本发明属于木质纤维素酶水解技术领域，具体涉及一种以聚乙二醇-水为介质的木质纤维素分步糖化发酵法。
背景技术：
随着化石能源的日益枯竭和环境污染的日益加剧，可再生清洁能源燃料乙醇的开发和利用受到了人们的广泛关注。传统的乙醇发酵以糖或淀粉为原料，二者都是食物的主要来源，以粮食为原料生产燃料乙醇已经对世界粮食安全构成了威胁，寻找其它原料替代粮食势在必行。木质纤维素作为自然界最为丰富且廉价的可再生资源，其主要成分纤维素半纤维素是潜在的燃料乙醇的生产原料，利用木质纤维素生产燃料乙醇成为世界各国研究的热点。木质纤维素原料酶解获得高浓度还原糖是降低纤维素乙醇生产成本的先决条件。
而提高酶解体系底物固体含量是获得水解液中高浓度还原糖的直接方法，但是高底物固含量必然导致体系混合不均匀，传热传质能力变差，结果导致酶解效率降低；而且高固含量的酶解底物必然导致较高浓度的发酵毒性抑制物的产生，这严重影响酵母菌的正常生长和随后的乙醇发酵。文献报了很多方法：水洗脱毒、物理脱毒(真空浓缩气提法、膜分离法)、化学脱毒(是石灰中和、活性炭吸附、离子交换、溶剂萃取)、生物脱毒等对木质纤维素水解液进行脱毒。例如：bioprocessbiosysteng(2013)36:659–666采用活性炭吸附法讨论了糠醛、hmf、乙酰丙酸等发酵抑制剂对酵母细胞生长速度的影响；专利ca102226204b公开了在待处理糖液中添加可溶性电解质盐，然后加热通过膜组件进行膜蒸馏去除糖液中的发酵抑制物。但是，水洗、物理、化学脱毒等方式消耗大量水资源、设备投资成本高、酶解发酵工艺复杂，增加了乙醇生产周期和乙醇生产成本。
技术实现要素：
本发明是针对木质纤维素酶解过程中的传热、传质以及产生过量的毒性化合物对乙醇发酵的抑制问题，提供一种以聚乙二醇-水为介质的木质纤维素分步糖化发酵法。本发明方法制备的水解糖液中抑制物少、可发酵糖浓度高，即解决了木质纤维素酶水解过程中产生的抑制物对葡萄糖发酵产生乙醇的负面影响，又省略了水解糖液的浓缩过程。
一种以聚乙二醇-水为介质的木质纤维素分步糖化发酵法，具体步骤为：
(1)将预处理的木质纤维素按照固体底物与发酵介质的按一定固液比进行混合，然后添加纤维素酶，在ph为4.0-5.5、温度为40-60℃条件下进行初步酶水解；
(2)将步骤(1)中获得的酶解浆液进行固液分离，向所得液体中补加预处理的木质纤维素、纤维素酶，在40-60℃条件下进行再次酶水解；
(3)将步骤(2)中获得的酶解浆液再次进行固液分离，可获得含有较高浓度可发酵糖的水解液。
(4)向步骤(3)步中获得的含有可发酵糖的水解液中添加酿酒酵母，在ph为4.0-5.5、温度为28-40℃条件下进行发酵产乙醇。
所述的预处理的木质纤维素原料主要成分为含有纤维素、半纤维素、木质素的农林废弃物或速生能源植物。原料主要来源为小麦秸秆、玉米秸秆或/和稻草、伐木产生的枝叶、废弃木头或/和木屑、甜高粱或/和柳枝程中的一种或几种。
本发明中所述的预处理的木质纤维素适用的预处理方法包括化学法、物理法、化学-物理法以及生物法等。
本发明步骤(1)中所述的酶解介质为聚乙二醇与水的混合物，聚乙二醇与水的质量比为2％-50％。所述聚乙二醇分子量为200～8000，优选为200-2000；
本发明步骤(1)、(2)中所述的预处理的纤维素与酶解介质的固液比(克/毫升)均为5％-50％；纤维素酶的添加量为10-80fpu/g木质纤维素原料；
本发明步骤(1)、(2)所述的预处理的木质纤维素酶解时间为2-120小时；所述的酿酒酵母的细胞密度的od600值为：0.2～20，优选为8.0～10；
相对现有技术，本发明一种以聚乙二醇-水为介质的木质纤维素分步糖化发酵产乙醇的方法具有如下优点：本发明方法分批补料酶解缓解传热、传质作用，可获得高浓度还原糖的水解液；酶解后离心分离的固体残渣可作为发酵毒性抑制物的吸附剂，制备的水解糖液中抑制物少；聚乙二醇可有效缓解残留毒性化合物对乙醇发酵的抑制；酶解液无需脱毒处理可直接用于发酵，可简化生产工艺、减少设备投资。
(1).本发明方法分批补料有利用于酶解过程的传热、传质，可获得高浓度还原糖的水解液；
(2)酶解后离心分离的固体残渣可作为发酵毒性抑制物的吸附剂，除去水解液中大部分发酵抑制物；
(3)聚乙二醇可有效缓解残留的毒性化合物对乙醇发酵的抑制
(4)酶解液无需脱毒处理可直接用于乙醇发酵，可有效简化生产工艺、减少设备投资。
本发明方法即解决了木质纤维素酶水解过程中产生的毒性抑制物对葡萄糖发酵产生乙醇的负面影响，又省略了水解糖液的浓缩过程，降低乙醇蒸馏能耗，从而有效降低纤维素乙醇生产的总成本。
附图说明
图1是本发明一种以聚乙二醇-水为介质的木质纤维素分步糖化发酵法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围不受实施例的限制，下述实施例和说明书中描述的内容只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
一种以聚乙二醇-水为介质的木质纤维素分步糖化发酵法的工艺流程图如图1所示。
实施例1
汽爆法预处理的速生杨、聚乙二醇(peg-1000)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为40g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解24h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为70g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为30g/l。
实施例2
汽爆法预处理的速生杨、聚乙二醇(peg-200)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为41g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解24小时，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为72g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为26g/l。
实施例3
汽爆法预处理的秸秆、聚乙二醇(peg-2000)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为45g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解24小时，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为86g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为35g/l。
实施例4
汽爆法预处理的秸秆、聚乙二醇(peg-8000)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为43g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解24h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为78g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为32g/l。
实施例5
汽爆法预处理的秸秆、聚乙二醇(peg-1000)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶10fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为30g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶10fpu/g底物进行再次酶水解24h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为48g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为19g/l。
实施例6
汽爆法预处理的秸秆、聚乙二醇(peg-1000)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为50g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解24小时，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为90g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为42g/l。
实施例7
汽爆法预处理的秸秆、聚乙二醇(peg-1000)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶30fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为60g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶30fpu/g底物进行再次酶水解24h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为110g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为50g/l。
实施例8
速生杨糠醛渣、聚乙二醇(peg-2000)、去离子水按照固液比15％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶50fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解8小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为65g/l；向水解液体中按固液比15％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶50fpu/g底物进行再次酶水解8h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为116g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为55g/l。
实施例9
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-400)、去离子水按照固液比15％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶80fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解8小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为63g/l；向水解液体中按固液比15％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶80fpu/g底物进行再次酶水解8h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为114g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为52g/l。
实施例10
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比20％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶60fpu/g底物，在ph为4.85、温度为40℃条件下进行初步酶水解72小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为55g/l；向水解液体中按固液比20％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶60fpu/g底物进行再次酶水解72h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为100g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为42g/l。
实施例11
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比20％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶60fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解72小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为85g/l；向水解液体中按固液比20％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶60fpu/g底物进行再次酶水解72h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为170g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为73g/l。
实施例12
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比20％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶60fpu/g底物，在ph为4.85、温度为60℃条件下进行初步酶水解72小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为88g/l；向水解液体中按固液比20％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶60fpu/g底物进行再次酶水解72h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为174g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为75g/l。
实施例13
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比20％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比5％，然后添加纤维素酶60fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解72小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为84g/l；向水解液体中按固液比20％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶60fpu/g底物进行再次酶水解72h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为172g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为18g/l。
实施例14
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比30％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶80fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解72小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为100g/l；向水解液体中按固液比30％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶80fpu/g底物进行再次酶水解72h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为200g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为10.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为92g/l。
实施例15
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比30％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶80fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解72小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为105g/l；向水解液体中按固液比30％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶80fpu/g底物进行再次酶水解72h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为204g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为94g/l。
实施例16
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比30％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶80fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解8小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为78g/l；向水解液体中按固液比30％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶80fpu/g底物进行再次酶水解8h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为135g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为58g/l。
实施例17
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比30％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比2％，然后添加纤维素酶80fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解8小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为77g/l；向水解液体中按固液比30％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶80fpu/g底物进行再次酶水解8h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为132g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为15g/l。
实施例18
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-4000)、去离子水按照固液比30％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比20％，然后添加纤维素酶80fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解8小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为78g/l；向水解液体中按固液比30％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶80fpu/g底物进行再次酶水解8h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为135g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为58g/l。
实施例19
秸秆糠醛渣、聚乙二醇(peg-400)、去离子水按照固液比10％进行混合，聚乙二醇与去离子水质量比50％，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解8小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为42g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解8h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为68g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为8.0，温度为38℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为29g/l。
对比例1
与实施例1进行对比，汽爆法预处理的速生杨与去离子水按照固液比10％进行混合，然后添加纤维素酶15fpu/g底物，在ph为4.85、温度为50℃条件下进行初步酶水解24小时，将获得的酶解浆液进行固液分离，所得水解液中葡萄糖浓度为38g/l；向水解液体中按固液比10％补加汽爆法预处理的速生杨、纤维素酶15fpu/g底物进行再次酶水解24h，将获得的酶解浆液再次进行固液分离，获得水解液的葡萄糖浓度为65g/l；向获得的水解液中添加酿酒酵母od600为2.0，温度为33℃条件下进行发酵产乙醇，发酵96小时后获得的乙醇浓度为10g/l。
从而获得高乙醇浓度。由此可见，聚乙二醇是木质纤维素水解液原位脱毒发酵制乙醇的关键因素。当然，纤维素酶的用量、固液比、酶解温度、酶解时间、发酵温度、发酵时间等因素也互相关联，真正在实施该工艺的过程中需要根据具体情况调整各个参数，以期达到理想的发酵效果。