专利名称：利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法
技术领域：
本发明涉及一种乙醇的生产方法，尤其涉及一种利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法。
背景技术：
木质纤维素是价廉易得、来源丰富的可再生资源和能源，经水解转化为还原糖，这些糖类物质是产生物乙醇的重要原料。生物乙醇可部分替代石油，这不仅有利于环境保护和资源再利用，而且可减少温室气体的排放和缓解化石能源的危机。利用木质纤维素生物质生产生物乙醇的关键是如何提高所产乙醇的浓度及乙醇得率。木质纤维素具有复杂的生物化学结构。它主要由植物细胞壁组成，细胞壁基本组成是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素和半纤维素被木质素层层包裹。纤维素是一种由吡喃型葡萄糖单体以糖苷键连接的直链多糖；半纤维素主要是由木糖以及少量阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成；而木质素是以苯丙烷及其衍生物为基本单位构成的高分子芳香族化合物。因此，为提高纤维素酶解效率需要采取有效的预处理方法，提高酶与纤维素的可及度，从而提高酶解效率。对于木质纤维素来说，常用的发酵方法主要是分步糖化发酵法和同步糖化发酵法。与分步糖化发酵相比，同步糖化发酵更具有优势，因为它会减少糖化所产副产物对酶解的抑制，减少葡萄糖的积累，提高糖化率及乙醇转化率。与同步糖化发酵相比，分步糖化发酵优势在于易于控制不一致的酶解温度和发酵温度。
发明内容
本发明通过木质纤维素预处理的步骤和分批补料半同步糖化发酵的步骤提高了木质纤维素转化乙醇的浓度和得率。`本发明提供了一种利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①木质纤维素预处理:将木质纤维素干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1: 18 22混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至180 210°C，保温18 22min后，冷却至室温，过滤得到滤渣；②分批补料半同步糖化发酵:将滤渣与纤维素酶液按质量比1:13 15加入到锥形瓶，在49 51°C下摇床振荡5 7h后，再向锥形瓶添加滤渣，添加量与第一次添加量相同，继续在49 51°C下摇床振荡11 13h后，将温度降至35 37°C后加入活化后的酵母液，所述活化后的酵母液与纤维素酶液质量比为1:68 72，继续摇床振荡60 72h。本发明所述木质纤维素预处理的步骤中高温液态水预处理方法具有不添加化学试剂、生成的降解产物少、实现纤维素、半纤维素和木素三者高效分离的优点，高温液态水预处理方法高效环保，该过程中由于半纤维素的溶出，提高原料比表面积，利于提高原料酶解效率。本发明所述分批补料半同步糖化发酵的步骤能集中分步糖化发酵法易于控制不一致的酶解温度和发酵温度的优点和同步糖化发酵法减少糖化副产物对酶解抑制的优点，发酵得到的高浓度乙醇有利于降低后续蒸馏的耗能，降低总体的成本，为了获得高浓度乙醇，发酵时需要在高底物浓度环境下进行，在预水解阶段补加底物，可以有效改善酶解时底物与酶的混合状态，降低体系粘度，提高底物浓度，通过准确的把握预水解时间和分批补料的方式提高乙醇的浓度和得率。本发明所述木质纤维素优选为芦苇或玉米秸杆。本发明所述纤维素酶液优选为用pH=4.8醋酸-醋酸钠缓冲液配制的浓度为
0.02g/ml 溶液。本发明所述酵母液优选为用5%无菌葡萄糖液配制的浓度为0.05g/ml溶液，37 39°C活化酵母液55 65min，冷却至28 30°C得到活化后的酵母液。本发明有益效果为:①分批补料半同步糖化发酵生产乙醇的浓度高于同步糖化发酵和半同步糖化发酵。②分批补料半同步糖化发酵生产的较高浓度乙醇，在后续的乙醇蒸馏时有利于减少能量的消耗。③现有技术中利用木质纤维素发酵制备乙醇，乙醇浓度为4%(v/v)，底物质量百分比浓度为15%，本发明产生的乙醇浓度为39.4g/L，换算成体积百分比浓度为4.99% (v/v),底物质量百分比浓度为16.4%，有利于木质纤维素发酵制备乙醇的产业化。
本发明附图8幅，图1为芦苇180°C预处理同步糖化发酵(SSF)和半同步糖化发酵(S-SSF)制备乙醇的对比。图2为芦苇210°C预处理同步糖化发酵(SSF)和半同步糖化发酵(S-SSF)制备乙醇的对比。图3为芦苇180°C预处理半同步糖化发酵(S-SSF)和分批补料半同步糖化发酵(分批补料S-SSF)制备乙醇的对比。图4为芦苇210°C预处理半同步糖化发酵(S-SSF)和分批补料半同步糖化发酵(分批补料S-SSF)制备乙醇的对比。图5为玉米秸杆190°C预处理同步糖化发酵(SSF)和半同步糖化发酵(S-SSF)制备乙醇的对比。图6为玉米秸杆210°C预处理同步糖化发酵(SSF)和半同步糖化发酵(S-SSF)制备乙醇的对比。
图7为玉米秸杆190°C预处理半同步糖化发酵(S-SSF)和分批补料半同步糖化发酵(分批补料S-SSF)制备乙醇的对比。图8为玉米秸杆210°C预处理半同步糖化发酵(S-SSF)和分批补料半同步糖化发酵(分批补料S-SSF)制备乙醇的对比。
具体实施例方式下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下述实施例和对比例中，所使用试剂制备方法如下:本实施例所用纤维素酶液为用pH=4.8醋酸-醋酸钠缓冲液配制的浓度为0.02g/ml溶液。本实施例所用酵母液为用5%无菌葡萄糖液配制的浓度为0.05g/ml溶液，38°C活化酵母液lh，冷却至28 30°C得到活化后的酵母液。实施例1一种利用芦苇分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至180°C，保温20min后，冷却至室温，过滤得到滤渣；②分批补料半同步糖化发酵:将5g滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，在50°C下摇床振荡6h后，向锥形瓶中补加5g滤渣，继续在50°C下摇床振荡12h后，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。`结论:①实施例1与对比例I相比，乙醇浓度提高95.0% ；②实施例1与对比例5相比，乙醇浓度提高55.7% ；③实施例1与对比例9相比，乙醇浓度提高179.4%。实施例2一种利用芦苇分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②分批补料半同步糖化发酵:将5g滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，在50°C下摇床振荡6h后，向锥形瓶中补加5g滤渣，继续在50°C下摇床振荡12h后，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①实施例2与对比例2相比，乙醇浓度提高85.8% ；②实施例2与对比例6相比，乙醇浓度提高44.3% ；③实施例2与对比例10相比，乙醇浓度提高55.7%。
实施例3一种利用玉米秸杆分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至190°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②分批补料半同步糖化发酵:将5g滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，在50°C下摇床振荡6h后，向锥形瓶中补加5g滤渣，继续在50°C下摇床振荡12h后，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①实施例3与对比例3相比，乙醇浓度提高58.7% ；②实施例3与对比例7相比，乙醇浓度提高15.3% ；③实施例3与对比例11相比，乙醇浓度提高81.1%。实施例4一种利用玉米秸杆分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②分批补料半同步糖化发酵:将5g滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，在50°C下摇床振荡6h后，向锥形瓶中补加5g滤渣，继续在50°C下摇床振荡12h后，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①实施例4与对比例4相比，乙醇浓度提高69.8% ；②实施例4与对比例8相比，乙醇浓度提高25.9% ；③实施例4与对比例12相比，乙醇浓度提高25.9%。对比例I—种利用芦苇同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目， 得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至180°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液和Ig活化后的酵母液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡72h，实验结果见表I。
对比例2—种利用芦苇同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液和Ig活化后的酵母液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡72h，实验结果见表I。对比例3·一种利用玉米秸杆同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至190°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液和Ig活化后的酵母液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡72h，实验结果见表I。对比例4一种利用玉米秸杆同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液和Ig活化后的酵母液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡72h，实验结果见表I。对比例5一种利用芦苇半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至180°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例5与对比例I相比，预水解步骤提高了活化后的酵母液加入前的葡萄糖浓度，有利于发酵，提高了乙醇浓度、得率。对比例6一种利用芦苇半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，恒温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:
将5g滤渣、35g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例6与对比例2相比，预水解步骤提高了活化后的酵母液加入前的葡萄糖浓度，有利于发酵，提高了乙醇浓度、得率。对比例7一种利用玉米秸杆半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至190°C，恒温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例7与对比例3相比，预水解步骤提高了活化后的酵母液加入前的葡萄糖浓度，有利于发酵，提高了乙醇浓度、得率。对比例8一种利用玉米秸杆半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，恒温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例8与对比例4相比，预水解步骤提高了活化后的酵母液加入前的葡萄糖浓度，有利于发酵，提高了乙醇浓度、得率。对比例9一种利用芦苇半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至180°C，保温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将IOg滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例9与对比例5相比，半同步糖化发酵提高底物浓度时，体系粘度大，酶解、发酵时底物与纤维素酶液、活化后的酵母液混合不充分，降低了乙醇浓度、得率，无法达到分批补料半同步糖化发酵的效果。对比例10
一种利用芦苇半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①芦苇预处理:将芦苇干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，恒温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将IOg滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例10与对比例6相比，半同步糖化发酵提高底物浓度时，体系粘度大，酶解、发酵时底物与纤维素酶液、活化后的酵母液混合不充分，降低了乙醇浓度、得率，无法达到分批补料半同步糖化发酵的效果。对比例11一种利用玉米秸杆半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至190°C，恒温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将5g滤渣、35g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。
结论:②对比例11与对比例7相比，半同步糖化发酵提高底物浓度时，体系粘度大，酶解、发酵时底物与纤维素酶液、活化后的酵母液混合不充分，降低了乙醇浓度、得率，无法达到分批补料半同步糖化发酵的效果。对比例12一种利用玉米秸杆半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤:①玉米秸杆预处理:将玉米秸杆干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:20混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至210°C，恒温20min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②半同步糖化发酵:将IOg滤渣、70g纤维素酶液加入到锥形瓶，用醋酸-醋酸钠缓冲液定容至60ml，在50°C下摇床振荡18h，将温度降至36°C后加入Ig活化后的酵母液，继续摇床振荡72h，实验结果见表I。结论:①对比例12与对比例8相比，半同步糖化发酵提高底物浓度时，体系粘度大，酶解、发酵时底物与纤维素酶液、活化后的酵母液混合不充分，降低了乙醇得率，无法达到分批补料半同步糖化发酵的效果。表I实施例与对比例的乙醇浓度、得率
权利要求
1.一种利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，其特征在于:所述方法包括如下步骤: ①木质纤维素预处理: 将木质纤维素干燥后粉碎至20 80目，得到粉碎后原料，将粉碎后原料与水按质量比1:18 22混匀后加入到蒸煮罐，密封蒸煮罐后升温至180 210°C，保温18 22min后，冷却至室温，过滤得到滤渣； ②分批补料半同步糖化发酵: 将滤渣与纤维素酶液按质量比1:13 15加入到锥形瓶，在49 51 °C下摇床振荡5 7h后，再向锥形瓶添加滤渣 ，添加量与第一次添加量相同，继续在49 51°C下摇床振荡11 13h后，将温度降至35 37°C后加入活化后的酵母液，所述活化后的酵母液与纤维素酶液质量比为1:68 72，继续摇床振荡60 72h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述木质纤维素为芦苇或玉米秸杆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述纤维素酶液为用pH=4.8醋酸-醋酸钠缓冲液配制的浓度为0.02g/ml溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述酵母液为用5%无菌葡萄糖液配制的浓度为0.05g/ml溶液，37 39°C活化酵母液55 65min，冷却至28 30°C得到活化后的酵母液。
全文摘要
本发明涉及一种利用木质纤维素分批补料半同步糖化发酵制备乙醇的方法，所述方法包括如下步骤①木质纤维素预处理将木质纤维素干燥粉碎后与水混匀加入到蒸煮罐，密封后升温至180～210℃，保温18～22min，冷却至室温，过滤得到滤渣；②分批补料半同步糖化发酵将滤渣与纤维素酶液加入到锥形瓶，在49～51℃下摇床振荡5～7h后，再向锥形瓶添加滤渣，添加量与第一次添加量相同，继续在49～51℃下摇床振荡11～13h后，将温度降至35～37℃后加入活化后的酵母液，继续摇床振荡60～72h，本发明有益效果为通过发酵得到较高浓度的乙醇。
文档编号C12P7/10GK103074385SQ201310033968
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者鲁杰, 杨瑞丰, 刘彦军, 杨雷, 寇晓萌 申请人:大连工业大学