素的原料时，通常认为所述含纤维素的原料例 如玉米秸秆，必须充分水浸，才能够得到更好蒸汽爆破的效果，因为充分水 浸可以使所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部含有大量的水，在蒸汽爆破 时，所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部的水可以气化成水蒸汽，泄压时 由所述含纤维素的原料例如玉米秸秆内部冲出，以由内向外充分破坏所述含 纤维素的原料例如玉米秸秆包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，比如在上述 "对植物秸秆酒精生产工艺的介绍"(张学峰、兰玉成，酿酒，第29巻第4 期，第37-38页，2002年7月)中公开的方法，需要将玉米秸秆水浸40分钟后，才进行蒸汽爆破。但是本发明的发明人意外地发现，将各种含水量的 玉米秸秆(青玉米秸秆以及干燥玉米秸秆)水浸40分钟后，玉米秸秆的含 水量均高达80重量％以上，而蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量低，例
如低于30重量％固然不好，但如果含纤维素的原料的含水量，如高于60重 量％，也会降低乙醇的收率。
本发明提供了一种采用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，酶解得到的蒸汽爆破产物，发酵得到的酶解产物， 其中，所述含纤维素的原料的含水量为30-60重量％。
根据本发明的制备乙醇的方法，严格控制用于蒸汽爆破的含纤维素的原 料的含水量为30-60重量％，可以保证在蒸汽爆破条件下使含纤维素的原料 内部的水气化成水蒸汽，在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，充分 破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，以增加了含纤维 素的原料中能与酶接触的纤维素比例，从而可以提高乙醇的产率。例如，在 其他的蒸汽爆破条件都相同的情况下，实施例1的乙醇产率达21.5%，而对 比例1的乙醇产率仅为18.2%，提高幅度高达18.1%。


图1为天然玉米秸秆的扫描电子显微镜照片；
图2为按照本发明对比例1的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照
片；
图3为按照本发明对比例2的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照
片；
图4为按照本发明实施例1的方法蒸汽爆破后秸秆的扫描电子显微镜照片。
具体实施例方式
本发明提供的用含纤维素的原料制备乙醇的方法包括蒸汽爆破含纤维 素的原料，酶解得到的蒸汽爆破产物，发酵得到的酶解产物，其中，所述含
纤维素的原料的含水量为30-60重量％，优选为35-50重量％。
不同来源的含纤维素的原料含水量差异很大，比如不同时期收购的玉米 秸秆原料的含水量差异就很大，收割不超过一周的新鲜秸秆含水量达80重 量％以上，但是经过晾晒风干的存储秸秆含水量可能只有10%。现有方法对 于不同含水量的含纤维素的原料都一律采用同样条件水浸处理，造成含纤维 素的原料的含水量过大，在蒸汽爆破条件下，泄压时含纤维素的原料内部的 水分以液体形式冲出，达不到由内向外破坏含纤维素的原料中包埋纤维素和 半纤维素的木质素鞘的作用。
根据本发明提供的方法，可以通过各种方式获得含水量为30-60重量％ 的含纤维素的原料。对于含水量存在差异的不同批次含纤维素的原料，可以 进行不同的处理，比如对于含水量高的秸秆原料，可以45-9(TC烘干部分水 分，使之含水量降低到30-60重量％;对于含水量低的秸秆原料，可以采用 控制水浸时间的方法，增加秸秆原料的含水量到30-60重量％;对于含水量 正好在到30-60重量％的秸秆原料，可以直接进行蒸汽爆破。优选所述用于 蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为35-50重量％。除非特殊说明，本发 明所述含纤维素的原料的含水量均是指含纤维素原料的初始重量Wl与在 70-10(TC下烘干至恒重的含纤维素原料的干计重量W2之差，与含纤维素原 料的初始重量W1的重量百分比，即含水量(重量％) = (Wl-W2) /W1X 100%。
根据本发明所述用含纤维素的原料制备乙醇的方法，可以采用现有技术 常规的蒸汽爆破条件完成对含纤维素的原料的蒸汽爆破，例如，所述蒸汽爆 破的温度可以为180-200°C，所述蒸汽爆破的压力可以为1.4-2.0兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间可以为3-7分钟。更优选所述蒸汽爆破的温度为
185-195°C，所述蒸汽爆破的压力为1.5-1.6兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持 时间为4-5分钟。在上述蒸汽爆破条件下都能充分破坏秸秆包埋纤维素和半 纤维素的木质素鞘，实现本发明的目的。
所述酶解步骤可以通过本领域常用的方法完成，比如向蒸汽爆破产物中 添加产酶微生物和/或酶，在产酶微生物的生长温度和/或酶有活力的温度下 保温完成。所述产酶微生物为能够分泌纤维素酶的产酶微生物。所述酶包括 纤维素酶。
由于微生物生长会产生副产物，因此优选直接加入酶，所述酶的用量越 多越好，出于成本考虑，优选以每克含纤维素的原料的干重计，所述纤维素 酶的用量为8-20酶活力单位，更优选以每克含纤维素的原料的干重计，10-15 酶活力单位。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
(National Renewable Energy Laboratory, NREL)提供的标准方法-纤维
素酶活力测定NRELLAP-006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，1分钟内转化1克Whatman No. 1滤纸为葡萄糖所 需酶的微克数。所述酶解的温度可以为纤维素酶的任何最适作用温度， 一般 为45-55'C，更优选48-52"C。所述酶解的时间理论上越长越好，考虑到设备 利用率，优选所述酶解的时间为25-48小时，更优选为30-40小时。所述酶 解的pH值可以为纤维素酶的任何最适作用pH， 一般为3.0-7.0，更优选pH 值为4.5-5.5。由于酶解过程中pH值的波动不大，因此所述酶解的pH值可 以按照本领域常用的方法在加入酶之前进行调节，例如先将蒸汽爆破产物与 水或培养基(加酶一般与水混合，加入产酶微生物一般与该微生物的培养基) 混合， 一般使所得混合物的固含量为50-70重量％，根据所得混合物的pH 值，用硫酸溶液或氢氧化钠将待酶解的混合物pH调节至3.0-7.0，更优选调 节至pH值为4.5-5.5。所述纤维素酶为复合酶，至少包括Q型纤维素酶、Cx型纤维素酶和纤 维二糖酶三种酶。
Q酶可以使结晶的纤维素转变为非结晶的纤维素。
Cx型纤维素酶又分为Cx,型纤维素酶和Cx2型纤维素酶两种。Cx,型纤
维素酶为内切型纤维素酶，可以从水合非结晶纤维素分子内部作用于3-1,4-
糖苷键，生成纤维糊精和纤维二糖。Cx2型纤维素酶是一种外切型纤维素酶， 可以从水合非纤维素分子的非还原端作用于P -1，4-糖苷键，逐一切断f3 -1，4-
糖苷键生成葡萄糖。
纤维二糖酶则作用于纤维二糖，使纤维二糖酶解生成葡萄糖。 优选所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶。因为半纤维素酶将半纤维素 降解成为溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纤维素酶， 一方面可以更 充分地暴露纤维素，增加纤维素与纤维素酶的接触几率，另一方面半纤维素 降解产物木糖能够被树干毕赤酵母发酵生成乙醇，两方面作用都可以增加乙
醇产率。以每克含纤维素的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8 酶活力单位。
本发明所述半纤维素酶的酶活力单位(U)为在5(TC、 pl^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。
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
准确称取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩尔/升乙酸一乙酸 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；
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；
将木糖8crc烘干至恒重，准确称取i.ooo克溶于iooo毫升水中，加io
毫克叠氮化钠防腐，得到1毫克/毫升的标准木糖溶液；
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/升乙酸一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；
分别将在5(TC水浴加热60分钟的2毫升木糖梯度标准溶液(0.1毫克/ 毫升、0.2毫克/毫升、0.3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^x+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；
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
半纤维素酶的活力=1——-U/克(或者毫升)
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，n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 0.2毫升进行测试)。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。
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，由于 酿酒酵母是酿酒工业上普遍应用的耐酒精、副产物少、乙醇产率高的发酵己 糖的微生物；树干毕赤酵母为既可以发酵戊糖也可以发酵己糖的微生物(参 见"树干毕赤酵母连续发酵戊糖己糖生成酒精"，季更生等，南京林业大学
学报自然科学版，第28巻第3期，第9-13页，2004年)，因此优选所述发 酵所使用的酵母为树干毕赤酵母和/和酿酒酵母。以每克酶解产物计，所述发 酵所使用的酵母的接种量为103-108菌落形成单位，更优选104-106菌落形成 单位。本发明发酵所使用的酵母可以为商购酵母固体制剂(比如干酵母粉) 或酵母菌种(比如ATCC编号2601的啤酒酵母)。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。亚甲基蓝 染色活菌计数法的具体方法如下
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毫升，加入0.5毫升0.1重量％亚甲基蓝，在35。C下保温30分 钟。在IO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。
所述酵母可以采用常规的方法接种，例如向酶解产物中加入5-15体积％ 的种子液。所述种子液可以为干酵母的水溶液或培养基溶液，也可以为干酵 母或商购菌种的活化种子液。所述发酵的温度可以为任何适于酵母生长的温 度，优选为30-36"C，更优选为32-35r。所述发酵的时间可以为从接种开始 至酵母生长的衰亡期出现(即发酵时间为迟滞期、对数期加上稳定期)的时 间，优选发酵的时间为32-48小时，更优选32-40小时。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、除水。
另外，蒸汽爆破的压力和温度可以灭菌，为防止在酶解过程中杂菌(主 要是细菌)污染产生影响酶活力的毒素，并防止在发酵过程中杂菌污染影响 酵母的生长，优选在酶解之前加入诸如工业青霉素的细菌抗生素，所述抗生 素对酵母没有作用但可以抑制杂菌的生长。以每毫升酶解液或发酵液为基 准，所述抗生素的加入量为1-10单位。所述酶解液包括蒸汽爆破产物、酶 以及水，所述发酵液包括酶解产物和接种的酵母。
由于在蒸汽爆破的高温高压条件下，含纤维素的原料会产生诸如糠醛、 呋喃之类的抑制物，所述抑制物会降低酶的活力和发酵菌的活性，因此所述 方法还包括在蒸汽爆破含纤维素的原料之后，酶解得到的蒸汽爆破产物之 前，水洗所述蒸汽爆破产物。所述水洗是将蒸汽爆破产物与水混合，搅拌， 然后离心分离蒸汽爆破产物，由于上述抑制物易溶解在水中，从而通过水洗 可以从蒸汽爆破产物中除去抑制物。所述水洗的温度越高，能够溶解的抑制
物越多，考虑到能耗，优选所述水洗的温度为60-9(TC，更优选为60-8(TC。 由于水洗所加入的水越多，则溶解掉的抑制物也越多，但是考虑到离心分离 的能耗，优选以每克所述含纤维素的干重计，所述水洗的加水量为2-10克， 更优选以每克含纤维素的原料的干重计，所述水洗的加水量为2-3克。
由于含纤维素的原料如玉米秸秆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，因此本发明制备乙醇的方法，可以包括现有的除 石除铁常规操作，比如以"风送"含纤维素的原料并磁铁吸引的方法进行除 石除铁。沙石由于质量大，不能被风送到蒸汽爆破设备中，铁杂质由于磁铁 的吸引也不会随原料进入蒸汽爆破设备中，从而可以完成除石除铁。此外， 由于含纤维素的原料本身容易纠结而堵塞设备管路，因此优选所述含纤维素 的原料的大小为0.5-3厘米X0.2-1厘米X0.2-1厘米，更优选所述含纤维素的 原料的大小为1-2厘米X0.4-0.6厘米X 0.5-1厘米。下面结合实施例对本发明进行更详细的说明。 实施例1
本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。 (1)蒸汽爆破
测试如图1所示的玉米秸秆原料，按照上述的方法测得玉米秸秆的含水
量为20重量％，将原料切成1.5厘米X0.2厘米X0.5厘米的小段，用立式浸 渍器(山东汶瑞机械有限公司)与重量为所述玉米秸秆原料重量的三分之一 的水混合后，可得含水量40重量％的玉米秸秆。取1000克含水量为40重 量％的玉米秸秆，在195。C下以1.6兆帕的压力维持5分钟，然后泄压，完 成蒸汽爆破。将所得蒸汽爆破产物与7(TC的水按照重量比1: 3搅拌混合30 分钟，然后用LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在 900转/分钟转速下进行固液分离，共得到2000克固体蒸汽爆破产物(含水 量为70重量％)。
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 取5克所述水洗后的蒸汽爆破产物在45。C下烘干至恒重1.5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IOO毫升干燥三角烧 瓶内。向所述三角烧瓶加入3.00毫升浓度为72重量％的硫酸溶液，搅拌l 分钟。然后将三角烧瓶在3(TC水浴中加热60分钟，每隔5分钟用搅拌一次 以确保均匀水解。水浴结束后，用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量％。 用布氏漏斗过滤所述稀释后的蒸汽爆破产物酸水解液，共得到滤液84毫升。 将20毫升滤液转移至干燥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。0.2微米滤膜过滤收集的上 层清液，所得上层清液的滤液用Biorad Aminex 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 1.62毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破产物酸水解能得到重量 为0.136克的葡萄糖，因为浓度为72重量。Z的硫酸溶液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克所述水洗后的蒸汽爆破产物中含纤维素0.122 克，则2000克蒸汽爆破产物中共含纤维素245克。HPLC分析得到蒸汽爆 破产物酸水解液中木糖浓度为0.38毫克/毫升，计算可得1克所述水洗后的 蒸汽爆破产物酸水解能得到重量为0.0319克的木糖，因为浓度为72重量。％ 的硫酸溶液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0.028克，则2000克蒸汽爆破产物中共含半纤维素56克。
(2) 酶解
将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，与1000克水混合， 调节pH值至5.0，加热至5(TC后，以每克秸秆的干重计，加入20酶活力单 位的纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司)，并在5(TC下保温40小时。将酶 解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干燥的50毫升三角瓶中，静 置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照步骤(1) 所述高效液相条件，测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共248克。所述酶解 得到的葡萄糖重量除以Ul，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共 223.4克，按照下式计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表l。
纤维素转化率=100%><被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量
单糖产率400。/。X酶解得到的葡萄糖重量/秸秆干重
(3) 发酵
14使酶解产物的温度降至35"C，以每克酶解产物计，接种为105菌落形成 单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)，
所得混合物在35"C下于发酵罐中搅拌培养40小时。在IO(TC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129克，按照下式计算乙 醇产率，计算结果见表l。
乙醇产率-100。/。X乙醇重量/秸秆干重
对比例1
本对比例说明现有技术用含纤维素的原料制备乙醇的方法。 按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是按照文献"对植物秸秆酒精生 产工艺的介绍"(张学峰、兰玉成，酿酒，第29巻第4期，第37-38页，2002 年7月)所公开的方法，将秸秆原料在蒸汽爆破前先用水浸泡40分钟，测 得浸泡后的玉米秸秆原料的含水量达到83重量％，结果见表1。
对比例2
按照实施例1的方法制备乙醇，不同的是用含水量为20重量％玉米秸 秆直接进行蒸汽爆破，结果见表l。
电镜观察结果
用JSM-35CF扫描电镜放大1000倍观察对比例1、对比例2和实施例1 的蒸汽爆破产物，结果分别如图2、图3和图4所示。从图2可以看出，由 于秸秆原料内部没有水分可以气化成水蒸汽，因此蒸汽爆破不能由内向外充 分破坏秸秆原料；从图3可以看出，对比例1玉米秸秆蒸汽爆破的效果并不 好，纤维素仍然呈束状，并且纤维素表面残留有木质素鞘；而如图4所示的 实施例1的蒸汽爆破效果很好，可以看到游离的纤维素。实施例2
本实施例说明用含纤维素的原料本发明制备乙醇的方法。
(1) 蒸汽爆破
取1000克含水量为50重量％的玉米秸秆，切成1.3厘米X0.4厘米X0.8 厘米的小段，在1卯"C下以1.8兆帕的压力维持4分钟，然后泄压，完成蒸 汽爆破，共得到1200克蒸汽爆破产物(含水量为60重量％)。
按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得 1200克蒸汽爆破产物中共含纤维素210克，半纤维素60克。
(2) 酶解
将步骤(1)取样测试后剩余的蒸汽爆破产物，与400克水混合，调节 pH值至6.0，加热至55"后，以每克秸秆的千重计，加入15酶活力单位的 纤维素酶，并在55。C下保温30小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20 毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2 微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件， 测定并计算出酶解产物中的葡萄糖共198.1克。所述酶解得到的葡萄糖重量 除以l.ll，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共178.5克，按照下式
计算纤维素转化率和单糖产率，计算结果见表l。
纤维素转化率400。/。X被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量 单糖产率-100。/。X酶解得到的葡萄糖重量/秸秆干重
(3) 发酵
使酶解产物的温度降至32"C，以每克酶解产物计，接种为106菌落形成 单位的酿酒酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公司)， 所得混合物在32。C下于发酵罐中搅拌培养35小时。在IO(TC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103克，按照下式计算乙 醇产率，计算结果见表l。
乙醇产率=100%乂乙醇重量/秸秆千重实施例3
本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。
(1) 蒸汽爆破
取1000克含水量为35重量％的玉米秸秆，切成1.2厘米X0.4厘米X0.7 厘米的小段，在200。C下以1.7兆帕的压力维持6分钟，然后泄压，完成蒸 汽爆破。将所得蒸汽爆破产物与75。C的水按照重量比1: 2.5搅拌混合50分 钟，然后用离心泵LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司) 在900转/分钟转速下进行固液分离，共得到2000克固体蒸汽爆破产物(含 水量为70重量％)。
按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得 2000克蒸汽爆破产物中共含纤维素260克，半纤维素78克。
(2) 酶解
将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，与1000克水混合， 调节pH值至4.0，加热至45。C后，以每克秸秆的干重计，加入18酶活力单 位的纤维素酶和8.0酶活力单位的半纤维素酶(北京化学试剂公司)，并在 45。C下保温35小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至干 燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集 的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶 解产物中的葡萄糖共256.6克，木糖共62.5克。所述酶解得到的葡萄糖重量 除以l.ll，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共231.1克，所述酶解 得到的木糖重量除以1.14，即蒸汽爆破产物中被酶解的半纤维素的重量共 54.8克，按照下式计算纤维素转化率、半纤维素转化率和单糖产率，计算结 果见表1。
纤维素转化率=100%乂被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量
半纤维素转化率^ooy。x被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量
单糖产率-100。/。X (酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/秸秆干重
(3)发酵
使酶解产物的温度降至33。C，以每克酶解产物计，接种为105菌落形成 单位的酿酒酵母(ATCC编号2601)和103菌落形成单位的树干毕赤酵母 (ATCC编号58376)，在33"下于发酵罐中搅拌培养39小时。在IO(TC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163.2克，按 照下式计算乙醇产率，计算结果见表l。 乙醇产率-100。/。X乙醇重量/秸秆干重
实施例4
本实施例说明本发明用含纤维素的原料制备乙醇的方法。
(1) 蒸汽爆破
取1000克含水量为55重量％的玉米秸秆，切成2.0厘米X0.6厘米X0.8 厘米的小段，在19(TC下以1.55兆帕的压力维持7分钟，然后泄压，完成蒸 汽爆破。将所得蒸汽爆破产物与65"C的水按照质量比1:2搅拌混合40分钟， 然后用离心泵LW400型卧螺离心机(张家港华大离心机制造有限公司)在 900转/分钟转速下进行固液分离，共得到1800克固体蒸汽爆破产物(含水 量为78重量％)。
按照实施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破产物的方法，测得 1800克蒸汽爆破产物中共含纤维素184.5克，半纤维素56.2克。
(2) 酶解
将步骤(1)取样测试后剩余的水洗蒸汽爆破产物，与800克水混合， 调节pH值至3.5，加热至5(TC后，以每克秸秆的干重计，加入10酶活力单 位的纤维素酶和4.5酶活力单位的半纤维素酶(北京化学试剂公司)，并在 5(TC下保温48小时。将酶解产物用布氏漏斗过滤，将20毫升滤液转移至千 燥50毫升的三角瓶中，静置5小时，收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液，按照实施例1步骤(1)所述高效液相条件，测定并计算出酶
解产物中的葡萄糖共178.8克，木糖共45.2克。所述酶解得到的葡萄糖重量 除以l.ll，即蒸汽爆破产物中被酶解的纤维素的重量共161.1克，所述酶解 得到的木糖重量除以1.14，即蒸汽爆破产物中被酶解的半纤维素的重量共 39.6克，按照下式计算纤维素转化率、半纤维素转化率和单糖产率，计算结 果见表1。
纤维素转化率400。/。X被酶解的纤维素的重量/纤维素的总重量 半纤维素转化率400n/。X被酶解的半纤维素的重量/半纤维素的总重量 单糖产率-100。/。X (酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/秸
秆干重
(3)发酵
使酶解产物的温度降至34i:，以每克酶解产物计，接种为104菌落形成 单位的酿酒酵母和104菌落形成单位的树干毕赤酵母，在34。C下于发酵罐中 搅拌培养37小时。在IO(TC蒸馏所得发酵产物，所得蒸馏馏分在7S.3"C下二 次蒸馏可得乙醇112.1克，按照下式计算乙醇产率，计算结果见表l。
乙醇产率=100%乂乙醇重量/秸秆干重
表l
实施例或对比例实施例1对比例l对比例2实施例2实施例3实施例4
纤维素转化率(％)91.276.174.585.088.987.3
半纤维素转化率(％)----70.370.5
单糖产率(％)41.334.533.839.649.1 (葡萄 糖39.5 木糖9.6)49.7 (葡萄 糖39.7 木糖10.0)
乙醇产率(0/0)21.518.217.220.625.124.9
从表l可以看出，本发明实施例的方法纤维素转化率、单糖产率以及乙
醇产率与对比例1及对比例2的方法相比都有明显提高。
19
权利要求
1、一种采用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，酶解得到的蒸汽爆破产物，发酵得到的酶解产物，其特征在于，所述含纤维素的原料的含水量为30-60重量％。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的含水量 为35-50重量％。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述蒸汽爆破的温度为180-200 °C，所述蒸汽爆破的压力为1.4-2.0兆帕，所述蒸汽爆破压力的维持时间为 3-7分钟。
4、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纤维素 酶，以每克含纤维素的原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力 单位；所述酶解的温度为45-55°C，所述酶解的时间为25-48小时，所述酶 解的pH值为3.0-7.0。
5、 根据权利要求4所述的方法，其中，所述酶解使用的酶还包括半纤 维素酶，以每克含纤维素的原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8 酶活力单位。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述发酵所使用的酵母为树干 毕赤酵母和/和酿酒酵母；以每克酶解产物计，所述发酵所使用的酵母的接种 量为103-108菌落形成单位，所述发酵的温度为30-36°C，发酵的时间为32-48 小时。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述含纤维素的原料的大小为0.2-3厘米X0.2-1厘米X0.2-1厘米。
8、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述含纤维素的原料为秸秆。
全文摘要
一种采用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，酶解得到的蒸汽爆破产物，发酵得到的酶解产物，其中，所述含纤维素的原料的含水量为30-60重量％。根据本发明的用含纤维素的原料制备乙醇的方法，严格控制用于蒸汽爆破的含纤维素的原料的含水量为30-60重量％，可以保证在蒸汽爆破条件下使含纤维素的原料内部的水气化成水蒸汽，在泄压时水蒸气由含纤维素的原料内部冲出，充分破坏含纤维素的原料包埋纤维素和半纤维素的木质素鞘，从而增加了含纤维素的原料中能与酶接触的纤维素比例，最终可以提高乙醇的产率。
文档编号C12P7/10GK101289678SQ20071009840
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月17日 优先权日2007年4月17日
发明者于天杨, 刘甲申, 岳国君, 林海龙, 王国忠, 袁敬伟, 解成华 申请人:中粮集团有限公司;诺维信公司