添加Mn(Ⅱ)盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法
【专利摘要】添加Mn(II)盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法，其方法包括将稻草秸秆磨碎过筛后，选用乙二醇作为液化剂，浓硫酸催化作用下进行液化预处理，洗涤并抽滤后得到发酵底物；选用管囊酵母和酿酒酵母作为发酵微生物，分别取斜面培养的两种酵母在YEPD液体培养基中活化，将培养基混合液用血球计数板装载，显微镜计数确定酵母浓度，稀释至适合浓度；将发酵底物、MnSO4溶液、纤维素酶和稀释后的酵母混合液分别加入到发酵罐中，使用无菌水调节至适合固液质量比后，在恒温条件下进行同时糖化发酵；最后使用分光光度法测定发酵液中乙醇浓度，计算得到乙醇最终产率。本发明所涉及的原料来源广泛，操作便利；减少了纤维素酶用量从而降低了工艺成本，并且能够在较低温度下启动生化反应，为该领域生产工艺提供了新的思路。
【专利说明】添加Mn( II )盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源制备方法的【技术领域】，具体涉及纤维物质制乙醇的方法。
【背景技术】
[0002]在全球范围内，世界各国都面临着化石能源日渐枯竭、人口不断增长、寻找新的、可再生的清洁替代能源已成为全人类目前最紧迫的任务之一。生物乙醇被认为是未来20年内最主要的可再生的车用替代燃料，在巴西、美国及一些欧洲国家已经开始大规模使用。生物乙醇具有其它燃料无可比拟的优点，如原料来源广泛，价格低廉，可与汽油以任意比互溶，提高汽油中氧含量从而促进汽油充分燃烧，无毒副作用且可便利的应用在目前的发动机上等。目前的生物乙醇主要是由玉米、小麦等淀粉质原料和蔗糖等糖质原料发酵而成，被称为第一代生物乙醇。我国的生物乙醇产量居世界第三位，仅次于美国和巴西。尽管第一代生物乙醇在生产成本上与汽油具有可比性，但其产量却远远不能满足当今世界的需求；同时在原料供应上存在着粮食危机的问题，这与我国的能源发展战略相悖；在世界范围内，由于第一代生物乙醇所导致的玉米价格大幅上涨等市场因素，生物乙醇在液体车用燃料的份额也已经触顶；此外，第一代生物乙醇所形成的净能源并不高，且使用第一代生物乙醇对减排温室气体的作用也非常有限。纤维素燃料乙醇的原料主要为木质纤维素类生物质，主要包括纤维素、半纤维素和木质素。木质纤维素的原料丰富，植物每年通过光合作用可产生高达1550亿吨纤维素类物质，而每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2%左右，具有很大利用空间。纤维素的废弃物(包括城市固体垃圾、废纸、甘蔗渣、木薯渣等)等。利用广泛存在的木质纤维素原料通过生物转化和生物炼制的路线生产生物乙醇(即纤维素乙醇)，被称为第二代生物乙醇技术。纤维素乙醇不仅能够解决原材料不足的问题，不与粮食和动物饲料供给相冲突，净产能高(用玉米秸杆等农作物秸杆生产乙醇时，生产玉米等粮食的能耗不计入乙醇的生产能耗)，还可以大大降低温室气体的排放量，有效缓解温室效应及环境污染。此外，纤维素乙醇产.业在广大农业产区的大规模实施，对提升农村经济活力和产业水平具有举足轻重的作用。
[0003]目前，世界上已有数十套利用木质纤维素原料生产乙醇的中试装置或示范生产线，它们各自采用的生产工艺也不尽相同，最普遍的纤维素乙醇生产工艺包括四个打的步骤:即木质纤维素原料的预处理、原料的水解、乙醇发酵和分离提纯。涉及到本发明的主要是原料水解(糖化)和乙醇发酵，故其他工艺步骤的研究不再赘述介绍。
[0004]预处理后的木质纤维素原料在纤维素酶的催化作用下酶解生成葡萄糖，然后由发酵微生物代谢生成乙醇。要提高发酵醒中的乙醇浓度，必须提高酶解结束时体系的葡萄糖浓度，进而提高酶解体系的固体含量。对于该步骤目前主要分为两种工艺，即分布糖化发酵工艺和同步糖化发酵工艺。两种工艺方法均有各自不同的优势与不足。在分步糖化发酵工艺中，由于原料的糖化与葡萄糖的发酵是单独进行的，能够保证纤维素酶和发酵微生物在各自的最佳温度下进行生化反应，能够提高制备效率。另一方面，该工艺至少需要两个不同的反应器，并且随着工艺的进行需要转移反应物，这就给操作上带来了不便；此外，随着固体含量以及酶解结束时葡萄糖浓度的提高，葡萄糖对纤维二糖酶的产物抑制作用逐渐增强，从而大大降低木质纤维素原料的酶解效率。而同步糖化与发酵工艺是将纤维素的酶解与微生物的发酵两个有先后顺序的工段整合成一个同步的过程，即在同一个反应器中，木质纤维素原料在纤维素酶的催化下酶解生成葡萄糖的同时，立即被发酵微生物直接转化成终产物乙醇；尽管产物乙醇对纤维二糖酶也会产生抑制作用，但比葡萄糖产生的产物抑制作用要小的多。这种工艺是目前最常用的木质纤维素原料加工工艺，它不仅有效解除了葡萄糖对纤维二糖酶的抑制，而且提高了反应器的利用效率和整个过程的效率。但是，由于纤维素酶的作用温度一般为45?55°C，发酵微生物的最适生长和发酵温度为30?37°C，因此，同步糖化与发酵时采用的温度是一个折中的温度:35?37°C。在此温度下，纤维素酶的催化活性会有所降低。
[0005]根据纤维素乙醇现有的制备方法，如《可再生能源》2012年3月第30卷第3期中的“双菌比较优化稻草“液化”发酵产乙醇的研究”一文，利用稻草秸杆液化预处理的产物作为发酵底物，将底物进行96h的酶解糖化后，分别采用酿酒酵母和休哈塔假丝酵母发酵生产乙醇，对影响发酵阶段的各因素进行优化，选取最佳菌种完成秸杆到乙醇的转化，研究表明酿酒酵母更适合做为发酵菌种，并且在30°C (条件下发酵36h，乙醇产率达到0.27g/g (发酵底物)。该方法主要有以下不足之处:(I)采用分步糖化发酵法制备乙醇，增加了工艺步骤(如酶解液的过滤和脱色)，操作较为复杂，并且乙醇产率不够理想。(2)使用单一酵母进行发酵，酶解产物得不到充分利用，也是造成乙醇产率较低的原因之一。(3)工艺周期较长，增加了生产能耗的同时也增大了成本。此外，申请号为201210597201.5，名称为《一种提高稻草制燃料乙醇产率的新方法》一文中，公开的方法是纤维素物质添加二价Fe盐进行同时糖化发酵制备燃料乙醇，其乙醇产率较低。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有纤维素乙醇制备方法的不足，提供一种添加微量金属盐促进同时糖化发酵产乙醇的方法，具有操作工艺简单、反应条件温和的优点，降低了反应所需的温度以及纤维素酶用量，从而达到降低制备成本等特点。
[0007]实现本发明目的技术方案是:添加Mn(II)盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法，以当地当年产的稻草秸杆为原料，先经过液化纤维素方法预处理，在糖化发酵步骤时通过正交实验确定最佳工艺条件。具体的方法步骤如下:
[0008](I)液化预处理
[0009]将稻草秸杆经人工剪切、球磨机磨碎并过80目筛后，烘干至恒重；称取15?25g干燥稻草连同110?130g乙二醇加入三口烧瓶中，投入磁力转子；安装好蒸馏装置，将三口烧瓶中间口与冷凝管相接，放入磁力水浴搅拌器，设定反应温度为85?95°C、搅拌速率90?110r/min,开始搅拌,烧瓶的侧边的一个口加带孔橡皮塞,将温度计通过小孔插入到反应混合物中，最后一个口加无孔橡皮塞作为进料口 ；预热5?15min后拔出进料口橡皮塞，加入20?30mmol浓硫酸后加塞，待反应液达到设定温度后恒温揽祥60?80min ;反应结束后将烧瓶与冷凝管脱离，移出搅拌器，往烧瓶中加入热水稀释变稠的反应混合物，打开真空抽滤机，将反应物倾入到抽滤机漏斗中，抽滤后加入15?25mL甲醇进行二次抽滤，然后加热水抽滤两次，每次用水15?25mL，得到滤饼，烘干后得到发酵底物。[0010](2)酵母的活化与稀释
[0011]称取葡萄糖10?30g、蛋白胨15?25g、酵母粉5?15g,加入蒸懼水0.8?1.2L,搅拌均勻后在110?120°C湿热灭菌15?25min,配制成液体培养基；实验选取的产乙醇酵母为管囊酵母(1770)和酿酒酵母(1001)，分别取斜面培养的两种酵母在液体培养基中活化(30°C，16?20h)，用血球计数板装载搅拌后的培养液(160r.mirT1，2h)，置于显微镜下计数，确定培养基中的酵母菌浓度，并用无菌水调节至IO8Cell.mL—1数量级。
[0012](3)添加Mn盐同时糖化发酵制备乙醇
[0013]称取第(I)步获得的发酵底物lg，加入到发酵罐中，然后分别加入3?5ml浓度为2g/L的MnSO4，再加入适量第(2)步活化后的管囊酵母、酿酒酵母培养液，两种酵母的培养液投加量共计1.5?4.5mL (接种量达到10%?30%，管囊酵母与酿酒酵母各自接种比例为Ig:2g?Ig:4g),纤维素酶用量为5?15U/g (底物)，最后加入适量无菌水调节,使发酵容器内固液质量比为Ig:15g，用保鲜膜封住瓶口，橡皮筋扎紧后放入设定好温度的培养箱中，温度设定在28?36°C，发酵反应时间为60?84h。
[0014](4)发酵产物乙醇的测定
[0015]第(3)步的发酵液取ImL于50mL比色管中，加入0.05mol/L重铬酸钾溶液15mL，定容后于600nm波长下用722型分光光度计测定吸光度，依照标准曲线方程计算乙醇浓度，得出乙醇产率，为0.298?0.414g/g (发酵底物)。
[0016]本发明采用上述技术方案，主要有以下效果:
[0017](I)本发明有效增强了稻草同时糖化发酵过程中纤维素酶和酵母的活性，并总体上提闻了乙醇的最终广率。
.[0018](2)本发明选择的方法工艺步骤简单，所用设备少，生产成本低，并且在降低纤维素酶用量的情况下提高了乙醇产率，为传统纤维素乙醇生产降低了成本。
[0019](3)本发明能够在较低温度下启动生化反应，降低了反应最佳温度，减少了能耗，符合绿色生产的理念。
[0020](4)本发明为纤维素乙醇制备工艺提供了前所未有的新思路，如采用不同的工艺(如分步糖化发酵法)，仍然可以考虑添加微量元素提高活性，达到理想的乙醇产率。
【具体实施方式】
[0021]下面结合【具体实施方式】，进一步说明本发明。
[0022]实施例1
[0023]添加Mn(II)盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法，其具体步骤如下:
[0024](I)稻草秸杆预处理
[0025]将稻草秸杆经人工剪切、球磨机磨碎并过80目筛后，烘干至恒重；称取20g干燥稻草、120g乙二醇加入三口烧瓶中，投入磁力转子；安装好蒸馏装置，将三口烧瓶中间口与冷凝管相接，放入磁力水浴搅拌器，设定反应温度为90°C、搅拌速率lOOr/min，开始搅拌，烧瓶的侧边的一个口加带孔橡皮塞，将温度计通过小孔插入到反应混合物中，最后一个口加无孔橡皮塞作为进料口 ；预热IOmin后拔出进料口橡皮塞，加入25mmol浓硫酸后加塞，待反应液达到90°C后恒温搅拌70min ;反应结束后将烧瓶与冷凝管脱离，移出搅拌器，往烧瓶中加入热水稀释变稠的反应混合物，打开真空抽滤机，将反应物倾入到抽滤机漏斗中，抽滤后加入20mL甲醇进行二次抽滤，最后用热水洗涤抽滤两次，每次用水20mL，得到滤饼，烘干后得到发酵底物。
[0026](2)酵母的活化与稀释
[0027]取葡萄糖20g、蛋白胨20g、酵母粉10g、蒸懼水1L, 115°C湿热灭菌20min,配制成液体培养基；实验选取的产乙醇酵母为管囊酵母(1770)和酿酒酵母(1001)，分别取斜面培养的两种酵母在液体培养基中活化(30°C，18h)，用血球计数板装载搅拌后的培养液(160r.mirT1, 2h),置于显微镜下计数,确定培养基中的酵母菌浓度，并用无菌水调节至108cell.mL_1 数量级。
[0028](3)添加Mn盐同时糖化发酵制备乙醇
[0029]将第(I)步获得的发酵底物称取lg，加入到发酵罐中，然后加入4ml浓度为2g/L的MnSO4溶液，管囊酵母溶液0.75ml，酿酒酵母溶液2.25ml (即接种量为20%，管囊酵母与酿酒酵母接种比例为Ig:3g)，纤维素酶用量为10U/g (底物)，最后加入适量无菌水调节，使发酵容器内固液质量比为Ig:15g，用保鲜膜封住瓶口，橡皮筋扎紧后放入设定好温度的培养箱中，温度设定在32°C，发酵反应时间为72h。
[0030](4)发酵液中乙醇浓度的测定
[0031]第(3)步的发酵液取ImL于50mL比色管中，加入0.05mol/L重铬酸钾溶液15mL，定容后于600nm波长下用722型分光光度计测定吸光度，计算乙醇浓度，得出乙醇产率为
0.414g/g (发酵底物)。
[0032]实施例2
[0033]添加Mn(II)盐 促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法，其具体步骤如下:
[0034]第(I)步中:将稻草秸杆磨碎并过80目筛，干燥稻草质量15g，乙二醇质量110g，设定反应温度为85°C,搅拌速率90r/min,预热5min加入20mmol浓硫酸,恒温搅拌60min,将反应物抽滤后用甲醇15mL进行二次抽滤，用热水洗涤抽滤两次，每次15mL，烘干后得到发酵底物。
[0035]第⑵步中:葡萄糖10g、蛋白胨15g、酵母粉5g、蒸馏水0.8L，110°C湿热灭菌15min，分别取斜面培养的两种酵母在液体培养基中活化(30°C，16h)，用血球计数板装载搅拌后的培养液(160r.min-1, 2h),无菌水调节至IO8Cell.ml/1数量级。
[0036]第(3)步中:发酵底物称取lg，加入到发酵罐中，然后加入3mL浓度为2g/L的FeSO4溶液，管囊酵母培养液0.5mL、酿酒酵母培养液lmL(即接种量为10%，管囊酵母与酿酒酵母接种比例为Ig:2g)，纤维素酶用量为5U/g(底物)，最后加入适量无菌水调节，使发酵容器内固液质量比为Ig:15g，密封住瓶口后放入设定好温度的培养箱中，温度设定在28°C，发酵反应时间为60h。
[0037]第⑷步中:取第(3)步的发酵液ImL于50mL比色管中，加入0.05mol/L重铬酸钾溶液15mL，定容后于600nm波长下用722型分光光度计测定吸光度，得出乙醇产率为
0.298g/g (发酵底物)。
[0038]实施例3
[0039]添加Mn(II)盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法，其具体步骤如下:
[0040]第(I)步中:将稻草秸杆磨碎并过80目筛，干燥稻草质量25g，乙二醇质量130g,设定反应温度为95°C,搅拌速率110r/min,预热15min加入30mmol浓硫酸,恒温搅拌80min，将反应物抽滤后加入25mL甲醇进行二次抽滤，最后用热水洗涤抽滤两次，每次25mL，烘干后得到发酵底物。
[0041]第(2)步中:葡萄糖30g、蛋白胨25g、酵母粉15g、蒸馏水L2L，12(TC湿热灭菌25min，分别取斜面培养的两种酵母在液体培养基中活化(30°C，20h)，用血球计数板装载搅拌后的培养液(160r.min-1, 2h),无菌水调节至IO8Cell.ml/1数量级。
[0042]第(3)步中:发酵底物称取lg，加入到发酵罐中，然后加入5mL浓度为2g/L的FeSO4溶液，管囊酵母培养液0.9mL,酿酒酵母培养液3.6mL (即接种量为30 %，管囊酵母与酿酒酵母接种比例为Ig:4g)，纤维素酶用量为15U/g (底物)，最后加入适量无菌水调节，使发酵容器内固液质量比为Ig:15g，密封住瓶口后放入设定好温度的培养箱中，温度设定在36°C，发酵反应时间为84h。
[0043]第⑷步中:取第(3)步的发酵液ImL于50mL比色管中，加入0.05mol/L重铬酸钾溶液15mL，定容后于600nm波长下用722型分光光度计测定吸光度，得出乙醇产率为
0.365g/g (发酵底物)。`
【权利要求】
1.添加Mn(II)盐促进稻草同时糖化发酵制备乙醇的方法，其特征在于添加二价Mn盐进行同时糖化发酵，它的操作步骤为:称取发酵底物lg，加入到发酵罐中，然后加入3?5mL浓度为2g/L的MnSO4溶液，加入适量活化后的管囊酵母、酿酒酵母培养液，两种培养液投加量共计1.5?4.5mL，使酵母接种量达到10%?30%，管囊酵母与酿酒酵母各自接种比例为Ig:2g?Ig:4g,纤维素酶用量为5?15U/g,最后加入适量无菌水调节,使发酵容器内固液质量比为Ig:15g，密封住瓶口后放入设定好温度的培养箱中，温度设定在28?36°C，发酵反应时间 为60?84h，最后得到含乙醇的发酵液。
【文档编号】C12P7/10GK103436588SQ201310400158
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】徐龙君, 毕智明, 谢太平, 刘成伦, 王金成 申请人:重庆大学