蔗渣半纤维素生产乙醇的方法
【专利摘要】本发明涉及一种蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，包括蔗渣预处理、蔗渣半纤维素提取液脱毒处理、蔗渣半纤维素提取液水解和蔗渣半纤维素水解液发酵步骤。采用双酶糖化蔗渣半维素和双酵母混合菌株发酵半纤维素稀酸水解液，仅解决了传统的酿酒酵母只能利用葡萄糖而不能利用木糖发酵产乙醇的缺陷，大大提高了木质纤维原料的利用率，而且表现出了乙醇产率高、转化率快等优点，对生物乙醇的生产具有重要意义，实现蔗渣资源的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。
【专利说明】
蔗渣半纤维素生产乙醇的方法
技术领域
[0001 ]本发明属于生物化工、发酵工程与生物质能源领域，特别是涉及一种蔗渣半纤维素生产乙醇的方法。
【背景技术】
[0002]蔗渣是甘蔗糖厂最大量的副产物，其产率为加工甘蔗量的24%_27%。我国是世界第三甘鹿种植大国，在南方地区鹿渣的产量达到7000 kt/a。鹿渣是一种丰富的可再生生物质资源，其主要成分为纤维素、半纤维素以及木质素等天然高分子物质。其中半纤维素主要是以木糖、阿拉伯糖聚合而成的木聚糖，而纤维素则是葡萄糖的聚合物。目前这些蔗渣除少量用于造纸外，绝大部分被烧掉或废弃，不仅造成资源浪费，还严重污染环境。因此，如果能从甘蔗渣中提取出优质的半纤维素和纤维素应用于工业生产将会产生巨大的经济效益和生态效。蔗渣可以蔗渣除部分用作造纸外，大部分作为废弃物或作为锅炉燃料，利用率不高。若能通过生物质转化利用工程技术将蔗渣进行充分的综合利用，将显著提高其经济价值和环保价值。乙醇是来自生物质资源的最有发展前景的液态燃料。甘蔗渣被认为是一种来源丰富的可再生资源，是作为纤维素燃料乙醇的重要原料之一。但是目前，甘蔗渣生产乙醇的转化率仍然很低。其中一个重要原因是甘蔗渣半纤维素的利用率很低。在乙醇生产过程中，主要利用了蔗渣纤维原料中的纤维素，而大部分的半纤维素和木质素在预处理时会溶解在处理液中，得不到有效利用。因此，如何提高甘蔗渣半纤维素的利用率上，尽量脱除木质素成为蔗渣综合利用的一个重要而紧迫的问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种生产成本低，乙醇产率高、转化率快的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，实现蔗渣资源的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。
[0004]本发明是这样实现的:
一种蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:包括以下步骤:
(1)蔗渣预处理:所述的蔗渣预处理为将蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎机粉粹、过40-80目筛网，然后将粉粹后的混合物浸入质量分数为0.1%_1%硫酸溶液中处理，固液比为1:10-20，在170°c-20(rc下蒸煮2-10分钟，过滤，制得蔗渣半纤维素提取液；
(2)蔗渣半纤维素提取液脱毒处理:在蔗渣半纤维素提取液中加氧化钙调节水解液pH至9-11，然后加热水解液至50°C-60°C，保温20-30分钟，过滤，水解液经活性炭吸附，再用硫酸回调pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纤维素提取液水解:将脱毒处理后的蔗渣半纤维素提取液置于反应罐中，调节pH = 4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，在30°C_45°C温度下水解糖化50-80小时，即完成酶水解糖化过程；
(4)蔗渣半纤维素水解液发酵:将吸附固定材料固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，吸附固定材料充分吸涨后，接种酵母菌株，然后控制发酵温度为35-38 V，pH=6，发酵20_30h，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
[0005]进一步，所述蔗渣和甘蔗尾梢的重量比为6-7:2-3ο
[0006]进一步，所述纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.5-2.0g/L。
[0007]进一步，所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为6-7:3-4。
[0008]进一步，所述纤维素酶的制备方法为:在温度为25-35°C、pH=4.0-5.0的条件下，用里氏木霉作为宿主细胞分泌纤维素酶，其中，以烟草废弃物作为碳源，豆饼粉为氮源，培养时间为6-10小时，通气量0.4-1.0vvm，搅拌速度为200-500转/分钟。
[0009]进一步，所述木聚糖酶的制备方法为:以木聚糖酶生产菌株中挑选出黑曲霉诱变株作为生产菌株，在曲盘发酵培养基上进行固态发酵，获得发酵曲料后对发酵曲料用缓冲液进行提取，获得木聚糖酶液;所述曲盘发酵培养基的组成为:曲盘装10g基料，(NH4)2SO4
0.5-1.5g，蛋白胨 0.5-lg,KH2PO4 0.3-0.4g，CaCl2 0.2-0.3g，ZnCl2 0.1-0.2g,MgSO40.Ι-Ο.2g,Fe2(SO4)3 0.02-0.08g,吐温40 0.4-0.8 g，自来水120-140mL，自然pH，其中基料的组成为麸皮50-80 g，玉米芯10_40g，豆饼粉10-20g。
[00?0] 进一步，所述步骤(4)中酵母菌株为树干毕赤酵母(Pichia siipiiis」和休哈塔假丝酵母(Candida shehatae 合菌株，接种量为2.g/L，树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母的重量比为1-2:1。所述的树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母，是从微生物保藏中心或市场购买，经过驯化培养，使其适应蔗渣半纤维素水解液。
[0011]进一步，所述步骤(4)中的基础营养液各成分配比为:添加量g/L计算:(NH4)2S042g/L,MnSO4 0.18/1，酵母粉28/1，玉米浆2(^/1，1(2册04 0.28/1，030)3 0.2g/L。
[0012]进一步，所述吸附固定材料为富含网状结构的植物纤维、富含网状结构的人造纤维或金属网状材料。
[0013]本发明突出的实质性特点和显著的进步是:
1、本发明采用树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株生产乙醇，生产成本低，乙醇得率高，乙醇产量高达22.85 g/L，发酵成熟醪液的乙醇体积分数为13.5%，乙醇得率93.5%，实现蔗渣资源的综合利用，能够显著提高甘蔗糖企的综合经济效益，实现环境效益和经济效益双赢。
[0014]2、本发明采用树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株发酵半纤维素稀酸水解液不仅解决了传统的酿酒酵母只能利用葡萄糖而不能利用木糖发酵产乙醇的缺陷，大大提高了木质纤维原料的利用率，而且表现出了乙醇产率高、转化率快等优点，对生物乙醇的生产具有重要意义。
[0015]3本发明在蔗渣原料上加入一定量的甘蔗尾梢，能够增加原料中半纤维素的含量和含糖量，提高酶解率，降低生产成本。
[0016]4采用纤维素酶和木聚糖酶对蔗渣半纤维素进行双酶糖化，能够极大的减小产物的抑制作用以及产物的进一步降解，不仅提高了酶解得率，使得蔗渣的酶解效率得到较大提高，减少了酶的消耗，降低了生产成本。
[0017]5本发明采用硫酸热水预处理法提取植物纤维原料中的半纤维素具有成本低、对环境无污染、能耗低、半纤维素的水解率和回收率高等优点，具有良好的发展前景。
6、本发明采用吸附固定材料将酵母菌株固定起来进行乙醇发酵，不仅可以增加酵母菌株密度，而且可以反复循环使用，减少酵母增殖消耗的糖分，提高了发酵强度和产物产率。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
本实施例所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，主要包括以下步骤:
(1)蔗渣预处理:所述的蔗渣预处理为将蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎机粉粹、过40-80目筛网，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比为6: 2，然后将粉粹后的混合物浸入质量分数为0.1%硫酸溶液中处理，固液比为1:10，在170°C下蒸煮2-10分钟，过滤，制得蔗渣半纤维素提取液；
(2)蔗渣半纤维素提取液脱毒处理:在蔗渣半纤维素提取液中加氧化钙调节水解液pH至9，然后加热水解液至50°C，保温20-30分钟，过滤，水解液经活性炭吸附，再用硫酸回调pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纤维素提取液水解:将脱毒处理后的蔗渣半纤维素提取液置于反应罐中，调节pH=4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，即完成酶水解糖化过程;纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.5g/L，所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为6:3，在30 °C温度下水解糖化50-80小时，
(4)蔗渣半纤维素水解液发酵:将富含网状结构的植物纤维固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，富含网状结构的植物纤维充分吸涨后，接种酵母菌株，酵母菌株为树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株，接种量为2g/L，树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母的重量比为1:1。然后控制发酵温度为35-38°(:，？!1=6，发酵2011，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
[0019]实施例2
本实施例所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，主要包括以下步骤:
(1)蔗渣预处理:所述的蔗渣预处理为将蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎机粉粹、过40-80目筛网，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比为7: 2，然后将粉粹后的混合物浸入质量分数为0.5硫酸溶液中处理，固液比为1:1418°C下蒸煮2-10分钟，过滤，制得蔗渣半纤维素提取液；
(2)蔗渣半纤维素提取液脱毒处理:在蔗渣半纤维素提取液中加氧化钙调节水解液pH至10，然后加热水解液至55°C，保温20-30分钟，过滤，水解液经活性炭吸附，再用硫酸回调pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纤维素提取液水解:将脱毒处理后的蔗渣半纤维素提取液置于反应罐中，调节pH=4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，即完成酶水解糖化过程;纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.6g/L，所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为7:3，在35 °C温度下水解糖化50-80小时，
(4)蔗渣半纤维素水解液发酵:将富含网状结构的植物纤维固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，富含网状结构的植物纤维充分吸涨后，接种酵母菌株，酵母菌株为树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株，接种量为2g/L，树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母的重量比为2:1。然后控制发酵温度为35-38°(:，？!1=6，发酵2511，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
[0020]实施例3
本实施例所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，主要包括以下步骤: (1)蔗渣预处理:所述的蔗渣预处理为将蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎机粉粹、过40-80目筛网，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比为6:3，然后将粉粹后的混合物浸入质量分数为0.8%硫酸溶液中处理，固液比为1:16在19°C下蒸煮2-10分钟，过滤，制得蔗渣半纤维素提取液；
(2)蔗渣半纤维素提取液脱毒处理:在蔗渣半纤维素提取液中加氧化钙调节水解液pH至11，然后加热水解液至58°C，保温20-30分钟，过滤，水解液经活性炭吸附，再用硫酸回调pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纤维素提取液水解:将脱毒处理后的蔗渣半纤维素提取液置于反应罐中，调节pH=4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，即完成酶水解糖化过程;纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为1.8g/L，所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为6:4，在40 °(:温度下水解糖化50-80小时，
(4)蔗渣半纤维素水解液发酵:将富含网状结构的人造纤维固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，富含网状结构的人造纤维充分吸涨后，接种酵母菌株，酵母菌株为树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株，接种量为2g/L，树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母的重量比为1:1。然后控制发酵温度为35-38°(:，？!1=6，发酵2811，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
[0021 ] 实施例4
本实施例所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，主要包括以下步骤:
(1)蔗渣预处理:所述的蔗渣预处理为将蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎机粉粹、过40-80目筛网，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比为7:3，然后将粉粹后的混合物浸入质量分数为1%硫酸溶液中处理，固液比为1:20，在200°C下蒸煮2-10分钟，过滤，制得蔗渣半纤维素提取液；
(2)蔗渣半纤维素提取液脱毒处理:在蔗渣半纤维素提取液中加氧化钙调节水解液pH至11，然后加热水解液至60°C，保温20-30分钟，过滤，水解液经活性炭吸附，再用硫酸回调pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纤维素提取液水解:将脱毒处理后的蔗渣半纤维素提取液置于反应罐中，调节pH=4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，即完成酶水解糖化过程;纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为2.0g/L，所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为7: 4，在45 °C温度下水解糖化50-80小时，
(4)蔗渣半纤维素水解液发酵:将金属网状材料固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，金属网状材料充分吸涨后，接种酵母菌株，酵母菌株为树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株，接种量为2g/L，树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母的重量比为2:1。然后控制发酵温度为35-38°C，pH=6，发酵30h，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。
【主权项】
1.一种蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)蔗渣预处理:所述的蔗渣预处理为将蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎机粉粹、过40-80目筛网，然后将粉粹后的混合物浸入质量分数为0.1%_1%硫酸溶液中处理，固液比为1:10-20，在170°c-20(rc下蒸煮2-10分钟，过滤，制得蔗渣半纤维素提取液； (2)蔗渣半纤维素提取液脱毒处理:在蔗渣半纤维素提取液中加氧化钙调节水解液pH至9-11，然后加热水解液至50°C-60°C，保温20-30分钟，过滤，水解液经活性炭吸附，再用硫酸回调pH至5.5-6.0; (3)蔗渣半纤维素提取液水解:将脱毒处理后的蔗渣半纤维素提取液置于反应罐中，调节pH = 4.8-5.0，并加入纤维素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于摇床中反应，在30°C_45°C温度下水解糖化50-80小时，即完成酶水解糖化过程； (4)蔗渣半纤维素水解液发酵:将吸附固定材料固定于发酵罐中，再将甘蔗纤维素水解液转入发酵罐中，添加适量基础营养液，吸附固定材料充分吸涨后，接种酵母菌株，然后控制发酵温度为35-38 V，pH=6，发酵20_30h，发酵完成后处理发酵液得到乙醇。2.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述蔗渣和甘蔗尾梢的重量比为6-7:2-3。3.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述纤维素酶和木聚糖酶混合菌的用量为I.5-2.0g/L。4.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述纤维素酶和木聚糖酶的重量比为6-7:3-4。5.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述纤维素酶的制备方法为:在温度为25-35°C、pH=4.0-5.0的条件下，用里氏木霉作为宿主细胞分泌纤维素酶，其中，以烟草废弃物作为碳源，豆饼粉为氮源，培养时间为6-10小时，通气量0.4-1.0vvm，搅拌速度为200-500转/分钟。6.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述木聚糖酶的制备方法为:以木聚糖酶生产菌株中挑选出黑曲霉诱变株作为生产菌株，在曲盘发酵培养基上进行固态发酵，获得发酵曲料后对发酵曲料用缓冲液进行提取，获得木聚糖酶液;所述曲盘发酵培养基的组成为:曲盘装10g基料，(NH4)2SO4 0.5-1.5g，蛋白胨0.5-lg ,KH2PO40.3-0.4g，CaCl2 0.2-0.3g，ZnCl2 0.1-0.2g,MgSO40.1-0.2g，Fe2(SO4)3 0.02-0.08g，吐温400.4-0.8 g，自来水120-140mL，自然pH，其中基料的组成为麸皮50-80 g，玉米芯10_40g，豆饼粉 10-20g。7.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述步骤(4)中酵母菌株为树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母混合菌株，接种量为2g/L，树干毕赤酵母和休哈塔假丝酵母的重量比为1-2:1。8.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述步骤(4)中的基础营养液各成分配比为:添加量g/l计算:(NH4)2S04 2g/L,MnSO4 0.lg/L，酵母粉2g/L，玉米浆20g/L，K2HP04 0.2g/L，CaC03 0.2g/L。9.根据权利要求1所述的蔗渣半纤维素生产乙醇的方法，其特征在于:所述吸附固定材料为富含网状结构的植物纤维、富含网状结构的人造纤维或金属网状材料。
【文档编号】C12R1/885GK105925622SQ201610519108
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】张聪聪
【申请人】张聪聪