一种采用含纤维素原料制备乙醇的方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用含纤维素原料制备乙醇的方法，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合、酶解，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，其特征在于，所述酶解分为连续的多个酶解阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，所述含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物依次连续流入主酶解阶段以后的酶解阶段的酶解罐中进行酶解，酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L。本发明的方法有效地提高了原料的糖转化率和酶解效率，因此大大提高了乙醇的产率并缩短了生产周期。
【专利说明】一种采用含纤维素原料制备乙醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种采用含纤维素原料制备乙醇的方法。
【背景技术】
[0002]现有技术的由含纤维素原料，如秸杆制备乙醇的方法主要包括三个步骤:1、含纤维素原料的预处理，2、纤维素的酶解，3、糖的发酵制乙醇。
[0003]经过预处理后的含纤维素原料中的纤维素裸露出来，在与纤维素酶混合后被纤维素酶水解的反应通常称为酶解反应，又可以称为糖化反应，酶解的主要产物是单糖。纤维素在纤维素酶的作用下能够转化成葡萄糖，半纤维素在半纤维素酶的作用下能够转化成木糖等单糖，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。纤维素的非结晶结构是很容易被打破的，它可以完全降解成葡萄糖，然后由葡萄糖发酵成乙醇。
[0004]在传统的采用含纤维素原料制备乙醇的方法中，酶解步骤通常采用间歇式操作，即将含纤维素原料和酶全部加入到一个酶解罐中并混合均匀，在适当的酶解条件下维持至酶解终点，得到酶解产物。所述传统的间歇式酶解方法的能耗较高，酶的作用效率低，酶解周期长，且设备利用率低，因此会导致采用现有的含纤维素原料制备乙醇得到的乙醇产率较低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有的采用含纤维素原料制备乙醇的方法制备得到的乙醇产率较低的缺陷，提 供一种乙醇产率较高的采用含纤维素原料制备乙醇的方法。
[0006]本发明的发明人发现，现有技术的采用含纤维素原料制备燃料乙醇的方法中，含纤维素原料，如秸杆原料通常是以液浆的形式存在，在将浆液状的全部秸杆原料直接与酶混合时，会使酶浓度降低，使酶活力下降。再者，将经过预处理的秸杆与酶混合酶解的方法通常为将破碎的秸杆颗粒一次全部加入到酶与水的混合液中与酶液混合，进行酶解糖化反应，或者，先将所用反应物料一经预处理的秸杆颗粒于反应罐中与水混合，然后在酶解温度下，将酶直接加入到反应罐中反应。尽管上述混合是在搅拌条件下进行的，但是秸杆颗粒仍然不容易与酶混合均匀。因为，经过预处理后的秸杆粒度变小，颗粒以及碎屑状的秸杆颗粒很容易互相粘连和团聚，因此一次将全部秸杆完全与酶混合，仅有部分秸杆能与酶充分接触，由于秸杆之间的粘连和团聚也会有部分秸杆不能充分与酶接触，即使在搅拌下，也不能完全将秸杆打散。因此，酶解后纤维素转化为糖的转化率低，糖发酵得到的乙醇的产率较低。此外，由于一次将全部秸杆完全与酶混合，秸杆不能充分与酶接触，因此，酶解的周期较长，酶解效率较低，导致糖发酵得到的乙醇的产率较低。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供了一种采用含纤维素原料制备乙醇的方法，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合、酶解，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，其中，所述酶解分为连续的多个酶解阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，所述含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物依次连续流入主酶解阶段以后的酶解阶段的酶解罐中进行酶解，酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L。
[0008]本发明的方法通过将含纤维素原料与酶连续进行混合，使连续加入的含纤维素原料都能与酶混合均匀并充分接触，并且在反应过程中，酶的浓度一直保持在较高的水平，因此，含纤维素原料能与酶充分反应，从而有效地提高了原料的糖转化率和酶解效率，因此大大提高了乙醇的产率并缩短了生产周期。例如，在其它的蒸汽爆破条件都相同的情况下，实施例I的乙醇产率达18.52%，酶解周期为72小时，而对比例I的乙醇产率仅为17.35%,酶解周期为88小时，乙醇产率提高幅度高达6.74%，酶解周期缩短了 16小时以上，并同时提高了设备利用率并降低了综合能耗。
[0009]本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【具体实施方式】
[0010]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。
[0011]按照本发明，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合、酶解，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，其中，所述酶解分为连续的多个酶解阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，所述含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L( 5-10%)，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物依次连续流入主酶解阶段以后的酶解阶段的酶解罐中进行酶解，酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L (10.5%)。其中，该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量指从主酶解阶段的最后一个酶解罐中流出的酶解产物中单糖的含量；酶解终点的酶解产物中单糖的含量指经过主酶解阶段以及后续的酶解阶段后得到的最终的酶解产物中单糖的含量。
[0012]按照本发明，所述主酶解阶段为连续进行酶解的阶段，在该主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，能够保证酶与纤维素原料的充分接触、混合，并保证经过主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖达到一定的浓度，从而利于酶解周期的优化。优选情况下，含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为60-80g/L。
[0013]按照本发明，在主酶解阶段中，所述连续加入的含纤维素原料以及酶的加入量只要保证使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L(5-10%)，更优选为60-80g/L (6.0-8.0%)即可，并且所述含纤维素原料的加入量可以根据生产能力而定，例如，可以为10-300千克/小时。
[0014]按照本发明，所述多阶段包括连续的多个酶解阶段，即，所述多阶段包括依次串联的多个酶解阶段的酶解罐(包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的酶解阶段)，即，所述连续的多个酶解阶段中的每个酶解阶段对应一个酶解罐，对于所述酶解罐的种类和数量没有特别的限制，可以是本领域中常用的各种酶解罐。它们的位置可以在高度相同的一个平面上或者高度不同的平面上，呈梯级式。本发明优选多个酶解罐在一个平面上串联连接。
[0015]按照本发明，所述主酶解阶段优选包括连续进行的2-3个酶解阶段，即，依次包括串联的两个或三个酶解罐；将含纤维素原料连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐中。为了使所述主酶解阶段的酶解进行的更加充分，将酶分别连续加入到主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐和与其串联的第二酶解阶段的酶解罐中，在所述第二酶解罐中加入酶的方式，优选，待第一酶解阶段得到的酶解产物流入第二酶解阶段的酶解罐后再连续向第二酶解阶段的酶解罐中加入酶。
[0016]按照本发明，对于主酶解阶段以后的酶解阶段的数量没有特别的限制，从充分酶解和生产周期的缩短以及设备的利用率等方面综合考虑，优选，所述主酶解阶段以后的酶解阶段包括依次串联的1-3个酶解罐。
[0017]按照本发明，在所述主酶解阶段中，所述串联的多个酶解阶段的酶解罐输送酶解产物的方式多为溢流方式，且每个酶解阶段的酶解程度也与纤维素原料以及酶的流量以及--体积有关。
[0018]具体地，在所述主酶解阶段中，后一酶解阶段的酶解罐的物料入口和与其相邻的前一酶解阶段的酶解罐的物料出口相连通。每个酶解阶段的酶解罐的物料入口可以位于酶解罐的上部，与之对应，每个酶解阶段的物料出口可以位于酶解罐的下部；或者每个酶解阶段的酶解罐的物料入口也可以位于酶解罐的下部，与之对应，每个酶解罐的物料出口也可以位于酶解罐的上部。在所述主酶解解阶段中，从第一酶解阶段的酶解罐的物料入口连续加入含纤维素原料和酶，使含纤维素原料酶解，待第一酶解阶段的酶解产物从酶解罐的物料出口流出进入第二酶解阶段的酶解罐中，将酶连续加入第二酶解阶段的酶解罐中，从而与第一酶解阶段酶解的酶解产物混合，继续酶解，经第二酶解阶段酶解的酶解产物从第二酶解罐的物料出口流出选择性地进入第三酶解阶段的酶解罐中继续充分酶解，而后将酶解产物依次连续流入与之连通的后续酶解阶段的酶解罐中进行连续酶解，直至酶解完成的终点酶解产物从最后一个酶解阶段的酶解罐的物料出口流出。
[0019]此外，由于酶解`产物粘度较大，流动性较差，因此，可以将后一酶解阶段的酶解罐的物料入口设置成比所述前一酶解阶段的酶解罐的物料入口稍低。另外，并可以通过泵送帮助粘稠的酶解产物顺利地流入到下一个酶解罐中。
[0020]所述酶解罐的结构及酶解罐的串联连接方式都是本领域公知的，在此不再赘述。每个罐中物料的初始装液量为每个酶解罐体积的50-70% ；当物料的流入和流出达到平衡后，将每个te的装液量调节到80%左右。
[0021]由于本发明仅涉及对酶解方式的改进，因此对用含纤维素的原料制备乙醇的方法的其它步骤没有特别的限制。
[0022]按照本发明，所述酶解使用的酶包括纤维素酶。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。
[0023]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。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，更优选为10-15酶活力单位。
[0024]例如，当优选以干重计的所述含纤维素原料的加入量为300-350千克/小时，更优选为310-330千克/小时，在所述主酶解阶段中，所述纤维素酶的加入总量为2.4\106-7.0\106酶活力单位/小时，更优选为3.0父106-5.25 X IO6酶活力单位/小时(纤
维素酶的加入总量包括主酶解阶段的向多个酶解罐，如第一酶解罐和第二酶解罐中加入的纤维素酶的总量)。
[0025]按照本发明，优选情况下，在所述主酶解阶段中，为了在尽量短的时间内保证得到的酶解产物具有一定的单糖含量，连续向第一酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的50%-70%，向第二酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的30%-50%。因此，在上述含纤维素原料的加料量的前提下，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为1.2X 106-4.9X IO6酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为0.72X 106-3.5 X IO6酶活力单位/小时。
[0026]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
Renewab I e Energy Laboratory, NREL )提供的标准方法-纤维素酶活力测定NREL
LAP-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，I分钟内将I克Whatman N0.1滤纸转化为葡萄糖所需酶的微克数。
[0027]按照本发明，优选情况下，在所述主酶解阶段中，为了在尽量短的时间内保证得到的酶解产物具有一定的单糖含量，连续向第一酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的50%_70%，向第二酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的30%_50%。因此，在上述含纤维素原料的加料量的前提下，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为
1.2X 106-4.9X IO6酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的酶解罐的纤维素酶的加入量为0.72X 106-3.5 X I`O6酶活力单位/小时。
[0028]优选情况下，所述酶解使用的酶还包括半纤维素酶。因为半纤维素酶可以降解半纤维素成为溶于水的木糖，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。
[0029]本发明的方法还包括在主酶解阶段中，以每克含纤维素原料的干重计，所述半纤维素酶的用量为4.4-8.8酶活力单位。更优选情况下，将半纤维素酶分别连续加入第一酶解阶段的酶解罐和第二酶解阶段的酶解罐中，连续加入第一酶解阶段的酶解罐的半纤维素酶的加入量为0.66Χ 106-2.156X IO6酶活力单位/小时，连续加入第二酶解阶段的半酶解罐的纤维素酶的加入量为0.396 X IO6-L 54X IO6酶活力单位/小时。
[0030]由于本发明仅涉及对酶解方式的改进，因此对用含纤维素的原料制备乙醇的方法的其它步骤没有特别的限制。
[0031]其中，所述纤维素酶为复合酶，至少包括C1型纤维素酶、Cx型纤维素酶和纤维二糖酶三种酶。
[0032]C1酶可以使结晶的纤维素转变为非结晶的纤维素。
[0033]Cx型纤维素酶又分为Cxi型纤维素酶和Cx2型纤维素酶两种。Cxi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β_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β-1，4-糖苷键，逐一切断β-1，4-糖苷键生成葡萄糖。
[0034]纤维二糖酶则作用于纤维二糖，生成葡萄糖。
[0035]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I重量％木聚糖溶液产生I微克还原糖(以木糖计)所需的酶量。
[0036]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I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:
[0037]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I重量％木聚糖溶液；
[0038]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I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；
[0039]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I毫克/毫升的标准木糖溶液；
[0040]准确称取1.000克固体半纤维素酶或移取I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；
[0041]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I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；
[0042]取0.2毫升待测酶液与1.8毫升所述I重量％木聚糖溶液或pH=4.8的0.1摩尔/升乙酸一乙酸钠缓冲溶液(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:
[0043]
【权利要求】
1.一种采用含纤维素原料制备乙醇的方法，该方法包括在水的存在下，将含纤维素原料与酶混合、酶解，得到酶解产物，并发酵该酶解产物，其特征在于，所述酶解分为连续的多个酶解阶段进行，所述多阶段包括主酶解阶段和主酶解阶段以后的酶解阶段，在主酶解阶段中，向酶解罐中连续加入含纤维素原料以及酶，所述含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过该主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为50-100g/L，并使经过该主酶解阶段得到的酶解产物依次连续流入主酶解阶段以后的酶解阶段的酶解罐中进行酶解，酶解终点的酶解产物中单糖的含量为大于或等于105g/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含纤维素原料的加入量以及酶的加入量使得经过所述主酶解阶段得到的酶解产物中的单糖含量为60-80g/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多阶段包括依次串联的多个酶解阶段的酶解罐；主酶解阶段包括依次串联的2-3个酶解罐，将含纤维素原料连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐中，将酶分别连续加入主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐和与其串联的第二酶解阶段的酶解罐中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述主酶解阶段以后的酶解阶段包括依次串联的1-3个酶解罐。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，连续向主酶解阶段的第一酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的50-70%，连续向第二酶解阶段的酶解罐加入的酶占酶总加入量的30-50%ο
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，酶解使用的酶包括纤维素酶，以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，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。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解的温度为45-55°C，所述酶解的pH值为4-6。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述含纤维素原料为蒸汽爆破的含纤维素原料和/或酸处理的含纤维素原料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述含纤维素原料为秸杆。
11.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/或酿酒酵母；以每克酶解终点得到的酶解产物计，所述发酵所使用的酵母的接种量为IO3-1O8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。
【文档编号】C12R1/865GK103789355SQ201210434785
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2012年11月2日
【发明者】刘文信, 袁敬伟, 尚贵臣, 钟延军, 李秀荣, 季文波, 董春丽, 刘劲松, 林鑫 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