一種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)纖維素乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物質(zhì)化工技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)纖維 素乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著當(dāng)今資源能源危機(jī)、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問題日益突出，利用豐富的木質(zhì) 纖維素生物質(zhì)可再生資源，生物煉制可全方位替代石化生產(chǎn)的生物液體燃料和生物基化學(xué) 品，是當(dāng)前世界生物能源產(chǎn)業(yè)的主流。在眾多生物基產(chǎn)品中以纖維素燃料乙醇作為典型代 表，其常見的技術(shù)路線包括原料的預(yù)處理、酶水解、乙醇發(fā)酵和分離提純等步驟，盡管纖維 素乙醇的生產(chǎn)工藝已經(jīng)打通，而且國(guó)內(nèi)外已建立了 10多套試裝置或示范生產(chǎn)線，但過高的 生產(chǎn)成本嚴(yán)重阻礙了纖維素乙醇的商業(yè)化步伐。
[0003] 造成生產(chǎn)成本較高的技術(shù)原因是由于纖維素乙醇發(fā)酵尚未達(dá)到淀粉質(zhì)乙醇發(fā)酵 常見的"三高"（高濃度，高轉(zhuǎn)化率和高效率）指標(biāo)，具體表現(xiàn)在：（1)目前絕大多數(shù)預(yù)處理 后的纖維質(zhì)原料仍含有大量雜質(zhì)（木質(zhì)素、灰分和半纖維素等），導(dǎo)致基質(zhì)纖維素純度普遍 偏低；(2)在原料水解糖化方面，纖維素酶比活力有限，產(chǎn)物抑制較敏感，導(dǎo)致難以高基質(zhì) 濃度液化，存在水解糖液濃度普遍偏低的現(xiàn)象；（3)由于糖液濃度偏低和發(fā)酵抑制物問題， 導(dǎo)致目前的纖維素乙醇發(fā)酵液中乙醇含量偏低。針對(duì)上述存在的問題，國(guó)內(nèi)外研宄者圍繞 纖維素乙醇濃醪發(fā)酵在纖維素純度、基質(zhì)濃度、傳質(zhì)傳熱和發(fā)酵抑制物等各個(gè)方面開展了 一系列的研宄工作，也均取得了明顯進(jìn)展，但發(fā)酵基質(zhì)濃度多在15 - 20%，發(fā)酵后乙醇濃度 在50 - 60g/L，綜合指標(biāo)還不理想，比如機(jī)械攪拌能耗加大、發(fā)酵時(shí)間明顯延長(zhǎng)和纖維素在 純度提高時(shí)損失嚴(yán)重等。因此，纖維素乙醇濃醪發(fā)酵有待于開展進(jìn)一步的研宄工作。
[0004] 在打破木質(zhì)纖維素原料的致密結(jié)構(gòu)和提高纖維素純度方面，我們課題組早期發(fā) 明了甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理技術(shù)（CN 101148830 B ;CN 101440108 B)，該方法在保留原料中 90%纖維素含量的同時(shí)溶解脫出70%以上半纖維素和65%以上木質(zhì)素，預(yù)處理后纖維素 純度可達(dá)60%以上，濕基水解48 hr酶解率可達(dá)90%以上，基質(zhì)可酶解性較好。在此基礎(chǔ) 上，本發(fā)明公開一種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有纖維素乙醇發(fā)酵時(shí)存在物料預(yù)處理方法經(jīng)濟(jì)性差、效率 低、設(shè)備投資昂貴和環(huán)境污染，以及存在發(fā)酵抑制物和糖液濃度偏低等問題，公開了一種甘 油有機(jī)溶劑預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方法包括以下步驟：
[0007] 1、農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物的甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理：
[0008] 準(zhǔn)確稱取一定量的農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物及其干重5~50倍的40~90 %甘油水溶液 于蒸煮容器中，150~240°C保溫蒸煮0. 5~5 hr，蒸煮結(jié)束后冷卻約10~20 min，加入沸 水調(diào)節(jié)使甘油濃度在30~70%，在60~100°C快速攪拌使纖維充分解離15~60 min，趁 熱過濾或離心分離，用3~5倍于濕基重量的40~60%甘油溶液洗滌2~3次，再用3~ 5倍于濕基重量的沸水洗滌2~3次即獲得甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理粗纖維素。
[0009] 2、上述預(yù)處理后物料作基質(zhì)進(jìn)行纖維素乙醇的濃醪發(fā)酵
[0010] 發(fā)酵方式包括同步糖化發(fā)酵、半同步糖化發(fā)酵和分批補(bǔ)料式半同步糖化發(fā)酵，具 體如下：
[0011] 同步糖化發(fā)酵：以上述甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理粗纖維素為碳源，以檸檬酸緩沖液 配制成10~40%初始基質(zhì)濃度培養(yǎng)基，6~20 g/L硫酸銨作氮源，纖維素酶載量10~ 80 FPU/g干基質(zhì)，按6~14%接種量接入釀酒酵母種子液后開始同步糖化發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間 40 ~120 hr，發(fā)酵溫度 32 ~42°C，ρΗ3· 6 ~5. 4。
[0012] 半同步糖化發(fā)酵：基質(zhì)在同步糖化發(fā)酵前先在最適酶解條件下預(yù)酶解8~48hr， 纖維素酶加量為10~80 FPU/g干基質(zhì)，預(yù)酶解溫度45~55°C;然后降溫至32~42°C，再 加入氮源和種子液進(jìn)行同步糖化發(fā)酵。
[0013] 分批補(bǔ)料_(半）同步糖化發(fā)酵：在同步糖化發(fā)酵啟動(dòng)12~48 hr內(nèi)分批次補(bǔ)加 水解液、基質(zhì)或基質(zhì)-纖維素酶，然后進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，以達(dá)到盡可能高的糖液濃度，最 終獲得較高的終產(chǎn)物乙醇濃度，初步解決了高固含量發(fā)酵時(shí)混合物粘度增加、混合不均、傳 質(zhì)受阻和抑制物濃度增加等不利因素。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] 1、既然甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理技術(shù)可使用生物柴油工業(yè)副產(chǎn)品-低質(zhì)甘油作為蒸 煮溶劑，甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理基質(zhì)用于乙醇發(fā)酵，則該發(fā)明有希望同時(shí)推進(jìn)生物柴油和纖 維素乙醇的工業(yè)化，因而具有潛在商業(yè)價(jià)值。
[0016] 2、不像酸/堿預(yù)處理基質(zhì)酶解發(fā)酵前需要中和，也不像低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑（乙醇、甲 醇、丙酮和乙酸）和離子液預(yù)處理后的溶劑殘留對(duì)微生物酶有毒害，甘油本身是許多種微 生物優(yōu)良碳源，所以它的殘留對(duì)后續(xù)酶解和微生物發(fā)酵無(wú)不良影響。
[0017] 3、該發(fā)明的發(fā)酵培養(yǎng)基中僅有纖維素碳源、硫酸銨氮源和檸檬酸緩沖液配制而 成，無(wú)需添加營(yíng)養(yǎng)鹽，所以經(jīng)濟(jì)性較好。
[0018] 4、在甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理物料作為基質(zhì)進(jìn)行纖維素乙醇濃醪發(fā)酵過程中，發(fā)酵醪 液中沒有檢測(cè)到糠醛和5-羥甲基糠醛等常見的發(fā)酵抑制物，乙酸含量也很低4 g/L)， 說明甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理基質(zhì)中沒有明顯的發(fā)酵抑制物。
[0019] 5、采用分批補(bǔ)料式半同步糖化發(fā)酵方式可使基質(zhì)濃度逐步提高到相當(dāng)于40%，避 免了一次性投料高基質(zhì)濃度發(fā)酵時(shí)出現(xiàn)的混合物粘度增加、混合不均、傳質(zhì)受阻和抑制物 濃度增加等不利因素。
[0020] 6、分批補(bǔ)料-半同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇濃度較高，可高達(dá)80 g/L以上，顯著提 高的乙醇濃度在乙醇蒸餾時(shí)有助于降低能耗。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面通過實(shí)例，對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
[0022] 實(shí)施例
[0023] -種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，所述方法包括如下步驟：
[0024] 1、麥草、玉米桿和甘蔗渣等農(nóng)林廢棄物常壓甘油自催化預(yù)處理：準(zhǔn)確稱取10 g烘 干粉碎至不超過15 mm長(zhǎng)得原料，放入帶有攪拌槳的500 mL三孔燒瓶?jī)?nèi)，然后加入200 g 濃度為70%的甘油水溶液，220°C保溫蒸煮3 hr，蒸煮結(jié)束后冷卻約15 min，加入150 g沸 水，快速攪拌使纖維充分解離，趁熱用Gl砂芯漏斗過濾，用500 g甘油（50% )溶液洗滌兩 次，再用400 g沸水洗滌兩次即獲得常壓甘油自催化預(yù)處理物料。
[0025] 2、甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理物料濃醪發(fā)酵產(chǎn)纖維素乙醇：
[0026] 2. 1麥草同步糖化發(fā)酵：初始基質(zhì)濃度15 %，纖維素酶載量30 FPU/g干基質(zhì)，氮源 硫酸銨其添加量10 g/L ;發(fā)酵溫度37°C，發(fā)酵時(shí)間72 hr，pH4. 8,震蕩時(shí)間72 hr，接種量 10%。在此條件下發(fā)酵終產(chǎn)物乙醇濃度為31.2 g/L，纖維素乙醇轉(zhuǎn)化率為73. 3%，發(fā)酵強(qiáng) 度為 0.43 g/L/hr。
[0027] 2. 2麥草半同步糖化發(fā)酵：基質(zhì)在同步糖化發(fā)酵前先進(jìn)行24 hr的預(yù)酶解，纖維素 酶的添加量為30 FPU/g干基質(zhì)，預(yù)酶解溫度50°C，經(jīng)過24 hr的預(yù)酶解后接入釀酒酵母種 子液37°C下進(jìn)行半同步糖化發(fā)酵產(chǎn)乙醇。在此條件下發(fā)酵72hr后終產(chǎn)物乙醇濃度為33. 7 g/L，纖維素乙醇轉(zhuǎn)化率為79. 1 %，發(fā)酵強(qiáng)度為0. 47g/L/hr。
[0028] 2. 3麥草分批補(bǔ)料-半同步糖化發(fā)酵：發(fā)酵啟動(dòng)前24 hr內(nèi)完成補(bǔ)料，每隔6 hr補(bǔ) 加1/3初始基質(zhì)干重及相應(yīng)酶載量，補(bǔ)料后基質(zhì)濃度達(dá)到了 35%。發(fā)酵72 hr后乙醇濃度 達(dá)到了 60. 5 g/L，發(fā)酵強(qiáng)度為0. 84 g/L/hr，發(fā)酵96 hr后乙醇濃度為62. 0 g/L，發(fā)酵強(qiáng)度 為0. 65 g/L/hr，纖維素乙醇轉(zhuǎn)化率為62. 4%。乙醇濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)濟(jì)蒸餾的最低要求（40 g/L)。發(fā)酵液中沒有檢測(cè)到糠醛、5-羥甲基糠醛這兩種抑制物，抑制物乙酸的濃度為2. 90 g/L，低于抑制酵母生長(zhǎng)發(fā)酵的濃度出g/L)。分批補(bǔ)料-半同步糖化發(fā)酵初步解決了高固 含量發(fā)酵時(shí)混合物粘度增加、混合不均、傳質(zhì)受阻和抑制物濃度增加等不利因素。
[0029] 對(duì)這三種發(fā)酵方式進(jìn)行了比較，結(jié)果如下表所示。
[0030]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于方法的步驟如下： 1) 農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物的甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理： 蒸煮：生物質(zhì)廢棄物與甘油溶液裝入按固液混合比例1:5~30裝入蒸煮容器中，加熱 升溫至150~240°C，保溫蒸煮0. 5~5hr ; 離解疏散：蒸煮結(jié)束后，降溫冷卻至80~120°C時(shí)加入沸水使甘油濃度在30~70%， 在60~100°C強(qiáng)力攪拌使纖維充分離解15~60min ; 組分分離：離解疏散后蒸煮液通過過濾或者離心進(jìn)行組分分離，即獲得粗纖維素，并用 1~3倍于分離前體積的30~70 %甘油溶液洗滌1~4次后，再用1~3倍分離前體積的 沸水洗1~4次后，即獲得甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理纖維素。 2) 甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理粗纖維素濃醪發(fā)酵產(chǎn)乙醇： 以初始基質(zhì)濃度10~40%的甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理纖維素為原料，按10~80FPU/g干 基質(zhì)添加纖維素酶，按6~20g/L添加硫酸銨作氮源，按6~14%質(zhì)量比接入釀酒酵母種子 液后在32~42°C下進(jìn)行糖化發(fā)酵40~120hr產(chǎn)乙醇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其步驟1)特征在于：甘油溶液可以是中性、堿性或酸 性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其步驟1)特征在于：所述甘油有機(jī)溶劑蒸煮可以是常 壓或尚壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其步驟2)特征在于：發(fā)酵方式涉及同步糖化發(fā)酵、預(yù) 酶解式半同步糖化發(fā)酵、分批補(bǔ)料式同步糖化發(fā)酵和分批補(bǔ)料式半同步糖化發(fā)酵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其預(yù)酶解特征在于：發(fā)酵基質(zhì)中加入纖維素酶后在最 適酶解條件下水解8~48hr，然后再改變?yōu)檫m宜發(fā)酵條件并加入種子液。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其分批補(bǔ)料特征在于：發(fā)酵過程中分批次地向發(fā)酵醪 液中補(bǔ)加基質(zhì)、水解醪液或纖維素酶，以及同時(shí)補(bǔ)加基質(zhì)和纖維素酶。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1)方法所述濃醪發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于：乙醇濃度在50~ 100g/L，纖維素乙醇轉(zhuǎn)化率為60~90%。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物濃醪發(fā)酵產(chǎn)纖維素乙醇的方法，生物質(zhì)廢棄物甘油溶液混合后加熱升溫至150～240℃，保溫蒸煮0.5～5hr；蒸煮結(jié)束后，加入沸水使甘油濃度在30～70％時(shí)充分離解15～60min；離解疏散后過濾或者離心即獲得粗纖維素，甘油溶液和沸水分別洗滌1～4次后，即獲得甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理纖維素；以初始基質(zhì)濃度10～40％的該纖維素為基質(zhì)，按10～80FPU/g干基質(zhì)添加纖維素酶，按6～20g/L添加硫酸銨作氮源，按6～14％質(zhì)量比接入釀酒酵母種子液后在32～42℃下進(jìn)行糖化發(fā)酵40～120hr產(chǎn)乙醇含量可達(dá)80g/L以上。本發(fā)明在預(yù)處理時(shí)使用甘油作蒸煮劑，發(fā)酵抑制物少，有希望同時(shí)推進(jìn)生物柴油和纖維素乙醇的工業(yè)化，發(fā)酵培養(yǎng)基簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，乙醇產(chǎn)量高。
【IPC分類】C12P7-10
【公開號(hào)】CN104862344
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510212735
【發(fā)明人】孫付保, 王亮, 劉建權(quán), 張震宇, 沈松, 張世敏
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年4月29日