木薯渣的回收利用方法与流程

本发明涉及生物工程领域，具体地，涉及一种木薯渣的回收利用方法。

背景技术：

大力发展生物燃料，实现对化石燃料的逐步替代是社会经济发展的趋势。以乙醇为代表的生物质液体燃料作为洁净和可再生的零碳交通燃料，是目前最可行、可以大量使用的运输燃料，更是减少化石燃油消耗和温室气体排放最经济的方法之一。为了国家实现《可再生能源中长期发展规划》提出的生物燃料发展目标，生物质液体燃料的生物制造不需要消耗粮食资源，也不占用耕地，任何纤维素类的农林废弃物都可以作为原料，完全是一项环境友好的、可持续发展的技术。

木薯作为采用非粮原料，具有较广的分布、相对便宜、高产值、淀粉含量高等优点，被用于生物乙醇的生产。2012年我国木薯燃料乙醇产量已近40万吨，预计未来3-5年内，我国木薯燃料乙醇产量将超过150万吨/年，含有木薯渣的废醪液产量近1000万吨，其绿色化处理面临挑战。木薯渣中含有纤维素、半纤维素、木质素、蛋白和残淀粉等多种组分，其复杂的结构能够有效抵抗外部降解。因此，选择合理的方法对木薯渣进行回收利用是目前急需解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种木薯渣的回收利用方法，本发明提供的方法以木薯渣为原料，能够获得较高浓度的乙醇，提高木糖的利用率和糖醇的转化率，从而实现对木薯渣的回收利用。

为了实现上述目的，本发明提供了一种木薯渣的回收利用方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含木薯渣的原料依次进行热解和酶解，得到酶解产物；

(2)在发酵菌株的存在下，将由步骤(1)得到的酶解产物进行发酵；

(3)将由步骤(2)得到的发酵产物经粗馏后，获得粗馏馏分和木质素残渣，所述粗馏馏分经精馏后得到乙醇；

其中，在步骤(1)中，所述酶解的过程所使用的酶为纤维素酶。

由于木薯渣的组分复杂，其复杂的结构能够有效地抵抗外部降解，目前尚没有很好地对其进行处理的方法，以实现对其回收利用。本发明的发明人通过大量的研究发现，通过对含木薯渣的原料进行热解处理(特别是稀酸蒸汽爆破处理)，可以使原料中的纤维素内的有序结构发生变化，有利于纤维素酶对其进行酶解，以提高纤维素的回收利用率。并且，将酶解产物在发酵酵母的作用下进行发酵，然后经粗馏和精馏处理可以获得较高浓度的乙醇，且乙醇的产率较高。

在优选的情况下，酶解后的产物还可以与由木薯制备乙醇过程中的糖化产物混合，经发酵和精馏处理后获得乙醇和含木薯渣的原料，获得的含木薯渣的原料可以重新返回至本发明提供的回收利用工艺中，以实现对木薯渣的循环利用。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种优选实施方式提供的木薯渣的回收利用方法的流程图。

具体实施方式

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。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供了一种木薯渣的回收利用方法，其中，该方法包括以下步骤：

(1)将含木薯渣的原料依次进行热解和酶解，得到酶解产物；

(2)在发酵菌株的存在下，将由步骤(1)得到的酶解产物进行发酵；

(3)将由步骤(2)得到的发酵产物经粗馏后，获得粗馏馏分和木质素残渣，所述粗馏馏分经精馏后得到乙醇；

其中，在步骤(1)中，所述酶解的过程所使用的酶为纤维素酶。

在本发明中，对所述含木薯渣的原料的来源没有特别的限定，例如，可以是生产淀粉或乙醇后产生的含有木薯渣的废料，在优选的情况下，本发明所述的含木薯渣的原料来自于生产乙醇后产生的废料。

根据本发明，以干基计，所述含木薯渣的原料含有以下组分：8-30重量％的纤维素、1-20重量％的半纤维素、20-35重量％的木质素、5-15重量％的蛋白、2-20重量％的淀粉和10-15重量％的灰分。

在本发明中，所述含木薯渣的原料中各组分的含量采用hplc法进行测定。

在优选的情况下，以干基计，所述含木薯渣的原料含有以下组分：12-20重量％的纤维素、2-12重量％的半纤维素、25-34重量％的木质素、6-12重量％的蛋白、5-18重量％的淀粉和11-15重量％的灰分。

根据本发明，所述含木薯渣的原料还含有水，本发明对所述含木薯渣的原料的含水量没有特别的限定，可以通过常规的手段对含水量进行控制。在优选的情况下，所述含木薯渣的原料中干基的含量为25-60重量％，更优选为30-50重量％，进一步优选为35-45重量％。另外，本发明对所述含木薯渣的原料中干基的含量(或含水量)的控制方法没有特别的限定，只要能够将含木薯渣的原料的干基(或水)的含量控制在预期的范围内即可，例如，可以通过干燥、挤压、过滤等方式，优选地，所述含木薯渣的原料中干基的含量通过挤压脱水处理的方式进行控制。

在本发明中，所述含木薯渣的原料中干基的含量可以通过各种方式测得。除非特殊说明，本发明所述含木薯渣的原料中干基的含量均是指含木薯渣的原料在70-100℃下烘干至恒重的木薯渣的干计重量w2，与含木薯渣的原料的初始重量w1的重量百分比，即干基的含量(重量％)＝w2/w1×100％。

根据本发明，为了获得更好的预处理效果，所述木薯渣的粒径优选为0.05-10mm，更优选为0.1-2mm。其中，控制所述木薯渣的粒径的方法可以采用本领域技术人员公知的各种方法，例如，可以采用粉碎的方式。

根据本发明，在步骤(1)中，所述热解的方法包括：在酸剂的存在下，将含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理。

根据本发明，对所述酸剂的选择没有特别的限定，只要能够提供酸性环境即可，例如，所述酸剂可以为硫酸、草酸、柠檬酸、磷酸、盐酸和亚硫酸中的至少一种，优选为硫酸和/或草酸。

在本发明中，所述酸剂的浓度优选为0.1-70重量％，更优选为5-50重量％，进一步优选为8-20重量％。

在优选的情况下，相对于100重量份的以干基计的所述含木薯渣的原料，所述酸剂的用量为0.1-10重量份，更优选为0.2-5重量份，进一步优选为0.3-2重量份。

在本发明中，所述蒸汽爆破处理的压力优选为0.1-2.5mpa，更优选为0.5-2mpa，进一步优选为0.6-1.5mpa。本发明中的压力指的是绝压。

根据本发明，所述蒸汽爆破处理的温度优选为100-225℃，更优选为152-213℃，进一步优选为159-200℃。

根据本发明，所述蒸汽爆破处理的时间优选为0.5-30min，更优选为3-20min，进一步优选为5-15min。

根据本发明，在步骤(1)中，对所述纤维素酶的用量没有特别的限定，只要可以将原料中的纤维素完全酶解即可，在优选的情况下，在步骤(1)中，相对于100重量份的以纤维素计的热解产物，所述纤维素酶的用量为2-20重量份，更优选为4.5-12重量份。

在本发明中，对所述纤维素酶的来源没有特别的限定，例如，可以通过常规的商购手段获得。

在优选的情况下，在所述酶解的过程中，酶解底物的干基含量为5-40重量％，更优选为10-26重量％。在本发明中，所述酶解底物的干基含量可以通过加入去离子水或浓缩的方式进行控制。

在本发明中，在步骤(1)中，所述酶解的条件包括：温度为30-65℃，优选为48-52℃；时间为12-120h，优选为48-72h；ph值为3.5-6，优选为4.5-5.5。更优选地，所述酶解的过程在搅拌的条件下进行，所述搅拌的速率进一步优选为80-120rpm。

根据本发明，在步骤(2)中，相对于每升酶解产物，以干细胞重量(dcw)计的所述发酵菌株的接种量优选为0.08-1.5g，更优选为0.25-1g。

在本发明中，对所述发酵的条件没有特别的限定，可以为本领域常规使用的发酵的条件。在优选的情况下，所述发酵的条件包括：温度为25-35℃，更优选为28-33℃；时间为24-96h，更优选为48-72h；ph值为4-6.5，更优选为5-6。进一步优选地，所述发酵在厌氧的条件下进行。

根据本发明，在步骤(2)中，对所述发酵菌株的种类没有特别的限定，只要可以实现糖发酵的目的即可。优选地，所述发酵菌株为酿酒酵母(s.cerevisiae)。

在本发明中，在步骤(2)中，所述发酵的过程优选在营养物质的存在下进行。更优选地，所述营养物质为尿素、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硫酸铵、硝酸铵、硫酸镁中的至少一种，进一步优选为尿素和/或硫酸铵。

在优选的情况下，所述营养物质的量为100-2000ppm，更优选为200-1000ppm。在本发明中，单位“ppm”相当于“mg/l”。

根据本发明，在步骤(3)中，对所述粗馏的过程没有特别的限定，只要能够实现固液分离的目的即可。具体地，经所述粗馏的过程以后，可以获得液相(粗馏馏分)和固相(木质素残渣)。优选地，所述粗馏的条件包括：压力为-0.02～-0.08mpa，温度为40-90℃。

在优选的情况下，所述木质素残渣可以制备成常规的木素产品，例如，木质素磺酸盐。

在本发明中，在步骤(3)中，所述精馏的过程可以进一步对所述粗馏馏分进行分离以获得乙醇。优选地，所述精馏的条件包括：压力为0.2-0.6mpa，温度为105-160℃。

在优选的情况下，所述回收利用方法还包括：将由步骤(1)得到的酶解产物返回至由木薯(优选为木薯干)得到木薯渣的过程。更优选地，所述由木薯得到木薯渣的过程为由木薯生产乙醇和/或淀粉的过程，优选为由木薯生产乙醇的过程。进一步优选地，所述回收利用方法还包括：将由步骤(1)得到的酶解产物与由木薯制备乙醇的过程中的糖化产物混合，依次经另一发酵和另一精馏处理，得到乙醇和含木薯渣的原料，并将得到的含木薯渣的原料重新返回至所述热解的过程。

在本发明中，所述另一发酵的条件优选包括：温度为25-35℃，更优选为28-33℃；时间为48-96h，更优选为56-72h；ph值为4-6.5，更优选为4-5。所述另一精馏的条件优选包括：压力为0.2-0.6mpa，温度为105-160℃。

根据本发明的一种优选实施方式，如图1所示，本发明将含木薯渣的原料进行热解预处理(稀酸蒸汽爆破预处理)，并将预处理的产物与纤维素酶接触进行酶解，得到酶解产物(酶解液)。然后，将得到的酶解产物在发酵菌株的存在下进行发酵，得到的发酵产物经粗馏处理后，获得粗馏馏分和木质素残渣，其中，得到的粗馏馏分经精馏后可以得到燃料乙醇，得到的木质素残渣可以用于木素产品的制备。更优选地，上述酶解产物(酶解液)还可以与由木薯制备乙醇的过程中的糖化产物(如糖化后的木薯干)混合，依次经另一发酵和另一精馏处理，得到燃料乙醇、酒糟清液和含木薯渣的原料，并将得到的含木薯渣的原料重新返回至热解过程，以实现对木薯渣的循环利用。

在优选的情况下，所述粗馏馏分的精馏过程可以与所述另一精馏处理使用相同的工艺设备进行，或者，所述粗馏馏分的精馏过程也可以返回至所述另一精馏处理的工艺过程，以获得燃料乙醇、酒糟清液和含木薯渣的原料。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

在以下实施例和对比例中，含木薯渣的原料中各组分的含量采用hplc方法进行测定，具体条件为：

bioradaminex分析柱hpx-87h

进样体积：20μl

流动相：0.005m硫酸，经过0.2μm过滤膜过滤并脱气

流速：0.6ml/min

柱温：55-65℃

检测器温度：尽量接近柱温

检测器：折光率检测器

运行时间：50min。

发酵酵母a为按照文献(jindmicrobiolbiotechnol，2011，38:617–626)中报道的方法制备得到的酿酒酵母。

发酵酵母b为按照cn106554924a的说明书中实施例1的方法制备得到的酿酒酵母。

发酵酵母a和b培养方法为：将发酵酵母a或b接种于yepd培养基(酵母膏10g/l，蛋白胨20g/l，葡萄糖20g/l，ph值为6)中，于20℃、200rpm条件下培养至细胞密度为2×10⁸个/ml，以分别得到发酵酵母a或b的酵母液。

木糖的含量采用hplc的方法进行检测，木糖利用率的计算公式为：木糖利用率＝(初始木糖浓度-终点木糖浓度)/初始木糖浓度×100％。

糖醇的含量采用hplc的方法进行检测，糖醇转化率的计算公式为：糖醇转化率＝(终点乙醇浓度/初始糖浓度)/0.511×100％，其中，0.511为理论最大转化率，所述的糖醇转化率为真实糖醇转化率和理论转化率的比值。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的回收利用方法。

(1)预处理

将含木薯渣的原料(来自于中粮生物化学(安徽)股份有限公司生产乙醇产生的废料；以干基计，含有以下组分：20重量％的纤维素、5重量％的半纤维素、32重量％的木质素、13重量％的灰分、18重量％的淀粉和12重量％的蛋白，粒径为1mm；其中干基的含量为40重量％)，然后在稀硫酸(浓度为10重量％)的存在下，进行蒸汽爆破处理，条件为：稀硫酸的用量为1g/100g干基量，压力为1.2mpa，处理时间为10min，温度为188℃，获得预处理物料。

经hplc法分析，以干基计，在得到的预处理物料中纤维素的含量为17.07重量％，酸溶木质素的含量为0.65重量％，酸不溶木质素的含量为22.01重量％。

(2)酶解

将由步骤(1)得到的预处理物料用去离子水配制成干基含量为15重量％的酶解底物20g，然后按照12％(g/g纤维素)的加酶量加入纤维素酶(诺维信ctec3，下同)进行酶解，酶解的条件：ph5.0，50℃恒温，100rpm，时间72h，得到酶解液。

经hplc法分析，酶解液中葡萄糖的含量为26.1g/l，木糖的含量为5.8g/l。

(3)发酵

将步骤(2)得到的酶解液投入发酵罐中，并且，将发酵酵母a的酵母液经生理盐水洗涤、离心后，按0.5g(dcw)/l接种量将发酵酵母a接入yepd培养基中，加入500ppm的尿素，在ph值为5.5、30℃条件下，厌氧培养72h。

发酵完成后，将发酵产物经粗馏(压力为-0.02～-0.08mpa，温度为40-90℃)和精馏(压力为0.2-0.6mpa，温度为105-160℃)处理后，得到的乙醇终浓度为14g/l，木糖利用率达90％以上，糖醇转化率为87％。

实施例2

本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的回收利用方法。

(1)预处理

按照实施例1的步骤(1)进行。

(2)酶解

将由步骤(1)得到的预处理物料用去离子水配制成干基含量为10重量％的酶解底物20g，然后按照7.5％(g/g纤维素)的加酶量加入纤维素酶进行酶解，酶解的条件：ph5.0，50℃恒温，100rpm，时间72h，得到酶解液。

经hplc法分析，酶解液中葡萄糖的含量为17.28g/l，木糖的含量为3.05g/l。

(3)发酵

将步骤(2)得到的酶解液投入发酵罐中，并且，将发酵酵母a的酵母液经生理盐水洗涤、离心后，按1.0g(dcw)/l接种量将发酵酵母a接入yepd培养基中，加入1000ppm的尿素，在ph值为5、30℃条件下，厌氧培养72h。

发酵完成后，将发酵产物依次经粗馏(压力为-0.02～-0.08mpa，温度为40-90℃)和精馏(压力为0.2-0.6mpa，温度为105-160℃)处理后，得到的乙醇终浓度为9.2g/l，木糖利用率为85％，糖醇转化率为87％。

实施例3

本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的回收利用方法。

(1)预处理

按照实施例1的步骤(1)进行。

(2)酶解

将由步骤(1)得到的预处理物料用去离子水配制成干基含量为26重量％的酶解底物20g，然后按照4.5％(g/g纤维素)的加酶量加入纤维素酶进行酶解，酶解的条件：ph5.0，50℃恒温，100rpm，时间72h，得到酶解液。

经hplc法分析，酶解液中葡萄糖的含量为45.3g/l，木糖的含量为10.1g/l。

(3)发酵

将步骤(2)得到的酶解液投入发酵罐中，并且，将发酵酵母a的酵母液经生理盐水洗涤、离心后，按0.25g(dcw)/l接种量将发酵酵母a接入yepd培养基中，加入250ppm的尿素，在ph值为6、30℃条件下，厌氧培养72h。

发酵完成后，将发酵产物依次经粗馏(压力为-0.02～-0.08mpa，温度为40-90℃)和精馏(压力为0.2-0.6mpa，温度为105-160℃)处理后，得到的乙醇终浓度为25g/l，木糖利用率为85％，糖醇转化率为87％。

实施例4

本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的回收利用方法。

按照实施例1的方法进行，不同的是，在步骤(3)中，使用发酵菌株b代替发酵菌株a。得到的乙醇终浓度为14.5g/l，木糖利用率为92％，糖醇转化率为88.7％。

实施例5

本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的回收利用方法。

按照实施例1的方法进行，不同的是，在步骤(3)中未加入尿素。得到的乙醇终浓度为13.8g/l，木糖利用率为87％，糖醇转化率为85％。

实施例6

本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的回收利用方法。

按照实施例1的方法进行，不同的是，含木薯渣的原料来自于广西中粮生物质能源有限公司生产乙醇产生的废料，以干基计，含有以下组分：18.4重量％的纤维素、5.6重量％的半纤维素、34重量％的木质素、15重量％的灰分、16重量％的淀粉和11重量％的蛋白，粒径为1.5mm。得到的乙醇终浓度为15g/l，木糖利用率为90％，糖醇转化率为88％。

对比例1

按照实施例1的方法进行，不同的是，含木薯渣的原料不经过实施例1中的步骤(1)预处理过程。得到的乙醇终浓度为6g/l，木糖利用率为70％，糖醇转化率为70％。

对比例2

按照实施例1的方法进行，不同的是，在步骤(2)中，使用半纤维素酶(诺维信htec2)代替实施例1中使用的纤维素酶。酶解液中葡萄糖的含量为10g/l，木糖含量为6g/l。得到的乙醇终浓度为7.1g/l，木糖利用率为85％，糖醇转化率为87％。

通过以上实施例1-6和对比例1-2的结果可以看出，对于含木薯渣的原料，通过本发明提供的方法，能够获得较高浓度的乙醇，提高木糖的利用率和糖醇的转化率，从而实现对木薯渣的回收利用。

另外，本发明的发明人通过大量的研究发现，在酸剂的存在下对含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理，特别是在特定的酸剂(如浓度为0.1-70重量％，优选为8-20重量％的稀硫酸或草酸)及用量(0.1-10重量％，优选为0.3-2)的情况下，以特定的温度(100-225℃，优选为159-200℃)、压力(0.1-2.5mpa，优选为0.6-1.5)和处理时间(0.5-30min，优选为5-15min)对含木薯渣的原料(例如，来自于中粮生物化学(安徽)股份有限公司生产乙醇产生的废料；以干基计，含有以下组分：20重量％的纤维素、5重量％的半纤维素、32重量％的木质素、13重量％的灰分、18重量％的淀粉和12重量％的蛋白，粒径为1mm，其中干基的含量为40重量％)进行蒸汽爆破处理，可以使纤维素内的有序结构发生变化，有利于纤维素酶对其进行酶解。当按照以上实施例2中步骤(2)的酶解条件进行酶解时，获得的酶解液中糖含量(包括葡萄糖、木糖和阿拉伯糖)高达14.44g/l以上，甚至在优选的条件下可以达到19.28g/l以上；而在含木薯渣的原料未经本发明提供的上述预处理的情况下，得到的酶解液中糖含量仅为7.63g/l。由于采用本发明提供的热解方法(稀酸蒸汽爆破)得到的酶解液中糖含量(特别是葡萄糖和木糖的含量)均较高，因此可以预期将该酶解液经过发酵后能够获得较高浓度的乙醇，从而更好地实现了对木薯渣原料的回收利用。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。