专利名称：一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法
技术领域：
本发明涉及燃料乙醇的制备工艺，具体涉及一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法。
背景技术：
随着全球资源、能源、环境问题的突出和全球气候变暖趋势的加强，寻找清洁、可再生能源成为人类的必由之路，其中燃料乙醇凭借独特的优势成为首选。由于粮食乙醇的发展受到土地、农业生产、粮食供给和社会经济等各方面的制约，利用丰富的木材、禾草等植物纤维原料，尤其是廉价的农林废弃物经生物转化制取燃料乙醇，即纤维素乙醇，成为解决能源和环境问题的有效途径之一，是当前世界各国研究和开发的热点。
作为人均石油资源相对匮乏的发展中国家，我国对纤维素乙醇的需要更为迫切。我国汽油年消耗量已超过6000万吨，按照10%的添加配额需要燃料乙醇600万吨以上，而现有产能仅100余万吨，市场缺口较大；根据《可再生能源中长期发展规划》，至2020年我国可再生能源开发量在能源供应结构中的比重将提高到15%左右，其中燃料乙醇的年需要量达到2000万吨，且新增产能主要来源于纤维素乙醇。由此可见，我国纤维素乙醇的市场需求巨大，发展纤维素乙醇产业十分紧迫。与此同时，我国具有丰富的植物纤维原料，其中仅农作物秸杆的年产量就达7亿吨，并且产地相对集中，易于收集和运输。利用廉价的农林废弃物制取燃料乙醇，不仅可以变废为宝，代替粮食生产清洁燃料，为解决农村秸杆焚烧所造成的环境污染提供一条新的途径，更为重要的是能够构建出一条基于农林废弃物高值生物利用的新型产业链，为优化我国能源结构、发展农村经济、提高农民收入和促进经济的可持续发展提供技术支撑。因此，研究开发基于植物纤维原料，尤其是廉价农作物秸杆原料的纤维素乙醇生产技术具有重大的理论指导和现实意义。天然植物纤维原料中，可利用的糖类物质主要是纤维素和半纤维素，它们和木质素之间相互粘合形成紧密的交联结构，必须经过适当的预处理和酶水解后它们可被转化成可发酵性的包括己糖和戊糖在内的单糖，单糖再经酵母发酵即可生成乙醇。原料预处理、纤维素酶水解和水解糖液的高效乙醇发酵是制备纤维素乙醇的三个关键工艺步骤。植物纤维原料的预处理方法主要有物理法、化学法、生物法及联合法，其中化学法是目前最接近产业化的预处理方法。化学法是利用酸、碱、有机溶液或其它试剂对植物纤维原料进行处理，以除去部分半纤维素和木质素，进而破坏纤维素的结晶结构以增加纤维素的孔隙度及比表面积，提高纤维素酶的可及度和酶解得率。现有的酸、碱和有机溶剂等预处理工艺仍然未能摆脱高化学品消耗和高能耗的弊端，废水处理的压力大。植物纤维原料中纤维素和半纤维素经预处理和酶水解后可转变成以葡萄糖和戊糖为主的单糖类。戊糖是植物纤维原料第二大糖类物质，尤其是在农作物秸杆中木聚糖占可利用糖类的25 30%，所产乙醇可占原料总糖所产乙醇的25%左右，因此木糖的高效乙醇发酵是提高植物纤维原料利用效率、降低纤维素乙醇生产成本的关键环节之一。自然界能够发酵葡萄糖产乙醇的微生物菌种较多，其中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)对高浓度糖和乙醇的耐受能力强，工业生产技术十分成熟，但由于它们缺乏戊糖的相关代谢途径，所以不能直接利用戊糖。与之相比，仅有少数几个天然菌种能够发酵戊糖产乙醇，如休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)和毕赤树干酵母(Pichia stipitis)等,但是这些菌种发酵戊糖都需要精确的限制性供氧措施，并且对戊糖的利用受葡萄糖的强烈抑制，对高糖、抑制物和乙醇的耐受能力也较差，因而在工业化生产中的调控难度大，乙醇产率低，生产成本高，还难以投入大规模商业化发酵。目前研究较多的混合糖液发酵技术主要包括以下几种
I、己糖戍糖共发酵。具体过程为预处理的植物纤维原料在底物浓度5-15% (w/v)下进行酶水解，水解结束后固液分离，上清糖液直接或浓缩到一定糖浓度，同时利用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和毕赤树干酵母(Pichia stipitis)或单独利用树干毕赤酵母进行发酵制取乙醇。该法的理由是去除了酶解残渣洗涤和戊糖发酵之前的乙醇蒸馏过程，降低了工艺的复杂性。但该法存在以下缺点(1)酿酒酵母能耐受70-110g/L的乙醇，而树干毕赤酵母只能耐受30-35g/L的乙醇。乙醇耐受性的不一致大大限制了酵母能利用的总糖浓。(2)树干毕赤酵母总是先利用葡萄糖，再利用木糖，葡萄糖利用速率和乙醇得率 低于酿酒酵母，利用木糖的速率和乙醇得率则更低。(3)树干毕赤酵母不能完全利用木糖，在残余木糖浓度为10g/L左右开始利用乙醇。2、此外，还可以利用基因工程对酿酒酵母进行基因改造，使之能同时发酵己糖和戊糖，然而基因工程菌对植物纤维原料酶解液的发酵效果不稳定，并受抑制物抑制作用明显。
发明内容
发明目的针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，通过绿液预处理植物纤维原料，在低底物浓度下进行高效水解，水解结束固液分离后清液浓缩到较高糖浓度进行己糖戊糖顺序发酵的工艺，以期实现用已有的成熟工艺和设备回收化学药品、热能，又减少了对环境的污染，低底物浓度酶水解和顺序发酵保证了酶解和己糖、戊糖发酵的高效进行，减少原料成本，实现了乙醇的清洁生产。技术方案为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下
一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，先用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理；然后在底物w/v浓度为5-15%下，用纤维素酶批式水解48-72h ;水解结束后水解物固液分离，将获得的清液浓缩至糖液中葡萄糖浓度100-200g/L，浓缩糖液由酿酒酵母将己糖转化为乙醇，蒸馏制取乙醇的醪液再由树干毕赤酵母将戊糖转化为乙醇。具体步骤如下
(1)用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理，碱用量8%，处理温度140°C，保温时间lh，硫化度40%，经处理的植物纤维原料用水洗涤；
(2)将绿液预处理的植物纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物w/v浓度5-15%，控制pH值在4. 0-6. O,反应体系中纤维素酶用量为8_15FPIU/g绿液预处理植物纤维原料，于45-55 °C条件下酶解反应48-72h ；
(3)酶水解反应结束后将水解物离心固液分离，清液经减压蒸发浓缩至糖液中葡萄糖浓度为100-200g/L，浓缩糖液中添加适量营养盐后，用酿酒酵母于28-35°C条件下厌氧发酵12-48h，将己糖转化为乙醇，减压蒸馏制取乙醇；再用树干毕赤酵母于28-35°C条件下限制性供氧发酵醪液24-80h，将戊糖转化为乙醇。所述的纤维素酶是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。所述的底物w/v浓度优选为5%。预处理指以提高纤维质原料中纤维素对纤维素酶的可及度所采用的物理、化学、生物或以上几种方法联合应用的方法。绿液，指由硫酸盐法制浆碱回收系统中回收的熔融物溶解在水中所成的药液。主要成分是碳酸钠和硫化钠，可用石灰苛化，回收氢氧化钠。因成分中有少量的氢氧化铁，呈绿色，故称为绿液。相对于其它的预处理方法，用绿液预处理的方法，尤其是用制浆过程回收的绿液来预处理植物纤维原料具有以下的优点(1)预处理采用的基本工艺及设备在造 纸工业上均已成熟应用，可降低投资和运行风险。(2)预处理产生的废液经蒸发浓缩后可与酶解残渣一起燃烧回收热能和碱，整个预处理过程没有废液排放，没有污染。(3)相对缓和的条件不仅可减少预处理过程中聚糖的溶出，同时可以回避碱回收过程中的苛化工段，无白泥的二次污染。(4)绿液预处理对原料的要求比较低，农作物秸杆包括叶、髓等可全杆利用，提高了原料的利用率。有益效果与现有技术相比，本发明突出的优点包括(1)直接利用绿液为碱源，并在较低的碱用量(8%)下进行预处理，减少了对化学药品用量的要求，并保证了较高的聚糖回收率，同时也高效利用了制浆废液，降低制备乙醇成本。(2)在低酶用量下(8-15FPIU/g处理后绝干原料)进行酶水解，得到了较高的酶解得率，降低了酶的成本。(3)顺序发酵兼顾了高浓度己糖发酵(100-200g/L葡萄糖)和戊糖发酵(30-100g/L木糖)，清液浓缩后的高浓度己糖发酵在工业规模上无需搅拌，其获得的高乙醇浓度的醪液可降低后续乙醇蒸馏的蒸汽消耗，并且己糖发酵的高乙醇得率保证了高的吨植物纤维原料的乙醇产量；后续的戊糖发酵进一步提高了乙醇产量，降低了原料成本。(4)碱性预处理植物纤维原料制取乙醇各关键技术点(预处理、酶解和己糖发酵、戊糖发酵)的高效进行保证了高的吨植物纤维原料的乙醇产量，降低了吨乙醇的原料成本，使得整个碱性预处理植物纤维原料制取乙醇的工艺更经济可行，更适应工业化和环保的需要。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。以下实施例中，葡萄糖浓度、木糖浓度、纤维二糖浓度以及乙醇浓度均采用高效液相色谱法(HPLC)测定。色谱条件如下色谱仪:Agillentll(K)高效液相色谱仪；色谱柱Bio-Rad Aminex HPX-87H ;流动相0. 005mol/L 硫酸,流速0. 6mL/min ;柱温55°C ;检测器示差折光检测器；进样量10 μ L。外标法测定。实施例I玉米秸杆的预处理
玉米稻杆粉碎至2-5cm,用碱量8% (w/w),硫化度40%,固液比为1:6 (w/v),在60°C下空转O. 5h后，将温度升高至140°C，保温lh。绿液预处理的玉米秸杆用水洗去残余化学药品，磨浆、挤干物料，作为后续酶水解的底物。分析底物的水分、纤维素含量，并计算总回收率和聚糖回收率。结果表明，IOOOg绝干玉米秸杆经绿液预处理、洗涤、挤干后水分含量76. 90%,葡聚糖含量55. 39% (干基)，木聚糖含量25. 43%，绿液预处理总回收率为63. 31%，葡聚糖回收率为91. 95%，木聚糖回收率为63. 42%，实现了聚糖的有效回收。实施例2底物浓度对玉米秸杆纤维素酶水解的影响
分别称取实施例I的绿液预处理玉米秸杆5. 41、10. 82、16. 23,21. 65,27. 06,32. 47g
(绝干重分别为I. 25,2. 50,3. 75,5. 00,6. 25,7. 50g)于6个250mL三角瓶中，在每个三角
瓶中加入lmol/L柠檬酸缓冲液2. 5mL、按纤维素酶用量为13. 94FPIU/g绿液预处理玉米
秸杆(25FPIU/g葡聚糖，纤维素酶β-葡萄糖苷酶木聚糖酶=1:1. 15:6.61)分别在每
个三角瓶中加入相应的酶，在每个三角瓶中添加适量的蒸馏水使酶解体系中水分总体积
为50mL，用玻棒将反应体系充分混匀后盖上盖子，于150转/分、50°C的恒温摇床中酶解
48h。水解结束后，分别将水解物用离心机于4000转/分条件下离心lOmin，取上清液测定
其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，并计算酶水解得率。其中，葡聚糖酶解得率(％)=(水
解液中葡萄糖浓度g/LXO. 9+水解液中纤维二糖浓度g/LXO. 95) X0. 05+ (底物绝干重
gXO. 5539) X 100% ;木聚糖酶解得率(％)=水解液中木糖浓度g/LX0. 88X0. 05+ (底物绝
干重gXO. 2543)X 100%。式中0. 9为葡萄糖与葡聚糖的转换系数；0. 95为纤维二糖与葡
聚糖的转换系数；0. 88为木糖和木聚糖的转换系数；0. 05为水解糖液体积，L ；0. 5539为
原料中葡聚糖含量，% ;0. 2543为原料中木聚糖含量，% ；
表I底物浓度对玉米秸杆纤维素酶水解得率的影响
权利要求
1.一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，具体步骤如下(1)用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理，碱用量8%，处理温度140°C，保温时间lh，硫化度40%，经绿液预处理的植物纤维原料用水洗涤、磨浆、过滤；(2)将绿液预处理的植物纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物w/v浓度5-15%，控制pH值在4. 0-6. O,反应体系中纤维素酶用量为8_15FPIU/g绿液预处理植物纤维原料，于45-55 °C条件下酶解反应48-72h ；(3)酶水解反应结束后将水解物离心固液分离，清液经减压蒸发浓缩至糖液中葡萄糖浓度为100-200g/L，浓缩糖液中添加适量营养盐后，用酿酒酵母于28-35°C条件下厌氧发酵12-48h，将己糖转化为乙醇，减压蒸馏出乙醇；再用树干毕赤酵母于28-35°C条件下限制性供氧发酵醪液24-80h，将戊糖转化为乙醇。
2.根据权利要求I所述的碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于所述的纤维素酶是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。
3.根据权利要求I所述的碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于所述的底物w/v浓度为5%。
全文摘要
本发明公开了一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，先用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理；然后在底物w/v浓度为5-15%下，用纤维素酶批式水解48-72h；水解结束后水解物固液分离，将获得的清液浓缩至糖液中葡萄糖浓度100-200g/L，浓缩糖液由酿酒酵母将己糖转化为乙醇，蒸馏去除乙醇的醪液再由树干毕赤酵母将戊糖转化为乙醇。该法实现了用纸浆工艺已有的成熟工艺和设备回收化学药品、热能，减少了化学品的消耗和热能的损失，降低对环境的污染，实现了乙醇的清洁生产；低底物浓度酶水解和顺序发酵分别保证了酶解和己糖、戊糖发酵的高效进行，尤其将戊糖发酵的进行，提高了吨植物纤维原料的乙醇产量，降低了吨乙醇的原料成本。
文档编号C12R1/865GK102827883SQ20121034023
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者勇强, 余世袁, 储秋露, 杨德良, 黄阳, 徐勇, 朱均均, 李鑫 申请人:南京林业大学