專利名稱：采用含纖維素的原料制備乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于乙醇的制備方法，更具體地是關(guān)于采用含纖維素的原料制 備乙醇的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)的由含纖維素的原料，如秸稈制備乙醇的方法主要包括三個步 驟1、含纖維素的原料的預處理；2、纖維素的酶解；3、糖的發(fā)酵制乙醇。
含纖維素的原料一般為植物的根、莖和葉，包括秸稈。所述秸稈即農(nóng)作 物(一般為草本植物)收獲果實后留下的根、莖和葉，主要為莖和葉，如玉 米秸稈、高粱秸稈、谷類植物的秸稈、麥秸。秸稈的主要成分是木質(zhì)纖維素。 所述木質(zhì)纖維素是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的混合物。秸稈中纖維素、半 纖維素和木質(zhì)素通過共價鍵或非共價鍵緊密結(jié)合而成的木質(zhì)纖維，約占秸稈 總重量的70-90%。秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量會隨不同來源 的農(nóng)作物或農(nóng)作物的不同部分而有所區(qū)別。
纖維素被纖維素酶水解的反應(yīng)通常稱為酶解反應(yīng)，又可以稱為糖化反 應(yīng)，酶解的主要產(chǎn)物是單糖。纖維素在纖維素酶的作用下能夠轉(zhuǎn)化成葡萄糖， 半纖維素在半纖維素酶的作用下能夠轉(zhuǎn)化成木糖等單糖，葡萄糖和木糖都可 以用于發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，比如釀酒酵母可以發(fā)酵葡萄糖制備乙醇，樹干畢赤酵 母可以發(fā)酵木糖制備乙醇。纖維素的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)是很容易被打破的，它可以 完全降解成葡萄糖，然后由葡萄糖發(fā)酵成乙醇。但是，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)難 以被破壞。另外，木質(zhì)素是由苯基丙烷聚合而成的一種非多糖物質(zhì)，由芳香 烴的衍生物以-C-C-鍵、-O-鍵縱橫交聯(lián)在一起，其側(cè)鏈又與半纖維素以共價 鍵結(jié)合，形成一個十分致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將纖維素緊緊包裹在里面，不利于
4纖維素酶對纖維素的進攻，使得纖維素酶和半纖維素酶無法接觸底物，因此， 需要先對秸稈進行預處理，如對秸稈進行蒸汽爆破或者酸處理后再與纖維素 酶和/或半纖維素酶接觸，對纖維素進行水解。酸水解雖然能夠破壞木質(zhì)素， 但是也會破壞纖維素，繼而降低葡萄糖的產(chǎn)率，而且酸水解后還需要加大量 堿中和才能進行酶解和發(fā)酵。因此更傾向只通過蒸汽爆破完成預處理過程， 達到破壞木質(zhì)素對纖維素和半纖維素的包埋作用。
例如文獻"對植物秸稈酒精生產(chǎn)工藝的介紹"，張學峰、蘭玉成，.釀酒，
第29巻第4期，第37-38頁，2002年7月，公開了一種利用植物秸稈生產(chǎn) 酒精的方法，該方法包括將玉米秸稈除石除鐵清洗后，切割成1.5厘米的小 段，水浸40分鐘，通入2.5兆帕蒸汽，保溫8分鐘，泄壓，水洗十分之一的 蒸汽爆破產(chǎn)物，并在所述十分之一的蒸汽爆破產(chǎn)物中培養(yǎng)里斯木酶產(chǎn)生纖維 素酶，將所得培養(yǎng)物與另外十分之九的蒸汽爆破產(chǎn)物混合，保溫5(TC水解 24小時，經(jīng)過濾得到6%糖液，無機膜濃縮成20%以上的糖液，加入休哈塔 酵母(0.8-1.2億/毫升)，發(fā)酵24小時，產(chǎn)酒份10%，蒸餾得99.5%的酒精。
CN1117835C公開了一種乙醇溶解汽爆秸稈木質(zhì)素制備液體燃料的方 法，該方法以汽爆秸稈為原料，在高壓反應(yīng)釜中，用乙醇萃取汽爆秸稈中的 木質(zhì)素；再用真空抽濾得到濾液，并將汽爆秸稈萃取渣進行同步糖化固態(tài)發(fā) 酵乙醇，乙醇萃取液及真空抽濾所得濾液即為該方法制備的液體燃料。
所述汽爆秸稈原料的制備方法包括將切碎的麥草、稻草或玉米稈等植物 原料裝入汽爆罐，在1.2-1.7兆帕壓力下，維持壓力5-10分鐘，之后，瞬間 減壓釋放。
所述的乙醇萃取汽爆秸稈中的木質(zhì)素的方法為在高壓反應(yīng)釜中，加入汽 爆秸稈和乙醇，汽爆秸稈和乙醇的體積比為1: 10-1: 50，在1.5-2.0兆帕的 壓力范圍內(nèi)保持l-2小時。
所述的將汽爆秸稈萃取渣進行同步糖化固態(tài)發(fā)酵乙醇是指在33-35°C
5范圍內(nèi)(發(fā)酵)，維持14-16小時，在38-40"C范圍內(nèi)(酶解)，維持68小時， 并交替進行發(fā)酵2-3天。
CN1193099C公開了一種使用耐熱型酵母從木素纖維素生物質(zhì)中生產(chǎn)乙 醇的方法，該方法包括以下步驟
將木素纖維素生物質(zhì)粉碎成顆粒大小為15-30毫米；對粉碎的木素纖維 素生物質(zhì)進行蒸汽爆炸預處理，根據(jù)所用材料的類型保持1-3兆帕的壓力和 190-230。C的溫度l-10分鐘的時間，之后引發(fā)迅速減壓；收集預處理過的物 料并且通過過濾分離液體和固體部分，將固體部分引入發(fā)酵貯器中；向發(fā)酵 貯器添加濃度為15FPU/克纖維素的纖維素酶和12.6國際單位/克纖維素的卩-葡萄糖苷酶；給發(fā)酵貯器接種馬克斯克魯維氏酵母CECT 10875耐熱型酵母 培養(yǎng)物的懸浮液；將混合物在42"C下?lián)u動72小時。
采用上述方法均可實現(xiàn)由含纖維素的原料制備乙醇的目的，但在由含纖 維素的原料制備單糖的時候，酶解效率及單糖的產(chǎn)率較低，因此，乙醇的產(chǎn) 率較低， 一般不超過20%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法制備 得到的乙醇產(chǎn)率較低、酶解效率較低的缺陷，提供一種乙醇產(chǎn)率較高、酶解 效率較高的釆用含纖維素的原料制備乙醇的方法。
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)的采用含纖維素的原料制備燃料乙醇的 方法中，含纖維素的原料，如秸稈原料通常是以液漿的形式存在，在將漿液 狀的全部秸稈原料直接與酶混合時，會使酶濃度降低，使酶活力下降。再者， 將經(jīng)過預處理的秸稈與酶混合酶解的方法通常為將破碎的秸稈顆粒一次全 部加入到酶與水的混合液中與酶液混合，進行酶解糖化反應(yīng)，或者，先將所 用反應(yīng)物料"~~"經(jīng)預處理的秸稈顆粒于反應(yīng)罐中與水混合，然后在酶解溫度
6下，將酶直接加入到反應(yīng)罐中反應(yīng)。盡管上述混合是在攪拌條件下進行的， 但是秸稈顆粒仍然不容易與酶混合均勻。因為，經(jīng)過預處理后的秸稈粒度變 小，顆粒以及碎屑狀的秸稈顆粒很容易互相粘連和團聚，因此一次將全部秸 稈完全與酶混合，僅有部分秸稈能與酶充分接觸，由于秸稈之間的粘連和團 聚也會有部分秸稈不能充分與酶接觸，即使在攪拌下，也不能完全將秸稈打 散。因此，酶解后纖維素轉(zhuǎn)化為糖的轉(zhuǎn)化率低，糖發(fā)酵得到的乙醇的產(chǎn)率較 低。此外，由于一次將全部秸稈完全與酶混合，秸稈不能充分與酶接觸，因 此，酶解的時間也相對較長，酶解效率較低。
此外，現(xiàn)有技術(shù)蒸汽爆破含纖維素的原料時，通常認為所述含纖維素的 原料例如玉米秸稈，必須充分水浸，才能夠更好的達到蒸汽爆破的效果，因 為充分水浸可以使所述含纖維素的原料例如玉米秸稈內(nèi)部含有大量的水，在 蒸汽爆破時，所述含纖維素的原料例如玉米秸稈內(nèi)部的水可以氣化成水蒸 汽，泄壓時由所述含纖維素的原料例如玉米秸稈內(nèi)部沖出，以由內(nèi)向外充分 破壞所述含纖維素的原料例如玉米秸稈包埋纖維素和半纖維素的木質(zhì)素鞘， 比如在上述"對植物秸稈酒精生產(chǎn)工藝的介紹"(張學峰、蘭玉成，釀酒，
第29巻第4期，第37-38頁，2002年7月)中公開的方法，需要將玉米秸 稈水浸40分鐘后，才進行蒸汽爆破。但是，本發(fā)明的發(fā)明人意外地發(fā)現(xiàn)， 將各種含水量的玉米秸稈(青玉米秸稈以及干燥玉米秸稈)水浸40分鐘后， 玉米秸稈的含水量均高達80重量％以上，而蒸汽爆破的含纖維素的原料的 含水量低，例如低于30重量％固然不好，但如果含纖維素的原料的含水量， 如高于60重量％，也會降低乙醇的收率。
本發(fā)明提供了一種采用含纖維素的原料制備乙醇的方法，該方法包括蒸 汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合、酶解；發(fā)酵得到 的酶解產(chǎn)物，其中，所述將得到的蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合的方法包括先將第 一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合得到混合物，然后將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加
7入與所述混合物混合，所述剩余的得到的蒸汽爆破產(chǎn)物的加入速度使蒸汽爆 破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度不高于150克/升；所述第一批與酶混合的蒸汽爆 破產(chǎn)物的重量為全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的10-30重量％;所述含纖維素的原
料的含水量為30-60重量％。
本發(fā)明的方法為先將一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合得到混合物，然后將剩 余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入與所述混合物混合，即連續(xù)補料的方法，該方法 能夠使蒸汽爆破產(chǎn)物均勻、快速的與酶接觸、混合并反應(yīng)，使蒸汽爆破產(chǎn)物 與酶的反應(yīng)更均勻、更充分，反應(yīng)體系更穩(wěn)定，并且酶的濃度能夠一直保持 在較高的水平，從而有效地提高了原料的糖轉(zhuǎn)化率以及乙醇的產(chǎn)率。且進一 步嚴格控制用于蒸汽爆破的含纖維素的原料的含水量為30-60重量％，可以 保證在蒸汽爆破條件下使含纖維素的原料內(nèi)部的水氣化成水蒸汽，在泄壓時 水蒸氣由含纖維素的原料內(nèi)部沖出，充分破壞含纖維素的原料中包埋纖維素 和半纖維素的木質(zhì)素鞘，以增加了含纖維素的原料中能與酶接觸的纖維素比 例，從而可以進一步提高乙醇的產(chǎn)率。此外，所述連續(xù)補料的方法還能夠大 大縮短酶解時間，提高酶解效率。例如，在原料預處理條件和其它的酶解條 件都相同的情況下，實施例1的方法中，每小時酶解的纖維素的量為7.0克， 乙醇產(chǎn)率達23.8。％，而對比例l的方法中，每小時酶解的纖維素的量為4.75 克，乙醇產(chǎn)率僅為18.9%，對比例2的方法中，每小時酶解的纖維素的量為 4.67克，乙醇產(chǎn)率僅為18.6%，酶解效率的提高幅度達47.4-49.9%，乙醇產(chǎn) 率的提高幅度高達26-28% 。


圖1為天然玉米秸稈的掃描電子顯微鏡照片；
圖2為按照對比例1的方法蒸汽爆破后秸稈的掃描電子顯微鏡照片； 圖3為按照對比例2的方法蒸汽爆破后秸稈的掃描電子顯微鏡照片；
8圖4為按照本發(fā)明實施例1的方法蒸汽爆破后秸稈的掃描電子顯微鏡照片。
具體實施例方式
按照本發(fā)明，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破 產(chǎn)物與酶混合、酶解；發(fā)酵得到的酶解產(chǎn)物，其中，所述將蒸汽爆破產(chǎn)物與 酶混合的方法包括先將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合得到混合物，然后將剩 余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入與所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物的 加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度不高于150克/升;所述第一批 與酶混合的蒸汽爆破產(chǎn)物的重量為全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的10-30重量％; 所述含纖維素的原料的含水量為30-60重量％，優(yōu)選為35-50重量％。
優(yōu)選情況下，為了提高生產(chǎn)效率又同時能夠保證蒸汽爆破產(chǎn)物與酶的充 分混合、反應(yīng)，得到較高的蒸汽爆破產(chǎn)物濃度以及較高水平的酶作用速度， 所述剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物的加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度 優(yōu)選為100-150克/升。
為了保證酶具有最佳的反應(yīng)活性，在將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合 前，調(diào)節(jié)蒸汽爆破產(chǎn)物的pH值為大于3小于7，優(yōu)選為4.0-5.5，以使得蒸 汽爆破產(chǎn)物與酶混合后，酶具有最佳的反應(yīng)活性。由于酶解過程中pH值的 波動不大，因此所述酶解的pH值可以按照本領(lǐng)域常用的方法在加入酶之前 進行調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)反應(yīng)物料pH值的方法可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的 各種方法。例如先將蒸汽爆破產(chǎn)物與水或培養(yǎng)基(加酶一般與水混合，加入 產(chǎn)酶微生物一般與該微生物的培養(yǎng)基)混合，根據(jù)所得混合物的pH值，在 該混合物中加入酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)。例如，所述酸性物質(zhì)可以是硫酸、鹽 酸和磷酸中的一種或幾種；所述堿性物質(zhì)可以是氫氧化鈉和/或氫氧化鉀。
優(yōu)選情況下，在將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合之后，將剩余的蒸汽爆
9破產(chǎn)物連續(xù)加入之前，還包括時間間隔，為了使第一批蒸汽爆破產(chǎn)物充分與
酶接觸并充分水解，提高糖的轉(zhuǎn)化率，所述時間間隔優(yōu)選為10-30分鐘。
所述酶解時間從將酶與蒸汽爆破產(chǎn)物混合時開始計算，即，所述酶解時 間指將蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合開始至將蒸汽爆破產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為糖后糖的含量 不再增加時所用的時間，所述將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入與所述混合物 混合的時間占酶解時間的15-35%，優(yōu)選為20-30%。此外，按照本發(fā)明，所 述在將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合之后，將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入 之前的時間間隔也包括在所述酶解時間之內(nèi)。
為了使酶與反應(yīng)原料混合的更均勻，所述蒸汽爆破產(chǎn)物的酶解優(yōu)選在水 存在的條件下進行，更優(yōu)選在含有水與含纖維素的原料的懸浮液中進行。也 就是說，本發(fā)明優(yōu)選先將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與水混合制備懸浮液后，再將 酶解所需全部酶與懸浮液混合，然后再按照本發(fā)明的方法繼續(xù)連續(xù)的加入剩 余的蒸汽爆破產(chǎn)物。對所加入的水的量沒有特別限定，優(yōu)選情況下，所述水 的加入量與全部蒸汽爆破產(chǎn)物的重量比為1-4:1。更優(yōu)選情況下，以第一批 蒸汽爆破產(chǎn)物、水和酶混合后得到的混合物為基準，以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重 計，第一批蒸汽爆破產(chǎn)物的含量至少為1重量。％，優(yōu)選為1-20重量。％，更 優(yōu)選為1.2-10重量％。在現(xiàn)有的由蒸汽爆破產(chǎn)物制備乙醇的方法中，在酶解 時，由于蒸汽爆破產(chǎn)物的濃度太稀，導致生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低。而本發(fā) 明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在酶解時控制第一批蒸汽爆破產(chǎn)物、水與酶混合后得到的 混合物中蒸汽爆破產(chǎn)物的濃度，以第一批蒸汽爆破產(chǎn)物、水與酶混合后得到 的混合物為基準，以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，使蒸汽爆破產(chǎn)物的含量至少為 1重量％，優(yōu)選為1-20重量％，更優(yōu)選為1.2-10重量％，既能夠保證酶解的 周期短，同時進一步保證具有高的生產(chǎn)效率，即單糖的產(chǎn)率高。
按照本發(fā)明，所述蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度是指，未被液化(未
與酶反應(yīng))的蒸汽爆破產(chǎn)物的重量與反應(yīng)體系中固液總重量的比值xioox。
10不同來源的含纖維素的原料含水量差異很大，比如不同時期收購的玉米
秸稈原料的含水量差異就很大，收割不超過一周的新鮮秸稈含水量達80重 量°/。以上，但是經(jīng)過晾曬風干的存儲秸稈含水量可能只有10%?，F(xiàn)有方法對 于不同含水量的含纖維素的原料都一律采用同樣條件水浸處理，造成含纖維 素的原料的含水量過大，在蒸汽爆破條件下，泄壓時含纖維素的原料內(nèi)部的 水分以液體形式?jīng)_出，達不到由內(nèi)向外破壞含纖維素的原料中包埋纖維素和 半纖維素的木質(zhì)素鞘的作用。
根據(jù)本發(fā)明提供的方法，可以通過各種方式獲得含水量為30-60重量％ 的含纖維素的原料。對于含水量存在差異的不同批次含纖維素的原料，可以 進行不同的處理，比如對于含水量高的秸稈原料，可以45-90'C烘干部分水 分，使之含水量降低到30-60重量％;對于含水量低的秸稈原料，可以采用 控制水浸時間的方法，增加秸稈原料的含水量到30-60重量％;對于含水量 正好在到30-60重量％的秸稈原料，可以直接進行蒸汽爆破。優(yōu)選所述用于 蒸汽爆破的含纖維素的原料的含水量為35-50重量％。除非特殊說明，本發(fā) 明所述含纖維素的原料的含水量均是指含纖維素原料的初始重量Wl與在 70-100。C下烘干至恒重的含纖維素原料的干計重量W2之差，與含纖維素原 料的初始重量W1的重量百分比，即含水量(重量％) = (Wl-W2) /W1X 100%。
由于本發(fā)明僅涉及對蒸汽爆破產(chǎn)物加料方式的改進以及所述含纖維素 的原料的含水量的限定，因此對用含纖維素的原料制備乙醇的方法的其它步 驟沒有特別的限制。
根據(jù)本發(fā)明所述采用含纖維素的原料制備乙醇的方法，可以采用現(xiàn)有技 術(shù)常規(guī)的蒸汽爆破條件完成對含纖維素的原料的蒸汽爆破，例如，所述蒸汽 爆破的溫度可以為180-200°C，所述蒸汽爆破的壓力可以為1.4-2.0兆帕，所 述蒸汽爆破壓力的維持時間可以為3-7分鐘。更優(yōu)選所述蒸汽爆破的溫度為185-195°C，所述蒸汽爆破的壓力為1.5-1.8兆帕，所述蒸汽爆破壓力的維持時間為4-5分鐘。在上述蒸汽爆破條件下都能充分破壞秸稈包埋纖維素和半纖維素的木質(zhì)素鞘，實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
所述酶解使用的酶包括纖維素酶。所述纖維素酶可以通過各種方式獲得，例如商購得到，或者通過使用產(chǎn)酶微生物分泌得到。
由于使用產(chǎn)酶微生物分泌得到的酶會含有各種副產(chǎn)物，因此優(yōu)選直接加入酶。所述酶的用量越多越好，出于成本考慮，優(yōu)選以每克蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，所述纖維素酶的用量為8-20酶活力單位，更優(yōu)選為10-15酶活力單位。本發(fā)明所述纖維素酶的酶活力按照美國國家可再生能源實驗室(NationalRenewable Energy Laboratory, NREL)提供的標準方法——纖維素酶活力測定NRELLAP-006測定，所述纖維素酶的酶活力單位為在該標準方法規(guī)定的測定條件下，1分鐘內(nèi)將1克Whatman No. 1濾紙轉(zhuǎn)化為葡萄糖所需酶的微克數(shù)。
所述酶解的溫度可以為纖維素酶的任何最適作用溫度， 一般為45-55°C，更優(yōu)選為48-52°C。所述酶解的時間理論上越長越好，但是，由于本發(fā)明在第一次加料后采用連續(xù)補料的方法保證了原料與酶的均勻混合，因此，能夠有效縮短酶解時間，又能夠保證糖轉(zhuǎn)化率，因此，所述酶解的時間優(yōu)選為30-40小時。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式，所述將蒸汽爆破產(chǎn)物酶解的方法包括先將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與水混合后加入酶解罐中，調(diào)節(jié)蒸汽爆破產(chǎn)物的pH值為大于3至小于7，并升溫至48-52°C以達到酶的最佳反應(yīng)活性條件，然后，在攪拌下，向酶解罐中加入酶，攪拌10-30分鐘后，再連續(xù)加入剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物，所述剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物的加入速度使含蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度不高于150克/升。所述水的量與全部蒸汽爆破產(chǎn)物的重量比為i_4:l;所述第一批與酶混合的蒸汽爆破產(chǎn)物的量為全部蒸汽爆破產(chǎn)物
12爆破產(chǎn)物、水與酶混合后得到的混合物為 基準，以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，第一批蒸汽爆破產(chǎn)物的含量為1.2-10重量 %。
所述纖維素酶為復合酶，至少包括C,型纖維素酶、Cx型纖維素酶和纖 維二糖酶三種酶。
C,酶可以使結(jié)晶的纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)晶的纖維素。
Cx型纖維素酶又分為Cx,型纖維素酶和Cx2型纖維素酶兩種。Cx,型纖
維素酶為內(nèi)切型纖維素酶，可以從水合非結(jié)晶纖維素分子內(nèi)部作用于卩-1，4-
糖苷鍵，生成纖維糊精和纖維二糖。Cx2型纖維素酶是一種外切型纖維素酶，
可以從水合非纖維素分子的非還原端作用于P-l，4-糖苷鍵，逐一切斷p-l，4-糖苷鍵生成葡萄糖。
纖維二糖酶則作用于纖維二糖，生成葡萄糖。
優(yōu)選所述酶解使用的酶還包括半纖維素酶。因為半纖維素酶可以降解半 纖維素成為溶于水的木糖，所以酶解使用的酶包括半纖維素酶， 一方面可以 更充分地暴露纖維素，增加纖維素與纖維素酶的接觸兒率，另一方面半纖維 素降解產(chǎn)物木糖能夠被樹干畢赤酵母發(fā)酵生成乙醇，兩方面作用都可以增加 乙醇產(chǎn)率。以每克蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，所述半纖維素酶的用量為4.4-8.8 酶活力單位。
本發(fā)明所述半纖維素酶的酶活力單位(U)為在5(TC、 pH-4.8條件下， 每分鐘分解濃度為1重量％木聚糖溶液產(chǎn)生1微克還原糖(以木糖計)所需 的酶量。
本發(fā)明所述半纖維素酶的活力指每克半纖維素酶所具有的活力單位。所 述半纖維素酶的活力利用半纖維素酶在50°C、 pH為4.8的條件下水解1重 量％木聚糖產(chǎn)生還原糖(以木糖計)，所得還原糖與過量3，5—二硝基水楊酸 (DNS)發(fā)生顏色反應(yīng)，用分光光度計測得反應(yīng)液550納米的光吸收值與還
13原性糖(以木糖計)的生成量成正比關(guān)系測定。具體測定方法如下-
準確稱取1.000克木聚糖，用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾/升乙酸-乙酸 鈉緩沖溶液溶解，然后用去離子水定容到100毫升，得到1重量％木聚糖溶 液；
稱取30克四水合酒石酸鉀鈉放入500毫升錐形瓶內(nèi)，加16克NaOH后， 加50毫升去離子水，以5'C/分鐘的速度水浴加熱至固體物質(zhì)溶解，加入1 克3，5-二硝基水楊酸，至溶解，冷卻至室溫，用去離子水定容至100毫升， 可得3,5-二硝基水楊酸(DNS)溶液；
將木糖8(TC烘干至恒重，準確稱取1.000克溶于1000毫升水中，加10 毫克疊氮化鈉防腐，得到1毫克/毫升的標準木糖溶液；
準確稱取1.000克固體半纖維素酶或移取1毫升液體半纖維素酶原液， 用0.5毫升pH=4.8的0.1摩爾乙酸-乙酸鈉緩沖溶液溶解，然后用去離子水 定容到100毫升，得到稀釋100倍的待測酶液；
分別將在5(TC水浴加熱60分鐘的2毫升木糖梯度標準溶液(0.1毫克/ 毫升、0.2毫克/毫升、0.3毫克/毫升、0.4毫克/毫升和0..5毫克/毫升，所述 木糖梯度標準溶液用去離子水與1毫克/毫升的標準木糖溶液混合制備)或去 離子水(木糖空白對照)，與2毫升DNS混合沸水浴5分鐘，冷卻，去離子 水定容15毫升后，用分光光度計在550納米下分別測定反應(yīng)后木糖梯度標 準溶液的光吸收值，以光吸收值為橫坐標，木糖濃度為縱坐標繪制標準曲線。 由該標準曲線可得回歸方程y二bx+a，其中，x為光吸收值，y為木糖濃度， a為所得直線方程的截距，b為所得直線方程的斜率；
取0.2毫升待測酶液與1.8毫升所述1重量％木聚糖溶液或？11=4.8的O.l 摩爾/升乙酸一乙酸鈉緩沖溶液(木聚糖空白對照)，按照與上述木糖梯度標 準溶液相同的步驟測試光吸收值。并按照下式計算半纖維素酶的活力,—一 " ，(&c+a)xwx5x1000 一 一一， 半纖維素酶的活力=1——^-U/克(毫升)
式中x為待測酶液的光吸收值，b和a與木糖濃度對光吸收值的回歸方 程中的b和a—致，n為酶的稀釋倍數(shù)，60表示為酶促反應(yīng)的時間為60分 鐘，5為取樣倍數(shù)(這里從1毫升待測酶液中取出了 0.2毫升進行測試)。
根據(jù)上述方法可以測定出具體的半纖維素酶的活力，進而計算出半纖維 素酶的用量。
能夠發(fā)酵戊糖和/或己糖的微生物都可以用于本發(fā)明的發(fā)酵過程，由于 釀酒酵母是釀酒工業(yè)上普遍應(yīng)用的耐酒精、副產(chǎn)物少、乙醇產(chǎn)率高的發(fā)酵己 糖的微生物；樹干畢赤酵母為既可以發(fā)酵戊糖也可以發(fā)酵己糖的微生物(參 見"樹干畢赤酵母連續(xù)發(fā)酵戊糖己糖生成酒精"，季更生等，南京林業(yè)大學 學報自然科學版，第28巻第3期，第9-13頁，2004年)，因此優(yōu)選所述發(fā) 酵所使用的酵母為樹干畢赤酵母和/或釀酒酵母。以每克酶解產(chǎn)物計，所述發(fā) 酵所使用的酵母的接種量為103-108菌落形成單位，更優(yōu)選104-106菌落形成 單位。本發(fā)明發(fā)酵所使用的酵母可以為商購酵母固體制劑(比如干酵母粉) 或酵母菌種(比如ATCC編號2601的啤酒酵母)。所述酵母的菌落形成單位 可以通過本領(lǐng)域公知的方法測定，比如亞甲基藍染色活菌計數(shù)法。亞甲基藍 染色活菌計數(shù)法的具體方法如下
將1克干酵母粉溶于10毫升無菌水中，或?qū)?毫升菌種活化液用無菌 水稀釋至10毫升，加入0.5毫升0.1重量％亞甲基藍，在35。C下保溫30分 鐘。在IO倍光學顯微鏡下，用血球計數(shù)板計數(shù)保溫后的溶液中活菌的數(shù)目 (死菌染色，活菌不染色)，可得1克干酵母或1毫升菌種活化液中活菌的 數(shù)目，即菌落形成單位數(shù)。
所述酵母可以采用常規(guī)的方法接種，例如向酶解產(chǎn)物中加入5-15體積 %的種子液。所述種子液可以為干酵母的水溶液或培養(yǎng)基溶液，也可以為干 酵母或商購菌種的活化種子液。所述發(fā)酵的溫度可以為任何適于酵母生長的溫度，優(yōu)選為30-36'C，更優(yōu)選為32-35'C。所述發(fā)酵的時間可以為從接種開 始至酵母生長的衰亡期出現(xiàn)(即發(fā)酵時間為遲滯期、對數(shù)期加上穩(wěn)定期)的 時間，優(yōu)選發(fā)酵的時間為32-48小時，更優(yōu)選32-40小時。發(fā)酵產(chǎn)物乙醇可 以用常規(guī)的方法，根據(jù)不同工業(yè)產(chǎn)品的要求(比如燃料酒精要求乙醇的純度 達99%以上)分離并精制，比如蒸餾、濃縮、除水。
另外，蒸汽爆破的壓力和溫度可以滅菌。為防止在酶解過程中雜菌(主 要是細菌)污染產(chǎn)生影響酶活力的毒素，并防止在發(fā)酵過程中雜菌污染影響 酵母的生長，優(yōu)選在酶解之前加入諸如工業(yè)青霉素的細菌抗生素，所述抗生 素對酵母沒有作用但可以抑制雜菌的生長。以每毫升酶解液或發(fā)酵液為基 準，所述抗生素的加入量為1-10單位。所述酶解液包括蒸汽爆破產(chǎn)物、酶 以及水，所述發(fā)酵液包括酶解產(chǎn)物和接種的酵母。
由于在蒸汽爆破的高溫高壓條件下，含纖維素的原料中的半纖維素會產(chǎn) 生諸如糠醛、呋喃之類的抑制物，所述抑制物會降低酶的活力和發(fā)酵菌的活 性，因此所述方法還包括在蒸汽爆破含纖維素的原料之后，酶解得到的蒸汽 爆破產(chǎn)物之前，水洗所述蒸汽爆破產(chǎn)物。所述水洗是將蒸汽爆破產(chǎn)物與水混 合，攪拌，使上述抑制物溶解在水中，然后離心分離蒸汽爆破產(chǎn)物，從而從 蒸汽爆破產(chǎn)物中除去抑制物。理論上所述水洗的溫度越高，能夠溶解的抑制 物越多，考慮到能耗，優(yōu)選所述水洗的溫度至少為6(TC，更優(yōu)選為60-8(TC。 由于水洗所加入的水越多，則溶解抑制物的溶劑越多，但是考慮到離心分離 的能耗，優(yōu)選以每克含纖維素的原料的干重計，所述水洗的加水量為2-10 克，更優(yōu)選為2-3克。
由于含纖維素的原料中可能會含有沙石雜質(zhì)以及鐵雜質(zhì)，對蒸汽爆破設(shè) 備會造成損害，因此本發(fā)明的制備乙醇的方法，可以包括在蒸汽爆破之前對 含纖維素的原料進行除石除鐵常規(guī)操作，比如以"風送"含纖維素的原料并 磁鐵吸引的方法進行除石除鐵。沙石由于質(zhì)量大，不能被風送到蒸汽爆破設(shè)
16備中，鐵雜質(zhì)由于磁鐵的吸引也不會隨原料進入蒸汽爆破設(shè)備中，從而可以 完成除石除鐵。此外，由于含纖維素的原料本身容易纏結(jié)而堵塞設(shè)備管路，
因此，在進入蒸汽爆破設(shè)備前，優(yōu)選使所述含纖維素的原料的大小為0.5-3 厘米x0.2-l厘米x0.2-l厘米，更優(yōu)選使所述含纖維素的原料的大小為1-2厘 米x0.4-0.6厘米x0.5-l厘米。
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行更詳細的說明。
實施例1
本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。 (1)蒸汽爆破
測試如圖1所示的玉米秸稈原料，按照上述的方法測得玉米秸稈的含水 量為20重量％，將原料切成1.5厘米X0.2厘米X0.5厘米的小段，用立式浸 漬器(山東汶瑞機械有限公司)與重量為所述玉米秸稈原料重量的三分之一 的水混合后，可得含水量40重量％的玉米秸稈。取1000克含水量為40重 量％的玉米秸稈，在195。C下以1.8兆帕的壓力維持5分鐘，然后泄壓，完 成蒸汽爆破。將所得蒸汽爆破產(chǎn)物與7(TC的水按照重量比1:3攪拌混合30 分鐘，然后用LW400型臥螺離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在 900轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下進行固液分離，共得到2000克固體蒸汽爆破產(chǎn)物(含水 量為70重量％)。
所得固體蒸汽爆破產(chǎn)物中纖維素總重量和半纖維素總重量的測定 取5克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物在45'C下烘干至恒重1.5克，稱量 300.0毫克該干燥后的蒸汽爆破產(chǎn)物，放置于重80克的IOO毫升干燥三角燒 瓶內(nèi)。向所述三角燒瓶加入3.00毫升濃度為72重量％的硫酸溶液，攪拌1 分鐘。然后將三角燒瓶在3(TC水浴中加熱60分鐘，每隔5分鐘用攪拌一次 以確保均勻水解。水浴結(jié)束后，用去離子水使硫酸的濃度稀釋到4重量％。 用布氏漏斗過濾所述稀釋后的蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解液，共得到濾液84毫升。
17將20毫升濾液轉(zhuǎn)移至干燥50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸鈣調(diào)節(jié)該濾 液的pH值至5.5，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾收集的上 層清液，所得上層清液的濾液用Biorad Aminex HPX-87P高效液相色譜 (HPLC)分析。HPLC條件進樣量20微升；流動相為0.2微米濾膜過濾， 并且超聲振蕩脫氣的HPLC超純水；流速為0.6毫升/分鐘；柱溫80-85'C; 檢測器溫度80-85°C;檢測器為折光率檢測器；運行時間為35分鐘。以0.1-4.0 毫克Z毫升濃度范圍的D- ( + )葡萄糖和0.1-4.0毫克Z毫升濃度范圍D- ( + ) 木糖作為標準樣品。HPLC分析得到蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解液中葡萄糖濃度為 1.77毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解能得到重量 為0.149克的葡萄糖，因為濃度為72重量％的硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產(chǎn) 物的纖維素全部水解成葡萄糖，因此所得葡萄糖的重量是蒸汽爆破產(chǎn)物中纖 維素的重量的1.11倍，即1克所述水洗后的蒸汽爆破產(chǎn)物中含纖維素0.134 克，則2000克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素267克。HPLC分析得到蒸汽爆 破產(chǎn)物酸水解液中木糖濃度為0.49毫克/毫升，計算可得1克所述水洗后的 蒸汽爆破產(chǎn)物酸水解能得到重量為0.041克的木糖，因為濃度為72重量％的 硫酸溶液可以將蒸汽爆破的產(chǎn)物中半纖維素全部水解成木糖，因此所得木糖 的重量是蒸汽爆破產(chǎn)物中半纖維素的重量的1.14倍，即1克蒸汽爆破產(chǎn)物中 含半纖維素0.036克，則2000克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含半纖維素72克。 (2)酶解
向酶解罐中加入水，并在攪拌下，加入第一批步驟(1)取樣測試后剩 余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第一批加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(1) 取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物重量的15X，然后調(diào)節(jié)pH值為4， 加熱至52T:后，以每克蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，加入20酶活力單位的酶計 算，全部蒸汽爆破產(chǎn)物的干重為600克，共加入12000酶活力單位(約80 克)的纖維素酶(和氏璧生物技術(shù)有限公司)，并在52"C下保溫混合20分鐘；
18然后連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，所述剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的加 入速度使水洗蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度為140克/升，加料結(jié)束后，
在52'C下保溫酶解至加酶后36小時(連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的 時間占酶解時間的30%)，得到酶解產(chǎn)物。所述水的加入量與全部水洗蒸汽 爆破產(chǎn)物的重量比為2:1。將酶解產(chǎn)物用布氏漏斗過濾，將20毫升濾液轉(zhuǎn)移 至干燥50毫升的三角瓶中，靜置5小時，收集上層清液。0.2微米濾膜過濾 收集的上層清液，按照上述步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶 解產(chǎn)物中的葡萄糖共279.6克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸 汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共251.9克，按照下式計算纖維素轉(zhuǎn)化 率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。每小時酶解的纖維素的量為7.0克。(以蒸 汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的混合物的總重量為基準，第一批蒸汽爆破產(chǎn) 物的含量為2.1重量％。)
纖維素轉(zhuǎn)化率400。/。X被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量
單糖產(chǎn)率=100%乂酶解得到的葡萄糖重量/秸稈干重 (3)發(fā)酵
使酶解產(chǎn)物的溫度降至35。C，以每克酶解產(chǎn)物的重量計，接種105菌落 形成單位的釀酒酵母(安琪超級釀酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公 司)，所得混合物在32。C下于發(fā)酵罐中攪拌培養(yǎng)40小時。在10(TC蒸餾所得 發(fā)酵產(chǎn)物，所得蒸餾餾分在78.3'C下二次蒸餾可得乙醇143克，按照下式計 算乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。
乙醇產(chǎn)率=100%乂乙醇重量/秸稈干重
對比例1
本對比例說明采用含纖維素的原料制備乙醇的參比方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，按照文獻"對植物秸稈酒精 生產(chǎn)工藝的介紹"(張學峰、蘭玉成，釀酒，第29巻第4期，第37-38頁，
192002年7月)所公開的方法，將秸稈原料在蒸汽爆破前先用水浸泡40分鐘， 測得浸泡后的玉米秸稈原料的含水量達到83重量％。然后取3530克該含水 量為83重量％的玉米秸稈按照實施例1的條件進行蒸汽爆破，并水洗后得 到4300克蒸汽爆破產(chǎn)物(含水量為86%)。按照實施例1所述HPLC分析 硫酸水解的蒸汽爆破產(chǎn)物的方法，測得4300克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素 267克，半纖維素70克。在酶解步驟(2)中將步驟(1)取樣測試后剩余的 水洗蒸汽爆破產(chǎn)物一次全部加入到含水的酶解罐中，然后與酶混合均勻(水 的量與全部水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的重量比為2:1)，酶解時間需要42小時；按 照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄 糖共221.2克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被 酶解的纖維素的重量共199.3克，每小時酶解的纖維素的量為4.75克；二次 蒸餾得到乙醇113.1克。并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、 單糖產(chǎn)率和乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。
對比例2
本對比例說明采用含纖維素的原料制備乙醇的參比方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，用750克含水量為20重量 %玉米秸稈直接進行蒸汽爆破，并水洗后得到1500克蒸汽爆破產(chǎn)物(含水 量為60%)。按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產(chǎn)物的方法， 測得1500克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素266克，半纖維素72克。并按照對 比例1的方法酶解蒸汽爆破產(chǎn)物，發(fā)酵酶解產(chǎn)物；按照實施例1步驟(1) 所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共217.9克。所述酶 解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共 196.3克，每小時酶解的纖維素的量為4.67克；二次蒸餾得到乙醇111.4克。 并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、單糖產(chǎn)率和乙醇產(chǎn)率，計 算結(jié)果見表l。電鏡觀察結(jié)果
用JSM-35CF掃描電鏡放大1000倍觀察對比例1、對比例2和實施例1 的蒸汽爆破產(chǎn)物，結(jié)果分別如圖2、圖3和圖4所示。從圖2可以看出，由 于秸稈原料內(nèi)部沒有水分可以氣化成水蒸汽，因此蒸汽爆破不能由內(nèi)向外充 分破壞秸稈原料；從圖3可以看出，對比例2玉米秸稈蒸汽爆破的效果并不 好，纖維素仍然呈束狀，并且纖維素表面殘留有木質(zhì)素鞘；而如圖4所示的 實施例1的蒸汽爆破效果很好，可以看到游離的纖維素。
實施例2
本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。
按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，取1000克含水量為50重量 %的玉米秸稈，切成1.3厘米X0.4厘米X0.8厘米的小段，在190'C下以1.8 兆帕的壓力維持4分鐘，然后泄壓，完成蒸汽爆破，將所得蒸汽爆破產(chǎn)物與 65'C的水按照質(zhì)量比1:2攪拌混合40分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺離 心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下進行固液分離， 共得到2000克蒸汽爆破產(chǎn)物(含水量為75重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產(chǎn)物的方法，測得 2000克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素220克，半纖維素60克。
并按照實施例1的方法對蒸汽爆破產(chǎn)物進行酶解和發(fā)酵，酶的用量約為 65克，按照實施例l步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物 中的葡萄糖共226.9克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破 產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共204.4克，每小時酶解的纖維素的量為5.7 克(以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽 爆破產(chǎn)物的含量為1.7重量％); 二次蒸餾得到乙醇107.9克。并按照實施例 1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、單糖產(chǎn)率和乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。
21實施例3
本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。
按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，取1000克含水量為35重量 %的玉米秸稈，切成1.2厘米X0.4厘米X0.7厘米的小段，在200。C下以1.7 兆帕的壓力維持6分鐘，然后泄壓，完成蒸汽爆破。將所得蒸汽爆破產(chǎn)物與 75°。的水按照重量比1:2.5攪拌混合50分鐘，然后用離心泵LW400型臥螺 離心機(張家港華大離心機制造有限公司)在900轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速下進行固液分 離，共得到2000克固體蒸汽爆破產(chǎn)物(含水量為67.5重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產(chǎn)物的方法，測得 2000克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素288克，半纖維素78克。
并按照實施例1的方法對蒸汽爆破產(chǎn)物進行酶解和發(fā)酵，酶的用量約為 85克，按照實施例l步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物 中的葡萄糖共293.4克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破 產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共264.3克，每小時酶解的纖維素的量為7.3 克(以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽 爆破產(chǎn)物的含量為2.2重量％); 二次蒸餾得到乙醇149.0克。并按照實施例 1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、單糖產(chǎn)率和乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。
實施例4
本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，取1400克含水量為55重量
%的玉米秸稈，切成2.0厘米X0.6厘米X0.8厘米的小段，在190。C下以1.55
兆帕的壓力維持7分鐘，然后泄壓，完成蒸汽爆破。共得到1700克固體蒸
汽爆破產(chǎn)物(含水量為63重量％)。
按照實施例1所述HPLC分析硫酸水解的蒸汽爆破產(chǎn)物的方法，測得
1700克蒸汽爆破產(chǎn)物中共含纖維素280克，半纖維素75.5克。并按照實施例1的方法對蒸汽爆破產(chǎn)物進行酶解和發(fā)酵，酶的用量約為 84克，按照實施例l步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物
中的葡萄糖共279.1克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽爆破 產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共251.4克，每小時酶解的纖維素的量為7.0 克(以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽 爆破產(chǎn)物的含量為2.5重量％。)； 二次蒸餾得到乙醇135.1克。并按照實施 例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、單糖產(chǎn)率和乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果見表 1。
實施例5
本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，在酶解步驟中，第一批加入 的蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的20% ，調(diào) 節(jié)pH值為4，加熱至52"C后，加入纖維素酶后，連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽 爆破產(chǎn)物，所述剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng) 體系中的濃度為100克/升，加料結(jié)束后，在52'C下保溫酶解至加酶后38.5 小時(連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的時間占酶解時間的13%)，得到 酶解產(chǎn)物。按照實施例1步驟(1)所述高效液相條件，測定并計算出酶解 產(chǎn)物中的葡萄糖共278.2克。所述酶解得到的葡萄糖重量除以1.11，即蒸汽 爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共250.6克，每小時酶解的纖維素的量為 6.5克(以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的混合物的重量為基準，第一批 蒸汽爆破產(chǎn)物的含量為2.7重量。^。)；發(fā)酵步驟同實施例1， 二次蒸餾得到 乙醇142.2克。并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、單糖產(chǎn)率 和乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。
實施例6
23本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，在酶解步驟中，第一批加入 的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為取樣測試后剩余的全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的30
%，調(diào)節(jié)pH值為5，加熱至5(TC后，加入纖維素酶后，在5(TC下保溫混合 30分鐘后；連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，所述剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn) 物的加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度為130克/升，加料結(jié)束 后，在52'C下保溫酶解至加酶后37.5小時(連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆破 產(chǎn)物的時間占酶解時間的25。％)，得到酶解產(chǎn)物。按照實施例1步驟(1)所 述高效液相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共276克。所述酶解得 到的葡萄糖重量除以l.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共248.7 克，每小時酶解的纖維素的量為6.6克(以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到 的混合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產(chǎn)物的含量為3.8重量％);在發(fā)酵 步驟中，不同的是，使酶解產(chǎn)物的溫度降至32"C，以每克酶解產(chǎn)物的重量計， 接種106菌落形成單位的釀酒酵母(安琪超級釀酒高活性干酵母，湖北安琪 酵母股份公司)，所得混合物在32"C下于發(fā)酵罐中攪拌培養(yǎng)36小時；在IOO 。C蒸餾所得發(fā)酵產(chǎn)物，所得蒸餾餾分在78.3。C下二次蒸餾可得乙醇141.2克。 并按照實施例1的方法和公式計算纖維素轉(zhuǎn)化率、單糖產(chǎn)率和乙醇產(chǎn)率，計 算結(jié)果見表l。
實施例7
本實施例用于說明本發(fā)明的采用含纖維素的原料制備乙醇的方法。 按照實施例1的方法制備乙醇，不同的是，向酶解罐中加入水，并在攪 拌下，加入第一批步驟(1)取樣測試后剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，第一批 加入的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的量為步驟(1)取樣測試后剩余的全部水洗蒸汽 爆破產(chǎn)物重量的10%，然后調(diào)節(jié)反應(yīng)物料的pH值為5，并加熱至5(TC后， 以每克蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，加入12酶活力單位的纖維素酶，5酶活力單位的半纖維素酶計算，全部蒸汽爆破產(chǎn)物的干重為600克，共加入7200酶 活力單位(約50克)的纖維素酶(和氏璧生物技術(shù)有限公司)和3000酶活 力單位(約40克)的半纖維素酶(北京化學試劑公司)，并在5(TC下保溫混 合25分鐘；然后連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆破產(chǎn)物，所述剩余的水洗蒸汽 爆破產(chǎn)物的加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度為150克/升，加料 結(jié)束后，在52'C下保溫酶解至加酶后38小時(連續(xù)加入剩余的水洗蒸汽爆 破產(chǎn)物的時間占酶解時間的20。/0，得到酶解產(chǎn)物。所述水的加入量與全部 水洗蒸汽爆破產(chǎn)物的重量比為3.5:1。并按照實施例l步驟(1)所述高效液 相條件，測定并計算出酶解產(chǎn)物中的葡萄糖共278.7克，所述酶解得到的葡 萄糖的重量除以1.11，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的纖維素的重量共251.1克， 測定并計算出酶解產(chǎn)物中的木糖共53.4克，所述酶解得到的木糖的重量除以 1.14，即蒸汽爆破產(chǎn)物中被酶解的半纖維素的重量共46，8克，每小時酶解的 纖維素和半纖維素的總重量為7.8克(以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的 混合物的總重量為基準，第一批蒸汽爆破產(chǎn)物的含量為0.8重量％。)；并按 照下述公式計算纖維素、半纖維素轉(zhuǎn)化率和單糖產(chǎn)率，計算結(jié)果見表l。 纖維素轉(zhuǎn)化率-100。/。X被酶解的纖維素的重量/纖維素的總重量
半纖維素轉(zhuǎn)化率=100%><被酶解的半纖維素的重量/半纖維素的總重量 單糖產(chǎn)率=100%乂 (酶解得到的葡萄糖重量+酶解得到的木糖重量)/
秸稈干重
(3)發(fā)酵
使酶解產(chǎn)物的溫度降至34"C，以每克酶解產(chǎn)物的重量計，接種為104菌 落形成單位的釀酒酵母(安琪超級釀酒高活性干酵母，湖北安琪酵母股份公 司)和104菌落形成單位的樹干畢赤酵母，所得混合物在33"C下于發(fā)酵罐中 攪拌培養(yǎng)37小時。在IO(TC蒸餾所得發(fā)酵產(chǎn)物，所得蒸餾餾分在78.3。C下二 次蒸餾可得乙醇169.8克，并按照實施例1的公式計算乙醇產(chǎn)率，計算結(jié)果 見表l。表l
實施例或?qū)Ρ壤w維素轉(zhuǎn)化率 (%)半纖維素轉(zhuǎn)化 率(％)單糖產(chǎn)率 (%)乙醇產(chǎn)率 (%)
實施例194.3-46.623.8
對比例174.6-36.918.9
對比例273.8-36.318.6
實施例292,9-45,421.6
實施例391.8-45.122.9
實施例489.8-44.321.4
實施例593.9-46.423.8
實施例693.1-46.023.5
實施例794.065.055.428.3
從上表1中的數(shù)據(jù)可以看出，采用本發(fā)明的含纖維素的原料制備乙醇的
方法得到的乙醇的產(chǎn)率以及單糖的產(chǎn)率比對比例1和對比例2的方法均有明 顯提高。且本發(fā)明的方法酶解效率高，每小時可酶解纖維素或纖維素和半纖 維素的混合物5.7-7.8克。
2權(quán)利要求
1、一種采用含纖維素的原料制備乙醇的方法，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合、酶解；發(fā)酵得到的酶解產(chǎn)物，其特征在于，所述將蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合的方法包括先將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合得到混合物，然后將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入與所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物的加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度不高于150克/升；所述第一批與酶混合的蒸汽爆破產(chǎn)物的重量為全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的10-30重量％；所述含纖維素的原料的含水量為30-60重量％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物的加 入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度為100-150克/升。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述含纖維素的原料的含水量 為35-50重量％。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混 合時，該方法還包括加入水，以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以得到的混合物的 重量為基準，第一批蒸汽爆破產(chǎn)物的含量至少為1重量％。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，以蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，以 得到的混合物的重量為基準，第一批蒸汽爆破產(chǎn)物的含量為1.2-10重量％。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述酶解使用的酶包括纖維素 酶，以每克蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，所述纖維素酶的用量為8-20酶活力單 位；所述酶解的溫度為45-55°C，所述酶解的時間為30-40小時，所述酶解的pH值為3-7。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述酶解使用的酶還包括半纖 維素酶，以每克蒸汽爆破產(chǎn)物的干重計，所述半纖維素酶的用量為4.4-8.8 酶活力單位。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加 入與所述混合物混合的時間占酶解時間的15-35%，所述酶解時間指將蒸汽 爆破產(chǎn)物與酶混合開始至將蒸汽爆破產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為糖后糖的含量不再增加時 所用的時間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶 混合之后，將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入之前，還包括時間間隔，所述時 間間隔為10-30分鐘。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述含纖維素的原料為秸稈。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)酵所使用的酵母為樹干 畢赤酵母和/或釀酒酵母；以每克酶解產(chǎn)物計，所述發(fā)酵所使用的酵母的接種 量為103-108菌落形成單位，所述發(fā)酵的溫度為30-36'C，發(fā)酵的時間為32-48 小時。
全文摘要
采用含纖維素的原料制備乙醇的方法，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合、酶解；發(fā)酵得到的酶解產(chǎn)物，其中，所述將蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合的方法包括先將第一批蒸汽爆破產(chǎn)物與酶混合得到混合物，然后將剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物連續(xù)加入與所述混合物混合，所述剩余的蒸汽爆破產(chǎn)物的加入速度使蒸汽爆破產(chǎn)物在反應(yīng)體系中的濃度不高于150克/升；所述第一批與酶混合的蒸汽爆破產(chǎn)物的重量為全部蒸汽爆破產(chǎn)物重量的10-30重量％；所述含纖維素的原料的含水量為30-60重量％。本發(fā)明的方法能夠有效提高原料的糖轉(zhuǎn)化率以及乙醇的產(chǎn)率，還能夠大大縮短酶解時間，提高酶解效率。
文檔編號C12R1/84GK101509018SQ20081005773
公開日2009年8月19日 申請日期2008年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月13日
發(fā)明者于天楊, 劉甲申, 孫長征, 杰 李, 李春玲, 袁敬偉 申請人:中糧集團有限公司