专利名称:一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法
技术领域:
本发明属于生物化工技术领域,涉及一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁 醇和乙醇的方法。
背景技术:
农作物秸杆是阳光光合作用的产物,是大宗的可再生资源,仅我国每年就
收获大约8亿吨,除一小部分用作饲料外,其余大部分都被白白浪费掉了。随 着技术的发展进步,开发了利用秸秆生产木糖、木糖醇的技术,为秸秆的重新 利用开辟了一条新途径。但是在利用秸秆生产木糖、木糖醇的技术中还存在着 一些缺点,秸秆经过酸水解、过滤后的液态部分用于生产木糖,但是过滤后的 木糖渣则没有被充分地利用,有部分被用于制备乙醇,但并没有实现秸秆利用 的最大化,还是存在一定资源上的浪费。
丙酮和丁醇广泛用于有机合成塑料、树脂、油漆、医药和国防工业。丙酮 可作为油漆、电影胶片、塑料、石油精炼脱蜡、植物油萃取、制药的溶剂和有 机合成化学工业的原料。丁醇除可用作溶剂外还是一种潜在的大综动力燃料, 它的燃烧值和汽油相当,是汽车用油的替代品。现有的丙酮、丁醇生产工艺有 两种方法, 一种是石化合成法,另一种是生物发酵法。石化合成丙酮、丁醇的 方法原料采用的是日益枯竭的石油资源,随着石油的减少石化合成法也将告终。 生物发酵法生采用的原料为玉米,不但成本太高,同时也给饲料行业带来了竞 争压力。利用玉米生产丙酮、丁醇是直接把玉米筛选、破碎、提胚、糊化、连 消蒸煮等前期处理,再发酵、蒸馏生产丙酮和丁醇。这样利用玉米发酵生产丙
酮和丁醇的方法的成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 实现了资源利用最大化。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案 一种利用秸秆生产木糖联产 丙酮、丁醇和乙醇的方法,秸秆粉碎用热水浸泡后加入稀酸进行水解,过滤分 为木糖水解液和木糖渣,木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓縮和
结晶生产木糖,向木糖渣中加入35 6(TC的热水,木糖渣与热水的重量比为1: 3 6,加入碱性物质调PH值为4 7,再分批加入纤维素酶,每克木糖渣加入 200 600ncu纤维素酶,然后在40 55"C下连续酶解60 120小时;酶解完毕 膜分离过滤分为分解液和滤渣,滤渣返回继续酶解;向分离液中加入氮源类物 质,调整分离液中糖的质量百分比浓度为4 6%,然后在120 15(TC下进行蒸 煮杀菌30 45分钟,冷却至35 4rC后送入发酵罐,接种菌种,在34 39°C 下厌氧发酵36 72小时;发酵液进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇。 所述秸秆粉碎后用60 9(TC热水浸泡1 3小时。
所述稀酸为质量百分比浓度为0. 3 6%的稀硫酸或稀盐酸,稀酸的加入量为 秸秆重量的5 8倍。
所述水解时温度为100 130。C,水解时压力为0. 1 0. 3MPa,水解时间为3 8小时。
所述菌种为丙酮丁醇梭菌、丙酮丁酸杆菌、糖丁酸梭菌或巴氏芽孢梭菌。
所述氮源类物质为硫酸铵、硫酸氢铵、氯化铵、豆粕、棉籽粕、花生粕、 玉米或菜籽粕,氮源类物质的加入量为分解液重量的1 5°/0。
所述碱性物质为氢氧化钙、碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾或氢氧化钾。
所述精馏工序前先进行粗馏。
所述酶解时使用酶解发生器。
所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、向日葵秸秆、稻草、玉米芯、 甘蔗渣、花生壳或棉籽壳中的一种或多种。
本发明所使用的原料是秸秆类物质,秸秆类物质主要是由半纤维素、纤维 素和木质素三种成分组成,半纤维素物质主要组成成分是木聚糖,半纤维素物 质不易被纤维素酶水解,而纤维素主要组成成分是己聚糖,纤维素又不易被稀 酸水解。为了充分地利用纤维素秸秆类物质,本发明先用热水浸泡秸秆,去掉 原料中的果胶和单宁等妨碍水解的物质,然后利用稀酸使半纤维素水解转化为 戊糖,戊糖是生产木糖、木糖醇或糠醛的很好的原料;而在同等条件下半纤维 素酸水解速度是纤维素酸水解速度的100倍,不易被酸水解的纤维素则用少量 的纤维素酶水解生成单糖一葡萄糖,这样不但降低了纤维素酶的用量,也大大 提高了纤维素的利用率,葡萄糖中加入菌种发酵获得丙酮、丁醇和乙醇的混合 物,精馏将混合物分离。本发明利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方 法实现了纤维素秸秆类物质利用的最大化,不但充分地利用秸杆资源,实现了 变废为宝,提高了产品的附加值,实现了其经济价值,同时也为丙酮、丁醇的 生产开辟了新的原料资源和方法,为企业和社会带来了更多的经济效益和社会 效益。
具体实施例方式
实施例i:将玉米芯粉碎后用9crc热水浸泡i小时,然后加入质量百分比
浓度为0. 3%的稀硫酸进行水解,稀硫酸加入量为玉米芯重量的8倍,水解时温 度为IO(TC,水解时压力为0. lMPa,水解时间为8小时,过滤分为木糖水解液 和木糖渣,木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓縮和结晶生产木糖; 向木糖渣中加入35'C的热水,木糖渣与热水的重量比为1: 6,加入氢氧化钙调 PH值为4,再分批加入纤维素酶,每克木糖渣加入200ncu纤维素酶,然后送入 酶解发生器在4(TC下连续酶解120小时;酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤 渣,滤渣返回继续酶解;向分离液中加入硫酸铵,硫酸铵的加入量为分解液重 量的1%,浓縮调整分离液中糖的质量百分比浓度为6%,然后在120。C下进行蒸 煮杀菌45分钟,冷却至35t:后送入发酵罐,接种丙酮丁醇梭菌菌种,在34°C 下厌氧发酵72小时;发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇,丙 酮、丁醇、乙醇的质量比为27: 62.2: 10.1。
实施例2:将玉米秸秆、小麦秸秆和高粱秸秆混合粉碎后用8CTC热水浸泡2 小时,然后加入质量百分比浓度为3%的稀盐酸进行水解,稀盐酸加入量为玉米 秸秆、小麦秸秆和高粱秸秆总重量的7倍,水解时温度为120°C,水解时压力为 0.2MPa,水解时间为5小时,过滤分为木糖水解液和木糖渣,木糖水解液经蒸 发、脱色、过滤、离子交换、浓縮和结晶生产木糖;向木糖渣中加入45。C的热 水,木糖渣与热水的重量比为1: 5.5,加入碳酸钙调PH值为5,再分批加入纤 维素酶,每克木糖渣加入400ncu纤维素酶,然后送入酶解发生器在5CTC下连续 酶解90小时;酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣,滤渣返回继续酶解;向 分离液中加入硫酸氢铵,硫酸氢铵的加入量为分解液重量的3%,浓縮调整分离 液中糖的质量百分比浓度为5%,然后在14(TC下进行蒸煮杀菌40分钟,冷却至 38'C后送入发酵罐,接种糖丁酸梭菌菌种,在37。C下厌氧发酵50小时;发酵液 先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇,丙酮、丁醇、乙醇的质量比为 28: 61: 10.1。
实施例3:将花生壳和棉籽壳混合粉碎后用6(TC热水浸泡3小时,然后加 入质量百分比浓度为6%的稀硫酸进行水解,稀硫酸加入量为花生壳和棉籽壳总 重量的5倍,水解时温度为13(TC,水解时压力为0.3MPa,水解时间为3小时, 过滤分为木糖水解液和木糖渣,木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、 浓縮和结晶生产木糖;向木糖渣中加入6(TC的热水,木糖渣与热水的重量比为 1: 3,加入氢氧化钠调PH值为7,再分批加入纤维素酶,每克木糖渣加入500ncu 纤维素酶,然后送入酶解发生器在55X:下连续酶解60小时;酶解完毕膜分离过
滤分为分解液和滤渣,滤渣返回继续酶解;向分离液中加入玉米,玉米的加入 量为分解液重量的2%,加水调整分离液中糖的质量百分比浓度为4%,然后在150 。C下进行蒸煮杀菌30分钟,冷却至4rc后送入发酵罐,接种丙酮丁醇梭菌菌种, 在39。C下厌氧发酵36小时;发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙 醇,丙酮、丁醇、乙醇的质量比为27.4: 62: 10.1。
实施例4:将甘蔗渣和稻草混合粉碎后用7(TC热水浸泡2. 5小时,然后加 入质量百分比浓度为5%的稀盐酸进行水解,稀盐酸加入量为甘蔗渣和稻草总重 量的6倍,水解时温度为11(TC,水解时压力为0. 15MPa,水解时间为6小时, 过滤分为木糖水解液和木糖渣,木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、 浓縮和结晶生产木糖;向木糖渣中加入5(TC的热水,木糖渣与热水的重量比为 1: 4,加入碳酸钠调PH值为6,再分批加入纤维素酶,每克木糖渣加入600ncu 纤维素酶,然后送入酶解发生器在45-C下连续酶解100小时;酶解完毕膜分离 过滤分为分解液和滤渣,滤渣返回继续酶解;向分离液中加入豆粕,豆粕的加 入量为分解液重量的5%,调整分离液中糖的质量百分比浓度为5%,然后在130 。C下进行蒸煮杀菌35分钟,冷却至4(TC后送入发酵罐,接种巴氏芽孢梭菌菌种, 在38。C下厌氧发酵60小时;发酵液先进行粗馏再进行精馏分出丙酮、丁醇和乙 醇,丙酮、丁醇、乙醇的质量比为28.2: 61: 10。
以上以具体实施例来说明本发明的技术方案,但并非是对本发明的技术方 案的限制,本领域技术人员应该理解,依然可以对发明进行修改或等同替换, 而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换,其均应涵盖在本发明的 保护范围之中。
权利要求
1、一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法,秸秆粉碎用热水浸泡后加入稀酸进行水解,过滤分为木糖水解液和木糖渣,木糖水解液经蒸发、脱色、过滤、离子交换、浓缩和结晶生产木糖,其特征在于向木糖渣中加入35~60℃的热水,木糖渣与热水的重量比为1∶3~6,加入碱性物质调PH值为4~7,再分批加入纤维素酶,每克木糖渣加入200~600ncu纤维素酶,然后在40~55℃下连续酶解60~120小时;酶解完毕膜分离过滤分为分解液和滤渣,滤渣返回继续酶解;向分离液中加入氮源类物质,调整分离液中糖的质量百分比浓度为4~6%,然后在120~150℃下进行蒸煮杀菌30~45分钟,冷却至35~41℃后送入发酵罐,接种菌种,在34~39℃下厌氧发酵36~72小时;发酵液进行精馏分出丙酮、丁醇和乙醇。
2、 如权利要求1所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 其特征在于所述秸秆粉碎后用60 90'C热水浸泡1 3小时。
3、 如权利要求2所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 其特征在于所述稀酸为质量百分比浓度为0.3 6%的稀硫酸或稀盐酸,稀酸的 加入量为秸秆重量的5 8倍。
4、 如权利要求3所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 其特征在于所述水解时温度为100 130°C,水解时压力为0. 1 0. 3MPa,水 解时间为3 8小时。
5、 如权利要求1至4任一项所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙 醇的方法,其特征在于所述菌种为丙酮丁醇梭菌、丙酮丁酸杆菌、糖丁酸梭 菌或巴氏芽孢梭菌。
6、 如权利要求5所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 其特征在于所述氮源类物质为硫酸铵、硫酸氢铵、氯化铵、豆粕、棉籽粕、 花生粕、玉米或菜籽粕,氮源类物质的加入量为分解液重量的1 5%。
7、 如权利要求6所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 其特征在于所述碱性物质为氢氧化钙、碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾或氢氧化钾。
8、 如权利要求7所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法,其特征在于所述精馏工序前先进行粗馏。
9、 如权利要求8所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法, 其特征在于所述酶解时使用酶解发生器。
10、 如权利要求9所述的利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法,其特征在于所述秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、向日葵秸秆、稻草、 玉米芯、甘蔗渣、花生壳或棉籽壳中的一种或多种。
全文摘要
本发明提供一种利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法,秸秆经酸水解后过滤分为木糖水解液和木糖渣,木糖渣经酶解、发酵、精馏制备丙酮、丁醇和乙醇,木糖分解液用于制备木糖;本发明利用秸秆生产木糖联产丙酮、丁醇和乙醇的方法实现了纤维素秸秆类物质利用的最大化,不但充分地利用秸杆资源,实现了变废为宝,提高了产品的附加值,实现了其经济价值,同时也为丙酮、丁醇的生产开辟了新的原料资源和方法,为企业和社会带来了更多的经济效益和社会效益。
文档编号C12P7/10GK101358218SQ200810141418
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月22日 优先权日2008年9月22日
发明者王建设, 王绍鹏 申请人:王建设