一種纖維素乙醇的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生物工程領域和化工領域，特別涉及一種纖維素乙醇的制備方法。該制備方法包括：在木質(zhì)纖維素原料酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14～18小時后，調(diào)節(jié)pH值至5.0～5.05，繼續(xù)發(fā)酵30～34小時，獲得纖維素乙醇。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本，還可大大降低副產(chǎn)物甘油濃度和耗堿量，緩解了全程調(diào)控pH值酸堿消耗的高成本壓力，降低了由于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度對后序污水處理的高負荷影響，且發(fā)酵過程僅調(diào)控一次pH值，生產(chǎn)操作簡潔化。
【專利說明】一種纖維素乙醇的制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物工程領域和化工領域，特別涉及一種纖維素乙醇的制備方法。

【背景技術】
[0002] 隨著石油資源的逐漸枯竭和環(huán)境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源技術已成 為許多國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，以減少對化石能源的依賴和溫室氣體的排放。 纖維素乙醇技術，是一種高端的清潔能源技術，因為它可以被用來替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技 術，利用地球上廣泛存在的纖維素生物原料生產(chǎn)清潔的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。一 直以來，將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇是科學家們面對的巨大挑戰(zhàn)。
[0003] 纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中，是地球上最豐富的分子。纖維素生物質(zhì) 是由纖維素（30%?50% )、半纖維素（20%?40% )和木質(zhì)素（15%?30% )組成的復雜 材料，纖維質(zhì)生物質(zhì)中的糖以纖維素和半纖維素的形式存在。纖維素和半纖維素能被水解 為單糖，單糖再發(fā)酵生成乙醇。
[0004] 纖維素的性質(zhì)很穩(wěn)定，只有在催化劑存在下，纖維素的水解反應才能顯著地進行。 常用的催化劑是無機酸和纖維素酶，由此分別形成了酸水解和酶水解工藝，其中的酸水解 又可分為濃酸水解工藝和稀酸水解工藝。纖維素經(jīng)水解可生成葡萄糖，易于發(fā)酵成乙醇。
[0005] 半纖維素是由不同多聚糖構成的混合物，聚合度較低，也無晶體結構，故較易水 解。半纖維素水解產(chǎn)物主要是木糖，還包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖，含量 因原料不同而不同。普通酵母不能將木糖發(fā)酵成乙醇，因此五碳糖的發(fā)酵成為研究的熱點。 Terranol開發(fā)的C5酵母菌具備同時發(fā)酵相對易于獲取的C6糖（葡萄糖）與難以利用的 C5糖（木糖和阿拉伯糖）能力，是生產(chǎn)纖維素乙醇不可或缺的必要成分。
[0006] 目前，利用C5酵母菌生產(chǎn)纖維素乙醇發(fā)酵過程中，pH值控制方式有兩種：一種是 全程自然，另外一種是全程控制PH值在5. 0。前者的木糖利用率低，殘?zhí)沁^高，總糖醇轉(zhuǎn)化 率低；后者發(fā)酵副產(chǎn)物產(chǎn)量高，總糖醇轉(zhuǎn)化率無明顯增幅，而且調(diào)節(jié)PH值消耗的堿量升高； 以上兩種方式均會提升后續(xù)污水處理的難度。因此，提供一種既能提高原料利用率、又能減 少對后序污水處理環(huán)節(jié)的壓力的纖維素乙醇發(fā)酵工藝，具有重要的現(xiàn)實意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種纖維素乙醇的制備方法。該制備方法與現(xiàn)有技術相 t匕，可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本，還可大 大降低副產(chǎn)物甘油濃度和耗堿量，緩解了全程調(diào)控PH值酸堿消耗的高成本壓力，降低了由 于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度對后序污水處理的高負荷影響，且發(fā)酵過程僅調(diào)控一次PH 值，生產(chǎn)操作簡潔化。
[0008] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術方案：
[0009] 本發(fā)明提供了一種纖維素乙醇的制備方法，包括如下步驟：
[0010] 在木質(zhì)纖維素原料酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14?18小時后，調(diào)節(jié)pH值至 5. O?5. 05,繼續(xù)發(fā)酵30?34小時，獲得纖維素乙醇。
[0011] 在本發(fā)明中，研究發(fā)現(xiàn)纖維素乙醇發(fā)酵過程中，前14小時菌株主要利用葡萄糖進 行代謝，這個過程發(fā)酵速度快，PH值降低幅度大，在這過程中pH值控制在4. 5左右，葡萄糖 利用率最高，副產(chǎn)物的產(chǎn)量最少（主要是甘油）；18小時之后葡萄糖已經(jīng)完全消耗，菌株主 要利用木糖代謝，這個過程發(fā)酵速度慢，PH值無明顯變化，此階段pH值控制在5. 0?5. 05， 木糖利用率最1?。
[0012] 木質(zhì)纖維素原料經(jīng)預處理、酶解后獲得的酶解液，葡萄糖濃度8. 5g/100mL，木糖濃 度3. 0g/100mL，水解液的pH值在4. 9?5. 0之間，8%?10%接種后pH值會彡4. 9,0?6 小時酵母大量繁殖的過程PH值迅速下降至4. 7,葡萄糖主發(fā)酵期pH值會自然穩(wěn)定在4. 5? 4. 6之間，因此這個階段無需調(diào)控pH值。
[0013] 18小時之后需將pH值調(diào)至5. 0?5. 05以保證木糖利用率最大化，由于木糖濃度 低，發(fā)酵速度慢，這個階段的PH值穩(wěn)定的維持在4. 9?5.0,調(diào)控pH值木糖利用率也無明顯 變化，因此在將pH值調(diào)至5. 0后，后續(xù)發(fā)酵過程不再繼續(xù)調(diào)控pH值，防止調(diào)控過程pH值上 下波動，增加酸堿的消耗。
[0014] 因此，以高原料利用率、低輔料消耗的原則，在發(fā)酵14?18小時調(diào)控一次pH值， 就可達到最優(yōu)的PH調(diào)控目標，既可以提高乙醇的得率，降低副產(chǎn)物的產(chǎn)出，又能緩解全程 調(diào)控PH值酸堿消耗的高成本壓力，還可降低由于殘?zhí)恰⒏碑a(chǎn)物過多和高鹽濃度對后序污水 處理的高負荷影響，同時提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本，發(fā)酵過程僅調(diào)控一次PH值， 生產(chǎn)操作簡潔化。
[0015] 為了達到C5酵母菌分解木糖的最佳pH值，作為優(yōu)選，發(fā)酵16小時后，調(diào)節(jié)pH值 至5. 0。pH值過高容易染菌，pH值過低影響微生物酶活性。
[0016] 在纖維素乙醇的制備過程中，酶解階段已為發(fā)酵階段的酵母生長繁殖提供氮源， 如果在發(fā)酵過程中繼續(xù)用氨水調(diào)節(jié)PH值勢必會導致廢水氨氮含量升高，增加污水處理難 度，同時氨水由于揮發(fā)性的問題會傷害員工，且20%氨水調(diào)pH值會一定程度降低發(fā)酵干 物，提高蒸餾能耗。作為優(yōu)選，調(diào)節(jié)PH值采用的試劑為氫氧化鈉。
[0017] 在本發(fā)明提供的一些實施例中，氫氧化鈉為液體氫氧化鈉或固體氫氧化鈉。
[0018] 為了達到C5酵母菌分解木糖的最佳溫度，在本發(fā)明提供的一些實施例中，發(fā)酵的 溫度為30°C。
[0019] 木質(zhì)纖維素原料包括所有以纖維素或半纖維素為有效利用成份的原料。在本發(fā)明 提供的一些實施例中，木質(zhì)纖維素原料為麥桿、稻桿、玉米秸桿或木材下腳料中的一種或兩 者以上的混合物。
[0020] 作為優(yōu)選，C5酵母菌與木質(zhì)纖維素原料酶解液的質(zhì)量比為8%?10%。
[0021] 在本發(fā)明提供的一些實施例中，C5酵母菌的菌活為85%?100%。
[0022] 作為優(yōu)選，C5酵母菌的菌活為85%?95%。
[0023] 優(yōu)選地，C5酵母菌的菌活為95%。
[0024] 在本發(fā)明提供的一些實施例中，木質(zhì)纖維素原料酶解液的制備方法具體為：將木 質(zhì)纖維素原料預處理、酶解，獲得木質(zhì)纖維素原料酶解液。
[0025] 在本發(fā)明提供的一些實施例中，酶解具體為：取預處理后的木質(zhì)纖維素原料與纖 維素酶混合，調(diào)節(jié)pH值至4. 95?5. 05。
[0026] 在纖維素乙醇的制備過程中，酶解階段需要為發(fā)酵階段的酵母生長繁殖提供氮 源。作為優(yōu)選，酶解步驟中調(diào)節(jié)PH值采用的試劑為氨水。采用氨水調(diào)節(jié)pH值可降低輔料 成本，緩沖了 PH調(diào)控過程中的上下波動幅度，保證了酶水解的高效運行，節(jié)省了其他類氮 源輔料的添加，同時還減弱了污水處理過程中氨氮類指標的高負荷影響。酶水解工序如果 用氫氧化鈉調(diào)節(jié)，發(fā)酵過程需要額外添加氮源，輔料消耗增加，污水處理難度增加。
[0027] 在本發(fā)明提供的一些實施例中，預處理為采用蒸汽爆破法、氨纖爆破法、二氧化碳 爆破法、濕氧化法、過氧化物法或二氧化硫法進行處理。
[0028] 作為優(yōu)選，預處理為采用蒸汽爆破法進行處理。
[0029] 本發(fā)明提供了一種纖維素乙醇的制備方法。該制備方法包括：在木質(zhì)纖維素原料 酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14?18小時后，調(diào)節(jié)pH值至5. 0?5. 05,繼續(xù)發(fā)酵32? 34小時，獲得纖維素乙醇。本發(fā)明至少具有如下優(yōu)勢之一：
[0030] 與現(xiàn)有技術相比，采用本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法可大大提高乙醇的得 率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本；
[0031] 采用本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法可大大降低副產(chǎn)物甘油濃度和耗堿量， 緩解了全程調(diào)控pH值酸堿消耗的高成本壓力，還可降低由于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度 對后序污水處理的1?負荷影響；
[0032] 采用本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法，發(fā)酵過程僅調(diào)控一次pH值，生產(chǎn)操作 簡潔化。

【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明公開了 一種纖維素乙醇的制備方法，本領域技術人員可以借鑒本文內(nèi)容， 適當改進工藝參數(shù)實現(xiàn)。特別需要指出的是，所有類似的替換和改動對本領域技術人員來 說是顯而易見的，它們都被視為包括在本發(fā)明。本發(fā)明的方法及應用已經(jīng)通過較佳實施例 進行了描述，相關人員明顯能在不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
、精神和范圍內(nèi)對本文所述的方法和應 用進行改動或適當變更與組合，來實現(xiàn)和應用本發(fā)明技術。
[0034] 本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法中所用原料藥或輔料均可由市場購得。C5酵 母菌購自美國綠色科技公司（Green Tech America，Inc)。
[0035] 下面結合實施例，進一步闡述本發(fā)明：
[0036] 實施例1纖維素乙醇的制備
[0037] 取IOOOkg木質(zhì)纖維素原料玉米秸桿，經(jīng)蒸汽爆破法，制得的含水物料輸送到酶水 解反應器中，采用工業(yè)氨水噴淋混合，調(diào)節(jié)pH值至5. 0,加入19. 2kg纖維素酶，水解72h，獲 得酶解液。
[0038] 在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活為95%，加入量為8%酶 解液的量，在30°C的條件下發(fā)酵16小時后，加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至5. 0,繼續(xù)發(fā)酵32小 時，獲得纖維素乙醇。
[0039] 計算纖維素乙醇的得率、耗堿量、原料單耗，并測定副產(chǎn)物甘油的濃度，計算公式 如下：
[0040] 纖維素乙醇得率（％) = (C1-C0)A). 511*((：葡+(：木）
[0041] 其中，C1為發(fā)酵結束乙醇濃度，Ctl為發(fā)酵開始乙醇濃度，C flJ為發(fā)酵開始葡萄糖濃 度，Cf為發(fā)酵開始木糖濃度。
[0042] 耗堿量=堿（kg) /乙醇⑴；
[0043] 原料單耗=原料（t)/乙醇（t)。
[0044] 實驗結果見表1。
[0045] 表1纖維素乙醇的得率等測定結果
[0046]
[0047] 實施例2纖維素乙醇的制備

【權利要求】
1. 一種纖維素乙醇的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 在木質(zhì)纖維素原料酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14?18小時后，調(diào)節(jié)pH值至5. 0? 5. 05,繼續(xù)發(fā)酵30?34小時，獲得纖維素乙醇。
2. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)pH值至5. 0。
3. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)pH值采用的試劑為氫氧化 鈉。
4. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述發(fā)酵的溫度為30°C。
5. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述木質(zhì)纖維素原料為麥桿、稻桿、 玉米秸桿或木材下腳料中的一種或兩者以上的混合物。
6. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述C5酵母菌與所述木質(zhì)纖維素原 料酶解液的質(zhì)量比為8%?10%。
7. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述C5酵母菌的菌活為85%? 100%。
8. 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述木質(zhì)纖維素原料酶解液的制備 方法具體為：將木質(zhì)纖維素原料預處理、酶解，獲得木質(zhì)纖維素原料酶解液。
9. 根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述酶解具體為：取預處理后的木質(zhì) 纖維素原料與纖維素酶混合，調(diào)節(jié)pH值至4. 95?5. 05。
10. 根據(jù)權利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述酶解步驟中調(diào)節(jié)pH值采用的試 劑為氨水。
【文檔編號】C12P7/10GK104388473SQ201410765651
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權日:2014年12月12日
【發(fā)明者】張寧, 李春玲, 孫巖, 袁敬偉, 楊宇平, 李 杰, 李凡, 沈乃東, 岳國君, 林海龍 申請人:中糧生化能源（肇東）有限公司, 中糧集團有限公司, 中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司