一種通過分批補(bǔ)料半同糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種通過分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法，包括如下步驟：1)蒸汽爆破處理；2)堿性過氧化氫處理：過氧化氫濃度(w/v)0.5～5％，固液比1：5～1：20，pH 9～12，溫度10～70℃，處理1～5次，處理時(shí)間1～10h；3)分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵乙醇：將得到的固體和含有營養(yǎng)物的溶液分別在高溫下滅菌，然后將二者與過濾除菌后纖維素酶混合，在45～50℃下振蕩8～16h，再向體系添加初始量0.8～2倍干物料和相應(yīng)量的酶液，繼續(xù)在45～50℃下振蕩12～30h。酶解結(jié)束后接入釀酒酵母進(jìn)行乙醇發(fā)酵。本發(fā)明為纖維素乙醇商業(yè)化提供了一種生產(chǎn)途徑。
【專利說明】
一種通過分批補(bǔ)料半同糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)資源循環(huán)利用和生物質(zhì)能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和全球人口的不斷增加，人們對(duì)各種能源燃料和化學(xué)品的需求量和消耗量與日倶增，這就導(dǎo)致了糧食危機(jī)、能源危機(jī)、溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等問題日益突出。上述問題讓人們意識(shí)到大規(guī)模開發(fā)清潔性、可再生性能源的必要性和急迫性。目前，已有很多國家把生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)作為一項(xiàng)重大的國家戰(zhàn)略進(jìn)行推進(jìn)。在眾多的生物燃料和生物基化學(xué)品中，纖維素乙醇以其可再生性、原材料廣泛、“不與人爭糧”和無污染性等特點(diǎn)被公認(rèn)為最具有應(yīng)用價(jià)值的可再生能源之一，得到了眾多的研究者的研究。
[0003]目前，雖然纖維素乙醇的生產(chǎn)方法(主要包括原料的預(yù)處理、酶解、乙醇發(fā)酵和分離提純等步驟)已經(jīng)打通，但是過高的生產(chǎn)成本嚴(yán)重阻礙了纖維素乙醇的商業(yè)化進(jìn)程。研究者們認(rèn)為造成生產(chǎn)成本較高的主要原因之一是由于纖維素乙醇發(fā)酵方法未達(dá)到淀粉質(zhì)乙醇發(fā)酵的“三高”(高濃度、高轉(zhuǎn)化率和高效率)指標(biāo)。因此，國內(nèi)外研究者從提高基質(zhì)纖維素含量、優(yōu)化酶解發(fā)酵方法、提高傳質(zhì)傳熱效率和降低發(fā)酵抑制物影響等方面出發(fā)來實(shí)現(xiàn)纖維素乙醇的濃醪發(fā)酵，從而達(dá)到“三高”指標(biāo)。天津大學(xué)的zhang等以酸堿耦合預(yù)處理后的玉米芯為基質(zhì)，在加酶量為30FPU/g葡聚糖條件下，以19 %基質(zhì)濃度為起始濃度，通過在發(fā)酵過程中采取分批補(bǔ)料的方式，最終補(bǔ)料到相當(dāng)于25%總基質(zhì)濃度，發(fā)酵96h后乙醇濃度達(dá)到84.7g/L，發(fā)酵效率為0.88g/(L.h) Xannella等利用一種自由落體混合式臥式反應(yīng)器進(jìn)行軟木高濃度發(fā)酵乙醇，在30 %基質(zhì)濃度下，發(fā)酵120h后，乙醇濃度達(dá)50g/kg，創(chuàng)造了杉木纖維素乙醇發(fā)酵歷史新高。王亮等利用常壓甘油自催化麥草為發(fā)酵原料，采用分批補(bǔ)料式半同步糖化策略進(jìn)行濃醪乙醇發(fā)酵；以15 %基質(zhì)濃度為起始濃度，分批補(bǔ)料到相當(dāng)于30 %基質(zhì)濃度，發(fā)酵72h后，乙醇產(chǎn)量為51.2g/L，發(fā)酵效率為0.72g/(L.h)。由此可見，國內(nèi)外在纖維乙醇濃醪發(fā)酵乙醇方面取得了很大的進(jìn)展，基質(zhì)濃度可達(dá)到30g/L，乙醇濃度在可達(dá)50g/L以上。
[0004]在纖維素乙醇濃醪發(fā)酵方面，我們課題組有大量的研究，用發(fā)明的甘油有機(jī)溶劑預(yù)處理技術(shù)(CN 101148830 B；CN 101440108 B)對(duì)農(nóng)林生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，然后以預(yù)處理得到高纖維素含量、高酶解性的基質(zhì)為底物，開展不同方式(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)酵等等)下的濃醪乙醇發(fā)酵研究，取得了很好的成果。但是纖維素乙醇發(fā)酵效率明顯低于淀粉乙醇發(fā)酵效率(2.4g/(L.h))。所以，在課題組前期工作的基礎(chǔ)上，本發(fā)明公布了一種通過分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有的纖維素乙醇濃醪發(fā)酵技術(shù)綜合指標(biāo)不佳的問題，即濃醪發(fā)酵得到的乙醇濃度達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是生產(chǎn)效率不理想，提出了分批補(bǔ)料半同糖化發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇的方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種通過分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法，方法的具體步驟如下:
[0007]I)蒸汽爆破處理:將粉粹后的木質(zhì)纖維素材料與水混合放入蒸煮罐內(nèi)，升溫至升溫至150?250°C，然后維持I?30min，然后過濾干燥得到固體。
[0008]2)堿性過氧化氫處理:然后用堿性過氧化氫溶液在過氧化氫濃度(w/v)0.5?5%，固液比1:5?1:20，ρΗ 9?12，溫度10?70°C的條件下，處理時(shí)間I?10h，處理I?5次。對(duì)處理液進(jìn)行固液分離并對(duì)固體洗滌至中性，得到富含纖維素的固體部分。
[0009 ]分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵乙醇:將得到的固體和含有營養(yǎng)物的溶液分別在高溫下滅菌，然后將二者與過濾除菌后的纖維素酶液混合，在45?50 °C下振蕩8?16h，再向體系添加初始量0.8?2倍的干物料和相應(yīng)量的酶液，繼續(xù)在45?50 0C下振蕩12?30h。酶解結(jié)束后，向體系中接入耐高溫的釀酒酵母進(jìn)行乙醇發(fā)酵;發(fā)酵結(jié)束后，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行固液分離即得到高生產(chǎn)效率的、高濃度的纖維素乙醇。
[0010]所述的木質(zhì)纖維素材料可為農(nóng)林廢棄物、能源作物和森林廢棄物等。
[0011]所述的將富含纖維素的固體、含有營養(yǎng)物的液體和纖維素酶混合，是先含有營養(yǎng)物的液體和纖維素酶混合，然后再與富含纖維素的固體混合。
[0012]纖維素酶為商業(yè)纖維素酶，添加量為7?40FPU/g干物質(zhì)
[0013]酶解溫度優(yōu)選48?53Γ。
[0014]釀酒酵母是耐高溫的安琪商業(yè)酵母。
[0015]乙醇發(fā)酵溫度為35?43°C，發(fā)酵時(shí)長為6?48h。
[0016]有效效果:與現(xiàn)有的纖維素乙醇的制備方法相比，本發(fā)明方法同時(shí)實(shí)現(xiàn)了纖維素乙醇發(fā)酵的高濃度(>60g/L)、高生產(chǎn)效率(>2g/(L.h))的雙重指標(biāo)，近一步降低了生產(chǎn)纖維素乙醇的的商業(yè)成本，有喜歡推動(dòng)纖維素乙醇的商業(yè)化進(jìn)程。
【附圖說明】
[0017]圖1底物濃度與酶解率的關(guān)系
[0018]圖2底物濃度與還原糖產(chǎn)量的關(guān)系
[0019]圖3分批補(bǔ)料補(bǔ)料量與還原糖產(chǎn)量的關(guān)系
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面通過實(shí)例，來對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
[0021]以下實(shí)施例中，葡萄糖濃度、木糖濃度以及乙醇濃度均采用高效液相色譜法(HPLC)測定。色譜條件如下:色譜儀:日立高線液相色譜儀;色譜柱:B1-Rad Aminex HPX-87H；流動(dòng)相0.005mol/L硫酸;流速:0.6mL/min ；柱溫60°C ；檢測器:示差檢測器;進(jìn)樣量20μL。外標(biāo)法測定
[0022]實(shí)施例1
[0023]I)蒸汽爆破處理:將玉米秸桿放入蒸汽爆破反應(yīng)器中在200°C下，維持lOmin，得到固液分離物，固體部分在60 0C下干燥6h;汽爆處理后三大組分組成為:纖維素含量33 %，木聚糖含3.32%，木質(zhì)素含量36.1%。
[0024]2)堿性過氧化氫溶液處理:然后用2 % (w/w)的過氧化氫溶液在pH為11.5，固液比1:20，溫度25°C的條件下，處理時(shí)間6h，處理3次。然后對(duì)得到的固液混合物進(jìn)行固液分離，然后用熱水洗滌至中性。最后放于60°C下烘干，即得到富含纖維素的干燥固體。堿性過氧化氫溶液處理后的三大組分含量為纖維素61.2%，半纖維素5.21 %，木質(zhì)素9.26%。
[0025]3)分批補(bǔ)料半同糖化濃醪發(fā)酵乙醇:取上一步烘干的物料，用粉碎機(jī)粉碎到70目左右。首先物料和含有16g/L酵母提取物的溶液(陳放于250mL離心瓶)分別滅菌，對(duì)纖維素酶解進(jìn)行過濾除菌;先將135FPU的酶液和30mL含酵母提取物的溶液混合，再將4.5g的物料加入到混合液中；將混合物反應(yīng)搖床中，在溫度50°C、180rpm條件下，酶解12h，再向體系中加入6g的滅菌后的干物料和180FPU酶液，進(jìn)行酶解24h;酶解結(jié)束后，向體系中接入1.8mg干菌體，然后在39°C下發(fā)酵24h，乙醇產(chǎn)量分別為70.53g/L，發(fā)酵效率分別為2.94g/(L.h)。
[0026]實(shí)施例2
[0027]I)蒸汽爆破處理:將玉米秸桿放入蒸汽爆破反應(yīng)器中在200°C下，維持lOmin，得到固液分離物，固體部分在60 0C下干燥6h;汽爆處理后三大組分組成為:纖維素含量33 %，木聚糖含3.32%，木質(zhì)素含量36.1%。
[0028]2)堿性過氧化氫溶液處理:然后用4 % (w/w)的過氧化氫溶液在pH為11.5，固液比1:8，溫度25°C的條件下，處理時(shí)間6h，處理2次。然后對(duì)得到的固液混合物進(jìn)行固液分離，然后用熱水洗滌至中性。最后放于60°C下烘干，即得到富含纖維素的干燥固體。堿性過氧化氫溶液處理后的三大組分含量為纖維素62.6%，半纖維素4.71 %，木質(zhì)素8.54%。
[0029]3)分批補(bǔ)料半同糖化發(fā)酵濃醪發(fā)酵乙醇:取上一步烘干的物料，用粉碎機(jī)粉碎到70目左右。首先物料和含有16g/L酵母提取物的溶液(陳放于250mL離心瓶)分別滅菌，對(duì)纖維素酶解進(jìn)行過濾除菌；先將135FPU的酶液和30mL含酵母提取物的溶液混合，再將4.5g的物料加入到混合液中；將混合物反應(yīng)搖床中，在溫度50°C、180rpm條件下，酶解12h，再向體系中加入6g的滅菌后的干物料和180FPU酶液，進(jìn)行酶解24h ;酶解結(jié)束后，向體系中接入1.8mg干菌體，然后在39°C下發(fā)酵24h，乙醇產(chǎn)量分別為71.62g/L，發(fā)酵效率分別為2.98g/(L^h)0
[0030]實(shí)施例3
[0031]I)蒸汽爆破處理:將玉米秸桿放入蒸汽爆破反應(yīng)器中在200°C下，維持lOmin，得到固液分離物，固體部分在60 0C下干燥6h;汽爆處理后三大組分組成為:纖維素含量33 %，木聚糖含3.32%，木質(zhì)素含量36.1%。
[0032]2)堿性過氧化氫溶液處理:然后用4 % (w/w)的過氧化氫溶液在pH為11.5，固液比1:8，溫度25°C的條件下，處理時(shí)間6h，處理2次。然后對(duì)得到的固液混合物進(jìn)行固液分離，然后用熱水洗滌至中性。最后放于60°C下烘干，即得到富含纖維素的干燥固體。堿性過氧化氫溶液處理后的三大組分含量為纖維素62.6%，半纖維素4.71 %，木質(zhì)素8.54%。
[0033]3)分批補(bǔ)料半同糖化濃醪發(fā)酵乙醇:取上一步烘干的物料，用粉碎機(jī)粉碎到70目左右。首先物料和含有16g/L酵母提取物的溶液(陳放于250mL離心瓶)分別滅菌，對(duì)纖維素酶解進(jìn)行過濾除菌;先將135FPU的酶液和30mL含酵母提取物的溶液混合，再將4.5g的物料加入到混合液中；將混合物反應(yīng)搖床中，在溫度50°C、180rpm條件下，酶解12h，再向體系中加入6g的滅菌后的干物料和180FPU酶液，進(jìn)行酶解24h;酶解結(jié)束后，向體系中接入1.8mg干菌體，然后在37°C下發(fā)酵24h，乙醇產(chǎn)量分別為65.04g/L，發(fā)酵效率分別為2.71g/(L.h)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通過分批補(bǔ)料半同糖化濃醪發(fā)酵纖維素乙醇的方法，其特征在方法的步驟如下: 1)蒸汽爆破處理:將粉粹后的木質(zhì)纖維素材料與水混合放入蒸煮罐內(nèi)，升溫至150?250 °C，然后維持I?30min，然后過濾干燥得到固體。 2)堿性過氧化氫處理:然后用堿性過氧化氫溶液在過氧化氫濃度(w/v)0.5?5%，固液比1:5?1:20，ρΗ 9?12，溫度10?70°C的條件下，處理時(shí)間I?10h，處理I?5次。對(duì)處理液進(jìn)行固液分離并對(duì)固體洗滌至中性，得到富含纖維素的固體部分。 3)分批補(bǔ)料半同步糖化濃醪發(fā)酵乙醇:將得到的固體和含有營養(yǎng)物的溶液分別在高溫下滅菌，然后將二者與過濾除菌后的纖維素酶液混合，在45?50°C下振蕩8?16h，再向體系添加初始量0.8?2倍的干物料和相應(yīng)量的酶液，繼續(xù)在45?50 0C下振蕩12?30h。酶解結(jié)束后，向體系中接入耐高溫的釀酒酵母進(jìn)行乙醇發(fā)酵;發(fā)酵結(jié)束后，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行固液分離即得到高生產(chǎn)效率的、高濃度的纖維素乙醇。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的木質(zhì)纖維素包括農(nóng)林廢棄物、能源作物和森林廢棄物等。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的堿性過氧化氫處理?xiàng)l件為過氧化氫濃度(w/v)0.5?5%，固液比1:5?1:20，ρΗ 9?12，溫度10?70°C，處理時(shí)間I?1h，處理I?5次。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的營養(yǎng)物可為O?20g/L硫酸銨、硝酸銨、氯化銨、尿素、蛋白胨、酵母膏、玉米漿或豆柏氮源的一種或它們的混合。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的半同步糖化發(fā)酵初始底物濃度8?20%，補(bǔ)料后累積總底物濃度(w/v)相當(dāng)于20?50%。6.根據(jù)權(quán)利權(quán)利I所述的方法，其特征在于:所述的發(fā)酵溫度為35?43°C，發(fā)酵時(shí)長為6?48h07.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的高產(chǎn)率、高濃度的纖維素乙醇，纖維素乙醇濃度為60?120g/L，生產(chǎn)效率為I?5g/(L.h)。
【文檔編號(hào)】C12P7/10GK105838743SQ201610265845
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月26日
【發(fā)明人】孫付保, 劉建權(quán), 張震宇, 洪嘉鵬, 趙曉琴, 張世敏
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)