一种林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法
【专利摘要】本发明公开了一种林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，先用浓度为0.75％～2％(g/ml)的碱液，分别在60℃水浴锅和高压蒸汽灭菌锅中121℃(0.15Mpa)条件下处理30min～90min；然后用载量为5～30FPU/克预处理原料的组合酶水解72h；水解结束后水解物固液分离，将获得的清液用嗜单宁管囊酵母发酵为乙醇。本发明方法利用农林废弃物生产燃料乙醇，变废为宝，解决了燃料与人争粮的问题，同时可充分利用生物质资源，保护生态环境，有利于实现可持续发展。
【专利说明】一种林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料乙醇的制备工艺，具体涉及一种林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法
【背景技术】
[0002]多年来，传统能源的大量使用导致了能源危机以及环境恶化。为了实现经济和环境的可持续发展，可再生、无污染的生物质能源已成为当今的研究热点。
[0003]木质纤维素是地球上数量最大的可再生能源物质，据初步统计全世界每年产量大约为100亿吨。利用农林废弃物作为原料生产乙醇，实现生物质资源的高值化利用，有利于改善生态环境，符合循环经济发展的要求，还可以增加农民的收入。
[0004]橡子是壳斗科麻栎属和常绿槠栲类野生植物橡树的果实。全世界有8属900余种，分布于温带、亚热带和热带，我国占6属301种。我国有着丰富的橡子资源，橡子林约有(1.3?1.67) X 107hm2，每年可产60?70亿千克橡子。橡子仁既可作为动物饲料、工业原料，也可用来加工保健食品，而由此产生的橡子壳产量大、来源广、价格低，但却无法得到很好的利用，不仅污染环境而且造成能源浪费。
[0005]天然纤维素类物质含有木质素、纤维素和半纤维素，纤维素的有效水解受木质素的空间障碍和纤维素本身高结晶度和聚合度的阻碍，因此，欲水解纤维素必须对原料进行预处理。常用的预处理的方法主要有物理法、化学法、生物法和联合预处理法等。碱法预处理通过破坏木质素和木聚糖之间交联的酯键可有效去除原料中的木质素，较酸法而言较为温和，处理过程中糖的损失较少，最终预处理效果较好。稀碱处理后，纤维质材料膨胀，内部表面积增大，聚合度降低，结晶度下降，从而提高水解效率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种橡子壳碱性预处理酶解发酵生产乙醇的方法，把橡子壳变废为宝，降低燃料乙醇的生产成本,提高燃料乙醇的生产过程的经济性。
[0007]本发明的技术方案为:一种林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，包括纤维素酶水解和酵母发酵，具体步骤如下:
[0008](I)橡子壳碱性预处理:用碱液对橡子壳粉进行碱处理，温度条件分别为30?90°C水浴处理 30min ?90min,以及 121°C /0.15Mpa 下处理 30min ?90min ；
[0009](2)纤维素酶水解:将预处理好的橡子壳粉，按照每克预处理原料加入5?30FPU的纤维素酶和β -葡萄糖苷酶以及1.5FXU的木聚糖酶，于45?60°C，100?150r/min水解48?72h ；
[0010](3)酵母发酵:酶水解反应结束后将水解物离心分离，清液中添加营养盐后，接种嗜单宁管囊酵母后于28?32°C，转速100?150r/min，发酵48?72h。
[0011]所用橡子壳粉为采自安徽滁州的橡子风干后脱壳，取橡子壳烘干粉碎得到。
[0012]预处理时按照每1ml碱液加入Ig橡子壳粉的比例投料。
[0013]所述的纤维素酶和葡萄糖苷酶按照摩尔比例为1:1混合。
[0014]纤维素酶水解时,控制酶水解底物浓度为5% g/mL.
[0015]所述的营养盐组成为酵母浸膏2g/L，(NH4) 2S0410g/L, KH2P042g/L, MgS042g/L。
[0016]发酵时嗜单宁管囊酵母的接种量为8% v/v。
[0017]所述的橡子壳粉粒径为0.25?0.3mm。
[0018]所述的碱液为0.75%?2% g/ml的氢氧化钠水溶液。
[0019]有益效果:本发明方法以林业废弃物橡子壳为原料，经过原料预处理及纤维素酶糖化后，利用嗜单宁管囊酵母发酵生产燃料乙醇，降低了燃料乙醇生产过程的成本，提高了燃料乙醇的生产过程的经济性。本发明方法利用农林废弃物生产燃料乙醇,变废为宝,解决了燃料与人争粮的问题，同时可充分利用生物质资源，保护生态环境，有利于实现可持续发展。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明做更进一步的解释。应该理解以下实施例仅旨在说明，不应被视为对本发明范围的限制。
[0021]本发明橡子壳发酵生产燃料乙醇的方法包括以下内容，橡子壳碱性预处理、纤维素酶水解和酵母发酵步骤。
[0022]本发明方法中，对橡子壳进行碱性预处理，用NaOH对橡子壳粉(0.25?0.3mm)进行预处理，NaOH浓度为0.75%?2% (g/ml)，温度为30?90°C (水浴锅)和121。。/0.15Mpa(高压蒸汽灭菌锅)，时间为30min?90min ；
[0023]本发明方法中，纤维素酶水解方法为，将NaOH预处理的橡子壳粉，加入5?30FPU/克预处理原料的纤维素酶和β -葡萄糖苷酶以及1.5FXU的木聚糖酶，于45?60°C，100?150r/min 水解 48 ?72h ；
[0024]本发明方法中，酶水解反应结束后将水解物离心分离，加入酵母浸膏2g/L，硫酸铵10g/L，磷酸二氢钾2g/L，硫酸镁2g/L配制成发酵培养液，接种8% (v/v)嗜单宁管囊酵母(Pachysolen tannophilus 1770)于 28 ?32°C,转速 100 ?150r/min,发酵 48 ?72h。酵母种子为PDA (马铃薯葡萄糖)培养基培养的对数期酵母培养液。
[0025]本发明所述的橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，与蒸汽爆破法相比，碱处理利用木质素能溶解于碱性溶液的特点，使得木质素结构破坏，提高木质素的去除率，从而便于后续水解的进行。
[0026]本发明所用的橡子壳单宁含量较高，而嗜单宁管囊酵母是一种能同时发酵己糖和木糖的菌种，同时能够耐受水解液中残留的单宁，相比较酿酒酵母等传统菌种，更适合于含单宁原料的发酵。
[0027]以下实施例中，各种糖以及乙醇的含量均采用高效液相色谱法(HPLC)测定。色谱条件如下:色谱仪:Agillentll00高效液相色谱仪；色谱柱:B1_Rad Aminex HPX-87H ;流动相:0.005mol/L硫酸,流速:0.6mL/min ;柱温:55°C ;检验器:示差折光检验器；进样量:1yL0外标法测定。
[0028]预处理条件对橡子壳酶水解效果的影响
[0029]实施例1
[0030]将橡子壳105°C烘干，用粉碎机粉碎过筛得0.25?0.3mm的橡子壳粉备用。用浓度为0.75% (g/ml)的NaOH处理橡子壳，固液比1: 10 (g/ml)，在60°C水浴锅中处理30min。处理结束后，用蒸馏水将原料洗至中性，过滤，所得部分固体预处理原料于-20°C保存待酶水解，取部分烘干测定酸不溶木素含量并计算固体回收率。称取一定量的样品，加入0.1M，PH4.8的柠檬酸缓冲液，固液比为5% (g/ml)，加入酶，载量为20FPU纤维素酶、20CBU β -葡萄糖苷酶和1.5FXU木糖酶每克预处理原料，于50°C，150r/min水解72h。结束后，立即用冰块终止酶水解，过滤，进行高效液相色谱分析。
[0031]结果表明，在60°C /0.75% Na0H/30min预处理条件下，橡子壳的固体回收率为82.09%，酸不溶木素的降解率为12.77%，总糖释放量为504.9mg/g。
[0032]实施例2
[0033]将橡子壳105 °C烘干，用粉碎机粉碎过筛得0.25?0.3mm的橡子壳粉备用。用浓度为1% (g/ml)的NaOH处理橡子壳，固液比1: 10 (g/ml)，在121°C水浴锅中处理30min。处理结束后，用蒸馏水将原料洗至中性，过滤，所得部分固体预处理原料于_20°C保存待酶水解，取部分烘干测定酸不溶木素含量并计算固体回收率。称取一定量的样品，加入0.ΙΜ,ρΗ4.8的柠檬酸缓冲液，固液比为5% (g/ml)，加入酶，载量为20FPU纤维素酶、20CBUi3 -葡萄糖苷酶和1.5FXU木糖酶每克预处理原料，于50°C，150r/min水解72h。结束后，立即用冰块终止酶水解，过滤，进行高效液相色谱分析。
[0034]结果表明，在121°C /1% Na0H/30min预处理条件下，橡子壳的固体回收率为69.55%，酸不溶木素的降解率为28.00%，总糖释放量为588mg/g。
[0035]实施例3
[0036]将橡子壳105 °C烘干，用粉碎机粉碎过筛得0.25?0.3mm的橡子壳粉备用。用浓度为2% (g/ml)的NaOH处理橡子壳，固液比1: 10 (g/ml)，在121°C水浴锅中处理60min。处理结束后，用蒸馏水将原料洗至中性，过滤，所得部分固体预处理原料于-20°C保存待酶水解，取部分烘干测定酸不溶木素含量并计算固体回收率。称取一定量的样品，加入0.1M，PH4.8的柠檬酸缓冲液，固液比为5% (g/ml)，加入酶，载量为20FPU纤维素酶、20CBU β -葡萄糖苷酶和1.5FXU木糖酶每克预处理原料，于50°C，150r/min水解72h。结束后，立即用冰块终止酶水解，过滤，进行高效液相色谱分析。
[0037]结果表明，在121°C /1% Na0H/30min预处理条件下，橡子壳的固体回收率为62.94%，酸不溶木素的降解率为39.34%，总糖释放量为606.36mg/g。
[0038]经液相色谱测定该水解液中组成为葡萄糖40.25g/L，木糖0.91g/L，阿拉伯糖0.02g/L。添加酵母浸膏2g/L，硫酸铵10g/L，磷酸二氢钾2g/L，硫酸镁2g/L，121 °C灭菌30min，作为发酵培养液。按照嗜单宁管囊酵母种液体积占发酵培养液体积的8%的接种量(v/v)接种。培养条件为32°C，转速120r/min，发酵时间为60h，发酵结束后，过滤发酵液，测定乙醇浓度为17.46g/L，为理论产率的85.4%，达到了较好的效果。
【权利要求】
1.一种林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，包括纤维素酶水解和酵母发酵，具体步骤如下: (1)橡子壳碱性预处理:用碱液对橡子壳粉进行碱处理，温度条件分别为30?90°C水浴处理 30min ?90min,以及 121°C /0.15 Mpa 下处理 30 min ?90min ； (2)纤维素酶水解:将预处理好的橡子壳粉，按照每克预处理原料加入5?30FPU的纤维素酶和β-葡萄糖苷酶以及1.5FXU的木聚糖酶，于45?60°C，100?150 r/min水解48 ?72 h ； (3)酵母发酵:酶水解反应结束后将水解物离心分离，清液中添加营养盐后，接种嗜单宁管囊酵母后于28?32°C，转速100?150r/min，发酵48?72 h。
2.按照权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于所用橡子壳粉为采自安徽滁州的橡子风干后脱壳，取橡子壳烘干粉碎得到。
3.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于预处理时按照每1ml碱液加入Ig橡子壳粉的比例投料。
4.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的纤维素酶和β-葡萄糖苷酶按照摩尔比例为1:1混合。
5.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，纤维素酶水解时，控制酶水解底物浓度为5%g/ml。
6.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的营养盐组成为酵母浸膏2g/L，(NH4)2SO4 10g/L, KH2PO4 2g/L, MgSO4 2g/L。
7.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，发酵时嗜单宁管囊酵母的接种量为8%v/v。
8.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，嗜单宁管囊酵母种液为PDA培养基培养的对数期酵母培养液。
9.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的橡子壳粉粒径为0.25?0.3mm。
10.根据权利要求1所述的林业废弃物橡子壳碱性预处理酶解发酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的碱液为0.75%?2% g/ml的氢氧化钠水溶液。
【文档编号】C12P19/14GK104404088SQ201410828344
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】杨静, 卫民, 张宁, 蒋剑春, 赵剑 申请人:中国林业科学研究院林产化学工业研究所