一種木質(zhì)纖維素高溫酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源領(lǐng)域，具體涉及一種木質(zhì)纖維素高溫酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界人口增長(zhǎng)和各國(guó)工業(yè)化程度提高，能源消耗持續(xù)上升。石油是滿足能源需求的主要資源，但是石油資源是有限的，科學(xué)家預(yù)測(cè)到2050年原油產(chǎn)量將由2009年的258億桶(35.25億噸)下降到50億桶。生物能源作為一種可再生的交通運(yùn)輸燃料，能夠有效的降低室溫效應(yīng)，減緩環(huán)境污染，同時(shí)改變現(xiàn)有不平等的石油供求關(guān)系，保持持續(xù)供應(yīng)，比礦質(zhì)燃料具有明顯優(yōu)勢(shì)。與生物柴油等其它生物能源相比，燃料乙醇的生產(chǎn)已經(jīng)具有了相當(dāng)規(guī)模(2002年全球大約1700萬噸)，主要以含糖物質(zhì)為原料通過發(fā)酵法生產(chǎn)。在汽油中摻入10%的無水乙醇(ElO)不僅可以緩解能源壓力，還能提高辛烷值，改善尾氣排放質(zhì)量。在美國(guó)和巴西，燃料乙醇作為石油替代品已經(jīng)廣泛用作交通燃料。
[0003]我國(guó)政府十分重視能源多元化和環(huán)境污染問題，采取財(cái)政補(bǔ)貼和稅收減免等鼓勵(lì)措施，大力推進(jìn)多元化替代石油能源的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)?！犊稍偕茉捶ā泛汀秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的出臺(tái)，極大地推進(jìn)了生物柴油和燃料乙醇等生物液體燃料的開發(fā)進(jìn)程。我國(guó)規(guī)劃到2020年，生物燃料消費(fèi)量占到全部交通燃料的15%左右，建立起具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的生物燃料產(chǎn)業(yè)，這給我國(guó)燃料乙醇產(chǎn)業(yè)帶來了良好的發(fā)展機(jī)遇。目前我國(guó)乙醇汽油已經(jīng)覆蓋全國(guó)9個(gè)省市，現(xiàn)有燃料乙醇產(chǎn)能152萬噸，2010年實(shí)際生產(chǎn)燃料乙醇180萬噸以上，以玉米和小麥為主要原料。我國(guó)人多地少，耕地資源緊缺，糧食供應(yīng)緊張，以玉米、小麥為原料生產(chǎn)燃料乙醇將威脅到國(guó)家的糧食安全，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格上漲等連鎖反應(yīng)，所以我國(guó)嚴(yán)格控制以糧食為原料的燃料乙醇新建和擴(kuò)能項(xiàng)目。
[0004]相對(duì)于糖類和淀粉作物而言，木質(zhì)纖維素屬于非糧原料，而且資源豐富。它可以來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，如麥草、玉米秸桿、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等;工業(yè)廢棄物，如制漿和造紙廠的纖維渣、鋸末等;林業(yè)廢棄物;城市廢棄物，如廢紙、包裝紙等。據(jù)估計(jì)木質(zhì)纖維素原料占世界生物量100億-500億噸的50%，我國(guó)就農(nóng)作物秸桿每年產(chǎn)量即可達(dá)7億噸，大量被廢棄而未加利用的纖維物(小枝、樹皮、樹葉、肩和廢紙等)約有五億噸/每年，只用其中的I億噸也要年產(chǎn)2000萬噸的燃料乙醇。由此可見，開發(fā)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的新工藝具有很好的前景。
[0005]纖維素酶水解過程中纖維素酶的成本、乙醇蒸餾過程的能耗，以及酶解工藝的連續(xù)性一直是纖維乙醇工業(yè)化的制約因素。中國(guó)專利CN200910098877.8公開了一種纖維素酶產(chǎn)生菌及其制備和應(yīng)用，該菌株具有耐高溫的能力，其分泌的纖維素酶具有耐高溫的特點(diǎn)。中國(guó)專利CN201110025776.5公開了一種高溫酸性纖維素酶EgG5及其基因和應(yīng)用，該發(fā)明的纖維素酶具有以下性質(zhì):最適pH3.5?5.0，最適溫度70°C，比活為60.3U/mg；良好的穩(wěn)定性，在極端酸性范圍內(nèi)依然保持較高酶活。CN200810189465.0公開了一種纖維素乙醇的生產(chǎn)方法，其中包括如下步驟:(I)將含有纖維素和/或半纖維素原料的培養(yǎng)基加入到發(fā)酵反應(yīng)釜中；(2)向發(fā)酵反應(yīng)釜中加入纖維素酶，并接種葡萄牙假絲酵母;(3)在纖維素酶和葡萄牙假絲酵母的共同作用下進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，分離得到纖維素乙醇。
[0006]傳統(tǒng)的纖維素酶工藝采用的纖維素酶較優(yōu)化的酶解溫度為45_50°C，研究表明更高的溫度酶解可以提高酶解效率，減少纖維素酶的使用量，現(xiàn)有耐高溫纖維素酶可以用于高溫酶解發(fā)酵制乙醇，但還不成熟，遠(yuǎn)未到工業(yè)化的程度。開發(fā)一種能夠使常規(guī)市售纖維素酶提高酶解溫度的方法對(duì)纖維素乙醇工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種木質(zhì)纖維素高溫酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法。本發(fā)明方法可以提高酶的活性和利用率，增加發(fā)酵產(chǎn)物得率，可降低了酶解和發(fā)酵成本。
[0008]本發(fā)明木質(zhì)纖維素高溫酶解與發(fā)酵產(chǎn)乙醇方法，包括如下內(nèi)容:
(1)對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理，獲得預(yù)處理原料；
(2)將預(yù)處理原料、纖維素酶、水和甘油加入到酶解罐中進(jìn)行預(yù)酶解，控制酶解體系的干物質(zhì)濃度為15wt%-25wt%，預(yù)酶解溫度控制在54-62 °C，酶解料液的停留時(shí)間為8_48h;預(yù)酶解的pH為4.5-5.5;
(3)預(yù)酶解后料液打入到發(fā)酵罐中，加入耐溫釀酒酵母進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，發(fā)酵溫度控制在36-42 °C；
(4)發(fā)酵液打入到精餾裝置分離乙醇。
[0009]步驟(I)中的木質(zhì)纖維素原料優(yōu)選為玉米秸桿;所述預(yù)處理方式優(yōu)選采用稀酸蒸汽爆破組合預(yù)處理。
[0010]步驟(2)中加入的甘油加入量為0.02-0.20 g/L。
[0011 ]步驟(2)中，控制酶解料液的停留時(shí)間優(yōu)選為12-24h;預(yù)酶解的pH優(yōu)選為4.8-5.2;溫度優(yōu)選為56-60 °C。
[0012]步驟(2)中，所述的纖維素酶的加入量使得纖維素酶與預(yù)處理原料中纖維素的比例為5-25IU/g纖維素。
[0013]步驟(3)中的同步糖化發(fā)酵是指預(yù)酶解后殘余纖維素在發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)乙醇的同時(shí)繼續(xù)被水解的過程。
[0014]步驟(3)中，所述的耐溫釀酒酵母優(yōu)選使用可耐受36-42°C的耐溫釀酒酵母，耐溫乙醇發(fā)酵菌種子液的接種量為I v%-5 v%，酶解后直接進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，控制發(fā)酵溫度為36-42 0C，發(fā)酵時(shí)間為12-96h。
[0015]步驟(3)中，同步糖化發(fā)酵體系中加入氮源，氮源選自酵母膏、蛋白胨、玉米漿、硫酸銨或尿素中的一種或幾種，氮源加入量為同步糖化發(fā)酵體系總質(zhì)量的0.02 wt%-0.2
Wt%o
[0016]步驟(3)中，同步糖化發(fā)酵體系中加入的氮源優(yōu)選尿素。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、在酶解體系中加入甘油，提高纖維素酶的耐受高溫的能力，提高酶解的溫度，有利于提高纖維素酶的活性，降低纖維素酶的使用量，提高木質(zhì)纖維素的酶解效率，提高經(jīng)濟(jì)性。
[0018]2、采用耐高溫酵母菌對(duì)經(jīng)過高溫預(yù)酶解后殘余的纖維素進(jìn)行同步糖化發(fā)酵，可以降低葡萄糖對(duì)纖維素酶的反饋抑制，進(jìn)一步提高纖維素的酶解效率，降低酶成本。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的工藝流程圖；
其中，1-酶解罐，2同步糖化發(fā)酵罐，3-產(chǎn)品分離單元。
【具體實(shí)施方式】
[°02°]下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步說明。本發(fā)明中，wt%為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，v%為體積分?jǐn)?shù)。
[0021]實(shí)施例1
本發(fā)明實(shí)施例使用的木質(zhì)纖維素原料為玉米干秸桿，其中纖維素38.2 wt%，半纖維素22.1 *丨％，木質(zhì)素20.2 *丨％，灰分3.9 wt%，用粉碎機(jī)粉碎至顆粒大小為l_5mm。采用稀酸蒸汽爆破進(jìn)行預(yù)處理，反應(yīng)溫度為1900C，反應(yīng)時(shí)間5min，固液比為1:2，稀硫酸濃度為2.0wt%。從蒸汽爆破裝置出來后用NaOH調(diào)節(jié)pH為5.0，其中干物質(zhì)濃度為32wt%，干物質(zhì)中纖維素含量為40 wt%，預(yù)處理干物質(zhì)回收率為96 wt%0
[0022]酵母種子液培養(yǎng)基為2 wt%葡萄糖，2 wt%蛋白胨和I wt%酵母膏，115°C滅菌30min備用。酵母種子液的制備共分3級(jí)培養(yǎng):第一級(jí)利用接種環(huán)從斜面刮取1-2環(huán)菌泥，接入到置于100 mL三角瓶中的25 mL種子培養(yǎng)基中，37°C，100r/m，振蕩培養(yǎng)24h;第二級(jí)培養(yǎng)把第一級(jí)培養(yǎng)液全部接種到I L發(fā)酵罐中的500mL種子培養(yǎng)基中，37°C，100r/m，培養(yǎng)24h ；第三級(jí)培養(yǎng)把第二級(jí)培養(yǎng)液全部接種到50 L發(fā)酵罐中的25 L種子培養(yǎng)基中，37°C，100 r/min，培養(yǎng)
24h0
[0023]按圖1所示的流程，采用立式酶解罐的有效容積為240L，同步糖化發(fā)酵罐的有效容積為240 L。將預(yù)處理好的玉米秸桿、纖維素酶(購(gòu)自諾維信生物技術(shù)有限公司，型號(hào)為Ctec2，濾紙酶活135 IU/g)和水按比例連續(xù)加入到酶解罐中進(jìn)行預(yù)酶解，其中預(yù)處理玉米秸桿的加入量為150 kg，纖維素酶加入量1.056 kg加入后相當(dāng)于8.1 I U/g纖維素)，甘油加入量0.03 kg，自來水加入量88.914 kg，酶解體系中干物質(zhì)濃度為20 wt%，酶解罐中溫度為58°C，pH 5.0，攪拌速率50 r/min，預(yù)酶解時(shí)間為24 h。然后從酶解罐栗入到同步糖化發(fā)酵罐中，同時(shí)接入耐溫酵母種子液24 L。氮源采用尿素，加入量0.24 kg。同步糖化發(fā)酵罐中溫度為37°C，攪拌速率為100 r/min，同步糖化發(fā)酵時(shí)間為96 h。
[0024]通過液相色譜檢測(cè)，最終發(fā)酵液中的乙醇濃度為4.54 wt%。經(jīng)過計(jì)算葡萄糖得率為88%，乙醇得率為92%。
[0025]比較例I
處理流程和工藝條件與實(shí)施例1相同，不同之處在于:酶解罐中不加入甘油，預(yù)酶解溫度為50 0C0
[0026]通過液相色譜檢測(cè)，最終發(fā)酵液中的乙醇濃度為4.14wt%。經(jīng)過計(jì)算葡萄糖得率為81%，乙醇得率為91%。
[0027]比較例2
處理流程和工藝條件與實(shí)施例1相同，不同之處在于: