一種利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界上使用的主要能源煤、石油和天然氣均為不可再生且儲(chǔ)量有限，這些化 石燃料的燃燒也導(dǎo)致了空氣污染、全球變暖等諸多環(huán)境問(wèn)題。乙醇已經(jīng)被證實(shí)可以作為汽 車燃料，并表現(xiàn)出燃燒效率高、污染小、碳零排放等優(yōu)點(diǎn)。木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（林木、雜草、 農(nóng)業(yè)廢棄物等）是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等構(gòu)成的植物體生物質(zhì)，其中纖維素和半 纖維素由還原糖聚合而成。通過(guò)將纖維素、半纖維素水解為單糖，再利用單糖進(jìn)行發(fā)酵可以 得到乙醇。
[0003] 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且各組分連接緊密，為提高原料中聚糖的水解效率需 要對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)處理，目前對(duì)于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理方法多采用酸預(yù)處理或堿預(yù)處 理，這兩種預(yù)處理?xiàng)l件要求低，效果好，酸可以將原料中的半纖維素水解為單糖，堿可以溶 解原料中的木質(zhì)素并溶脹纖維素，這都有利于纖維素的酶解。但在預(yù)處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一 些副產(chǎn)物，影響后續(xù)的酒精發(fā)酵，因此，只有將預(yù)處理、酶解、發(fā)酵過(guò)程協(xié)調(diào)進(jìn)行才能將木質(zhì) 纖維素生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化成乙醇。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的 方法，通過(guò)協(xié)調(diào)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇的過(guò)程中的預(yù)處理、酶解、發(fā)酵等步驟，有效降低了預(yù)處 理過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)酵抑制物的含量，提高了乙醇的轉(zhuǎn)化產(chǎn)率。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇的方法，步驟如下：
[0008] (1)將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料粉碎，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%?2%的硫酸溶液進(jìn)行 常壓熱處理，將原料中的半纖維素水解為單糖或低聚糖，離心或過(guò)濾使酸水解液和殘?jiān)?離；
[0009] (2)將步驟（1)中的殘?jiān)糜谒校疵靠藲堅(jiān)尤?. 08?0. 15g氫氧化鈣或氧 化鈣，常壓熱處理溶解殘?jiān)械哪举|(zhì)素并溶脹纖維素，得到混合物A;
[0010] (3)將步驟（1)中的酸水解液，加入到混合物A中，酸水解液和混合物A的質(zhì)量比 為0. 5-1: 1，得到混合物B，50°C?100°C保溫處理0. 5?2h，混合過(guò)程中氫氧化鈣和硫酸反 應(yīng)生成硫酸鈣沉淀，隨著混合液pH變化，溶液中的木質(zhì)素析出，酸解過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)酵抑 制物含量降低，待混合物B降溫至25-40°C后，此時(shí)混合物B的pH為3. 5?5. 5;
[0011] (4)向步驟（3)中降溫后的混合物B中加入纖維素酶，纖維素酶的加入量為：每克 混合物B中的固體質(zhì)量加入5?20FPU纖維素酶，同時(shí)加入氮源，按混合物B的體積接入 2?8% (v/v)活化好的木糖發(fā)酵菌和1?4% (v/v)葡萄糖發(fā)酵酵母，進(jìn)行同步糖化發(fā)酵 生產(chǎn)乙醇。
[0012] 步驟（1)中，所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料為林木、雜草、能源作物草類、農(nóng)業(yè)廢棄 物（秸桿、玉米芯等）、廢紙及其兩種或兩種以上的混合物，由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素構(gòu) 成；
[0013] 步驟⑴中，所述原料經(jīng)切割、粉碎至長(zhǎng)度小于3cm;
[0014] 步驟（1)中，所述木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料與硫酸溶液的比為lg: (6_12)ml;
[0015] 步驟（1)中，所述常壓熱處理的條件為：處理溫度50°C?100°C;處理時(shí)間為2h? 48h；
[0016] 步驟（2)中，殘?jiān)c水的比為：（5?25)g:100ml;
[0017] 步驟（2)中，所述常壓熱處理的條件為：處理溫度為50°C?100°C;處理時(shí)間為 2h?48h。
[0018] 步驟（4)中，所述氮源為玉米漿、玉米水、酵母提取物、蛋白胨、硫酸銨或尿素中的 任意一種或幾種，加入量為混合物B的體積的0. 1?4% (v/v);
[0019] 優(yōu)選地，所述氮源為玉米漿或玉米水。
[0020] 步驟（4)中，所述木糖發(fā)酵菌選自嗜親管囊酵母（Pachysolentannophilus)、 畢赤酵母（Pichiapastoris)、休哈塔假絲酵母（Candidashehatae)或產(chǎn)|元假絲酵母 (Candidautilis)等可以利用木糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇的細(xì)菌及真菌；
[0021] 所述葡萄糖發(fā)酵酵母為釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae);同步發(fā)酵溫度為 25°C?40°C;發(fā)酵轉(zhuǎn)速為30?180rpm;發(fā)酵時(shí)間為72-120小時(shí)。
[0022] 本發(fā)明的有益效果：
[0023] (1)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)經(jīng)常壓硫酸和氫氧化鈣熱處理后半纖維素和木質(zhì)素被除 去，纖維素溶脹后纖維素結(jié)晶區(qū)被打開(kāi)，纖維素酶與木質(zhì)纖維素原料可及性增強(qiáng)，利于纖維 素酶糖化纖維素產(chǎn)葡萄糖。同時(shí)半纖維素也被酸水解得到可用于發(fā)酵的單糖。
[0024] (2)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)硫酸反應(yīng)液在常壓下預(yù)處理，半纖維素以單糖或低聚糖形 式存在，抑制物含量較低，纖維素酶系發(fā)酵生產(chǎn)菌株中本身含有含纖維素酶系和半纖維素 酶系，糖化過(guò)程不需額外半纖維素酶添加，有利于節(jié)約能耗，降低成本。
[0025] (3)硫酸處理過(guò)程中產(chǎn)生的醛類、酸類隨著溶液pH的變化含量降低，氫氧化鈣處 理過(guò)程中產(chǎn)生的木質(zhì)素也隨著溶液pH降低而析出，解決了木質(zhì)素對(duì)纖維素酶的吸附作用， 同時(shí)酸水解液和堿水解液混合調(diào)節(jié)PH，同時(shí)除去發(fā)酵抑制物完成脫毒步驟。
[0026] (4)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)硫酸反應(yīng)液和氫氧化鈣反應(yīng)液混合得到硫酸鈣沉淀使混合 液pH達(dá)到酶解和發(fā)酵的要求，無(wú)污水產(chǎn)生，同時(shí)不需要滅菌處理，是一種環(huán)境友好，能耗低 的預(yù)處理方式。
[0027] (5)同步糖化共發(fā)酵將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素全部利用生產(chǎn)乙 醇使原料得到充分利用，乙醇得率大幅度提高；糖化和發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行減小了中間產(chǎn)物對(duì)纖 維素酶的抑制也降低了染菌機(jī)會(huì)，同時(shí)降低了設(shè)備投資。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；
[0029] 圖2為原料不同處理方式的組分變化；
[0030] 圖3為實(shí)施例1、對(duì)比例1、2、3中原料乙醇轉(zhuǎn)化率的比較