专利名称：一种甜高粱秆的综合利用方法
技术领域：
本发明属于生物质能源与化工技术领域，具体地说，涉及一种甜高粱秆固体发酵生产乙醇后的综合利用方法。
背景技术：
作为能源作物，甜高粱具有令人瞩目的优势。甜高粱具有很高的光合作用率，生物学产量极高。甜高粱的茎秆中富含糖，每公顷甜高粱茎秆可发酵生产乙醇3000 5000L，因品种而异。种植甜高粱的需水量仅为甘蔗的1/3 1/5，而且对土壤条件具有广泛的适应性， 特别是其显著的抗旱性和抗盐碱性。在荒滩地、干旱地和盐碱地等边际土地上均能种植甜高粱，且一年三熟。种植甜高粱生产燃料乙醇，实现了 “不与人争粮，不与粮争地”。如果种植粮秆兼用型甜高粱，既可收获籽粒，又可收获茎叶。甜高粱的籽粒既可食用，又可作为饲料和工业原料；茎秆中糖分能够应用清华大学开发的高等固态发酵技术 (ASSF)，高效率地转化为乙醇，在生产燃料乙醇的同时，副产大量酒糟。上述酒糟的产量远大于乙醇的产量。目前酒糟的主要用途是提供给牛、羊等牲畜作为饲料。但是，随着甜高粱乙醇生产规模的扩大，石油资源的短缺，更需要将酒糟作为运输燃料和化工产品的原料，创造更大的经济价值。
发明内容
本发明的目的在于针对目前酒糟利用率低、产物附加值低的现状，提供一种甜高粱秆的综合利用方法。酒糟主要成分为半纤维素、纤维素和木质素。其中，半纤维素含量为25%左右，纤维素含量为35. 00%左右。其半纤维素组分可以酸解用来生产木糖、木糖醇、糠醛等重要化工产品；半纤维素被水解后，剩下的酸解渣中纤维素表面得到有效暴露，易于被纤维素酶酶解糖化生成葡萄糖，并进一步发酵生产燃料乙醇。酶解剩下的残渣即酶解木质素可以作为高热值的燃料使用，还可以深加工生产木质素产品。所以，酒糟的综合利用能够显著提高甜高粱种植的经济性，提高燃料乙醇生产的经济效益，缓解我国的能源危机和环境危机，社会效益显著。基于上述原理，本发明的技术方案为一种甜高粱秆综合利用的方法，包括如下步骤(1)将甜高粱秆粉碎、调节含水量后固态发酵，蒸馏得到乙醇溶液和酒糟；(2)将上述酒糟在酸性条件下水解，固液分离得到木糖溶液和酸解渣；(3)将上述酸解渣水洗后作为底物，加入酶解缓冲液，然后加入酶进行酶解，固液分离得到酶解混合液和酶解木质素；(4)将上述酶解混合液接种酵母发酵产生乙醇溶液。通过上述步骤实现秸秆成分中糖分、纤维素、半纤维素和木质素的综合利用。其中，步骤(1)为甜高粱秆中的可溶性糖的利用步骤；步骤( 为甜高粱秆中半纤维素的利用和纤维素乙醇的酸预处理过程；步骤C3)为甜高粱秆中纤维素酶解产酶解混合液和酶解木质素的过程；步骤(4)为酶解混合液发酵产乙醇的过程。步骤(1)中所述粉碎通常是将甜高粱秆粉碎成直径1 2mm长度小于30mm的丝状；所述调节含水量的优选方法为用去离子水调节甜高粱杆含水量为70% ；所述固态发酵的条件是在酵母接种量为10% 20% (即每kg物料所用酵母液体积为100 200mL)，罐内温度为25 35°C，发酵罐回转速度为0. 2 0. 5rpm条件下，发酵 20 42h。优选条件是酵母接种量为15% (即每kg物料所用酵母液体积为150mL，每mL 酵母液中约含1 X IO7个酵母细胞)，罐内温度为30 32°C，发酵罐回转速度为0. 25rpm,发酵时间30h ；所述蒸馏是向固态发酵后得到的发酵料中每50g发酵料中加入150 250mL蒸馏水，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液达加入蒸馏水量的一半后停止。优选条件是向固态发酵后得到的发酵料中每50g发酵料中加入200mL蒸馏水，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液达加入蒸馏水量一半后停止。步骤O)中酸解的条件为酸的浓度(重量百分数)为0. 5 5%，温度为100 150°C，酸解底物即酒糟(干基计)的重量百分数为5% 20%，酸解0.1 4h。所用的酸可以为硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一种或者几种。优选的条件是在硫酸浓度(重量百分数)为1.5%，温度为120 125°C，酸解底物即酒糟(干基计)的重量百分数为10% 15%的条件下，酸解0.证；或者在草酸浓度 (重量百分数)为3%，温度为120 125°C，酸解底物即酒糟(干基计)的重量百分数为 10% 15%的条件下，酸解1. 5h。步骤(3)中所述酶为纤维素酶或者纤维素酶添加β-葡萄糖苷酶的复配。所述的酶解是在酶解液ρΗ值为4. 5 5. 5，酶解底物即酸解渣(干基计)的重量百分数为5 % 20 %的条件下，将酶加入到酶解液中，加入量为1 10FPU/g底物，在45 55 °C的温度下，酶解糖化M 120h。优选的条件是酶解液ρΗ值为5. 0 5. 1，酶解底物即酸解渣(干基计)的重量百分数为12. 5%，酶解温度为50°C，酶解糖化72h。所述的固液分离方法可以为抽滤、离心、沉降或旋液分离中的一种或几种。步骤(1)和中发酵所用酵母为安琪酵母或者TSH-&-001菌种。本发明所述TSHIc-OO 1菌种与专利CN101033476A中的TSHIc-OO 1菌种相同(保藏单位中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏日期2007年3月6日，登记入册编号1949)。步骤(4)中在接种酵母发酵前要先将酶解混合液在115 121°C灭菌10 20min。 发酵条件为酵母接种量为5% 20% (即酵母液与酶解混合液的体积比为5% 20%，每 mL酵母液中约含1 X IO7个酵母细胞)，发酵罐内温度为25 35°C，发酵时间20 42h。优选的条件是酵母为TSH-&-001菌种，TSH-Sc-OOl接种量为15%，罐内温度为 28 32°C，发酵时间30h。本发明的甜高粱综合利用的方法，其优点在于
1)甜高粱秆中含有13% 14%的糖分，固态发酵产乙醇糖利用率高于90%。甜高粱基乙醇实现了 “不与人争粮，不与粮争地”。2)固态发酵过程使得酒糟的结构更加松散，有利于酸解/酶解反应的进行。3)酒糟中含有25%左右的半纤维素，经稀酸处理后，酸解液可用来制备木糖，其可进一步生成木糖醇或者糠醛等高附加值产品。酸解过程既是木糖的生产过程，同时也是纤维素乙醇生产的预处理过程，有效的降低了纤维素乙醇生产的预处理成本。4)酒糟酸解渣的纤维素含量高，纤维素酶可及度高，酶解抑制物少，因此酶解效率高。有效的降低了纤维素乙醇生产的酶成本，提高了酶解过程的设备利用率。总之，本发明的综合利用方法，充分实现了甜高粱秆中可溶性糖、半纤维素和纤维素的全利用。不但为酒糟的利用找到了新途径，而且得到了高附加值的木糖，同时提高了酸解渣中的纤维素含量和纤维素酶可及度，实现纤维素酶解糖化的高转化率。该方法使得高含糖量的木质纤维素原料的利用率提高，单位作物乙醇产量提高，纤维素乙醇的生产成本下降。
具体实施例方式下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。(注以下实施例的百分数如无特殊说明均为重量百分数)实施例1收割成熟的甜高粱，以总糖含量11%，还原糖含量7 %的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1 2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱秆含水量为70%。 向密闭料仓中加入TSH-&-001菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。酵母接种量为10% (即粉碎物料与酵母液的比例为Ikg IOOmL,每mL酵母液中约含1 X IO7个酵母细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为30 35°C，发酵罐回转速度为 0. 25rpm,发酵时间30h。向每50g发酵料加入200mL蒸馏水，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液达加入蒸馏水量的一半后停止。发酵后测得乙醇收率92.2%，总糖转化率98.6%。酒糟的成分组成为纤维素 38. 43%、半纤维素22. 63%、木质素20. 07%、灰分0. 25%。取3g酒糟(干重)加入微波消解罐中，再加入27mL浓度为3%的硫酸，在130°C 的条件下，酸解0.证。反应结束后抽滤，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率为17. 05%。酸解渣的成分组成为纤维素45. 38%、半纤维素9. 85%、 木质素22. 16%,灰分0. 68% ο取酸解渣0. 5g (干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为5 %的条件下，调节酶解液的pH值为5. 1，将纤维素酶加入到酶解液中，加入量为10FPU/g底物，在50°C的温度下，以150rpm的转速酶解。酶解结束后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化7 纤维素的转化率为82. 70%，酶解混合液中葡萄糖的浓度为20. 35g/L。将酶解混合液在115°C灭菌20min，然后在TSH-&-001接种量为15% (即酵母液与酶解混合液的体积比为15%，每mL酵母液中约含1 X IO7个酵母细胞)，罐内温度为30°C 的条件下发酵30h。乙醇收率达90%。
酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是按NREL方法测得。实施例2甜高粱秆的固态发酵方法同实施例1。取3g酒糟(干重)加入微波消解仪中，加入27mL浓度为3%草酸，在130°C的条件下，酸解1.证。反应结束后抽滤，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率为21. 48%。酸解渣的成分组成为纤维素52. 63%、半纤维素11. 67%, 木质素20. 60%、灰分0. 70%o酸解渣的酶解方法同实施例1。酶解糖化7 纤维素的转化率为85. 56%，葡萄糖的浓度为24. 30g/L。酶解混合液的发酵条件同实施例1。乙醇收率达90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是由NREL方法测得。实施例3甜高粱秆的固态发酵方法同实施例1。取3g酒糟(干重)加入高温灭菌锅中，用27mL3%草酸在125°C的条件下，酸解 0.证。反应结束后抽滤，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率为21. 37%。酸解渣的成分组成为纤维素51. 03%、半纤维素6. 99%, 木质素19. 25%、灰分0. 73%。酸解渣的酶解方法同实施例1。酶解糖化4 纤维素的转化率为65. 22%，葡萄糖的浓度为18. 19g/L。酶解混合液的发酵条件同实施例1。乙醇收率达90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是由NREL方法测得。实施例4甜高粱秆的固态发酵方法同实施例1。取3g酒糟(干重)加入高温灭菌锅中，用27mL3%硫酸在125°C的条件下，酸解 0.证。反应结束后抽滤，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率为20. 18%。酸解渣的成分组成为纤维素51. 95%、半纤维素2. 84%, 木质素21. 26%、灰分0. 77%。酸解渣的酶解方法同实施例1。酶解糖化4 纤维素的转化率为66. 05%，葡萄糖的浓度为18. 47g/L。酶解混合液的发酵条件同实施例1。乙醇收率达90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是由NREL方法测得。实施例5将甜高粱秸秆粉碎成直径1 2mm长度小于30mm的丝状，用去离子水调节粉碎的甜高粱杆含水量为70%。然后将甜高粱秆在连续固态发酵罐内进行连续发酵，酵母接种量为15% (即甜高粱秆与酵母液的比例为Ikg 150mL，每mL酵母液中约含IXlO7个细胞)，调节各操作参数，保持罐内温度为25 27°C，发酵罐回转速度为0. 5rpm，发酵时间40h。取 50g发酵料中加入250mL蒸馏水，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液达125mL后停止， 得到乙醇和酒糟。发酵后测得乙醇收率89.2%，总糖转化率98.6%。酒糟的成分组成为纤维素 37. 43%、半纤维素21. 63%、木质素22. 07%、灰分0. 25%。取4. 5g酒糟(干重)加入微波消解罐中，再加入27mL浓度为1. 5%硫酸在120°C 的条件下，酸解0.证。反应结束后抽滤，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率为15. 78%。酸解渣的成分组成为纤维素45. 03%、半纤维素12. 99%, 木质素15. 25%、灰分0. 73%。取酸解渣0. 5g(干重)水洗后作为酶解底物加入到三角瓶中，加入柠檬酸钠缓冲溶液，酶解底物重量百分数为15 %的条件下，调节酶解液的pH值为5. 1，将纤维素酶和β -葡萄糖苷酶的复合酶加入到酶解液中，加入量为2FPU/g底物，在50°C的温度下，以 150rpm的转速酶解。酶解糖化48h。反应结束后抽滤，得到酶解混合液和酶解木质素。酶解糖化4 纤维素的转化率为49. 05%，葡萄糖的浓度为25. 47g/L。将酶解混合液在121°C灭菌lOmin，然后在安琪酵母接种量为20% (即酵母液与酶解混合液的体积比为20%，每mL酵母液中约含1 X IO7个细胞)，罐内温度为30°C的条件下发酵30h得到乙醇溶液。乙醇收率达90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色谱测得。乙醇的量由气相色谱测得。实施例中的物料的成分组成均是由NREL方法测得。
权利要求
1.一种甜高粱秆的综合利用方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)将甜高粱秆粉碎、并调节含水量后固态发酵，蒸馏得到乙醇溶液和酒糟；(2)将上述酒糟在酸性条件下水解，固液分离得到木糖溶液和酸解渣；(3)将上述酸解渣水洗后作为底物，加入酶解缓冲液，然后加入酶进行酶解糖化，固液分离得到酶解混合液和酶解木质素；(4)将上述酶解混合液接种酵母发酵生产乙醇溶液。
2.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于，步骤(1)所述固态发酵的条件为酵母接种量为10% 20%，罐内温度为25 35°C，发酵罐回转速度为0. 2 0. 5rpm， 发酵时间为20 42h ；蒸馏的过程为向每50g发酵料中加入150 250mL蒸馏水，加热蒸馏，收集冷凝液，当收集的冷凝液达加入蒸馏水量的一半后停止。
3.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于，步骤( 中所述在酸性条件下水解的条件为在酸的浓度为0.5% 5%，酸解底物即酒糟的重量百分数为5% 20%，温度为100 150°C的条件下，酸解0. 1 4h，其中酸解底物的重量以干基计。
4.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于，步骤(3)中所述酶解的条件为 在酶解液PH值为4. 5 5. 5，酶解底物即酸解渣的重量百分数为5 20%的条件下，将酶加入到酶解底物中，加入量为1 10FPU/g底物，在45 55°C的温度下，酶解糖化M 120h。
5.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于步骤(4)中所述发酵的条件为 酵母接种量为5% 20%，发酵罐内温度为25 35°C，发酵时间20 42h。
6.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于步骤O)中所述木糖用于生产木糖醇或糠醛。
7.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于步骤(1)中所述粉碎是将甜高粱秆粉碎成直径1 2mm长度小于30mm的丝状。
8.根据权利要求3所述的综合利用方法，其特征在于步骤( 中所用的酸为硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一种或者几种。
9.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于步骤(3)中所述酶为纤维素酶， 或者为纤维素酶添加葡萄糖苷酶的复配。
10.根据权利要求1所述的综合利用方法，其特征在于步骤(1)和(4)中发酵所用酵母为安琪酵母或者TSH-&-001菌种。
全文摘要
本发明公开了属于生物质能源与化工技术领域的一种甜高粱秆的综合利用方法，该方法包括如下步骤1)将甜高粱秆固态发酵，蒸馏得到乙醇溶液和酒糟；2)将上述酒糟在酸性条件下水解，固液分离得到木糖溶液和酸解渣；3)将上述酸解渣水洗，作为酶解底物，加入酶解缓冲液，加入酶进行酶解后固液分离得到酶解混合液和酶解木质素；4)将上述酶解混合液接种酵母发酵产生乙醇溶液。本发明不但为酒糟的利用找到了新途径，而且得到了高附加值的木糖，同时提高了酸解渣中的纤维素含量和纤维素酶可及度，实现纤维素酶解糖化的高转化率。该方法使得高含糖量的木质纤维素原料的利用率提高，单位作物乙醇产量提高，纤维素乙醇的生产成本下降。
文档编号C12P19/14GK102399826SQ201110321859
公开日2012年4月4日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年10月20日
发明者李十中, 李纪红, 闫智培 申请人:清华大学