一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种乙醇的生产方法，特别涉及一种利用木质纤维素原料生产乙醇的 方法。
【背景技术】
[0002] 木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，由于其具有产量大、成 本低、可再生等优点，以木质纤维素生物质为原料，采用微生物法生产乙醇受到了世界各国 的广泛关注。
[0003] 利用木质纤维素原料生产乙醇的传统工艺主要有四种：分步糖化和发酵、同时糖 化发酵（SSF)、同时糖化和共发酵以及联合生物加工【李江等，木质纤维素生产燃料乙醇的 糖化发酵工艺研究进展，化工进展，2011 (30) :284-291】。但是，这四种传统方法发酵制备乙 醇时，得到的发酵液中的乙醇浓度过低，导致乙醇产率低，而且更为重要的是，会导致蒸馏 提纯的成本过尚。
[0004] 根据Huang等报道，乙醇浓度低于4% w/w时，蒸馏成本非常高，而浓度大于等 于 4% w/w 时，则蒸馈成本大大降低【Wei-Dong Huang et al，Analysis of biofuels production from sugar based on three criteria:Thermodynamics, bioenergetics, and product separation, Energy Environ. Sci·，2011，4, 784 - 792;见图 5】。然而，前述四种 传统方法发酵制备乙醇时，SSF法作为最常用的工艺，制得的发酵液中乙醇浓度相对较高， 但也很难达到前述临界值，蒸馏提纯成本高。
[0005] 公告号为CN103074385B的专利公开了一种改进的SSF法，将乙醇浓度提高到了 3. 45% w/w(即39. 4g/L)，该方法在一定程度上提高了发酵液中的乙醇浓度，但是得到的发 酵液的乙醇浓度仍然显著低于4% w/w，蒸馏提纯成本仍然很高。
[0006] 因此，为实现高效地、经济地利用木质纤维素原料生产乙醇，急需对现有方法进行 改进，以提高发酵液中的乙醇浓度，降低蒸馏提纯成本，提高产率。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法。
[0008] 本发明提供了一种利用木质纤维素原料生产乙醇的方法，它包括如下步骤：
[0009] a、预处理：对木质纤维素原料进行稀酸预处理，得预处理原料；
[0010] b、预糖化：对步骤a得到的预处理原料进行糖化，得预糖化物料；
[0011] C、批次补料同步糖化发酵：
[0012] 待步骤b得到的预糖化物料降温至35 °C后，接种酵母，在pH值为4. 8-5. 0、 150rpm、35°C条件下发酵，发酵过程中添加补料物料；最后一次补料24小时后，停止发酵， 即可；
[0013] 其中，补料物料由下述方法制备：
[0014] 取步骤a得到的预处理原料，加纤维素酶，再加水，调pH至4. 8-5.0,然后在 150印111、50°(：条件下保持24小时，得补料物料；其中，预处理原料的固体浓度为20%(8/ ml)，纤维素酶的加入量为15FPU/g固体。
[0015] 木质纤维素原料是生物质的一大种类，主要由木质素、纤维素以及半纤维素组成， 可用于生产乙醇的木质纤维素原料包括秸杆等农业废弃物，工业废弃物如造纸厂的纤维渣 等，林业废弃物和城市废弃物如废纸、包装纸等。
[0016] FPU :滤纸酶活力单位（Filter paper unit)，是用来描述纤维素酶活力的常用单 位。
[0017] 15FPU/g固体：酶添加量，指每g预处理原料干重（干重即预处理原料中的固体重 量）需要添加的酶活力量为15FPU。
[0018] 糖化时，若采用15% (g/ml)的固体浓度，则所需的总酶活力量为15FPU/g固 体X15g = 225FPU。纤维素酶的酶活力为140FPU/mL，则纤维素酶的添加量为225/140 = I. 6mL〇
[0019] 其中，步骤a中，所述预处理的方法为：
[0020] 1)取木质纤维素原料，按固体浓度10% (g/ml)和硫酸终浓度1% (g/ml)添加硫 酸和水，然后于140_150°C保持10_20min ;
[0021] 2)分离得到固体残渣；
[0022] 3)清洗；
[0023] 其中，所述木质纤维素原料为玉米芯、玉米秸杆、水稻秸杆、小麦秸杆、油菜秸杆、 甘蔗渣和/或芦苇。
[0024] 清洗是指：用水清洗固体残渣，至固体残渣的pH值与水的pH值相同。
[0025] 其中，步骤a中，所述预处理的方法为：
[0026] 1)取木质纤维素原料，调节固体浓度为15% (g/ml);
[0027] 2)在 5000rpm 下粉碎，调节 pH 至 4. 8-5. 0 ;
[0028] 其中，所述木质纤维素原料为纸。
[0029] 其中，步骤b中，所述预糖化的方法为：
[0030] 取步骤a的预处理原料，加纤维素酶，再加水，调pH至4. 8-5. 0,然后在150rpm、 50°C条件下，保持16-24小时，得预糖化物料；其中，预处理原料的固体浓度为15% (g/ml)， 纤维素酶的加入量为15FPU/g固体。
[0031] 进一步地，所述纤维素酶为Cellic CTec2。
[0032] 其中，所述固体浓度是通过加水调节的。
[0033] 其中，步骤c中，接种酵母后的预糖化物料中，酵母数量为1-2X107个/mL。
[0034] 其中，步骤c中，所述补料的次数为2-3次；每次补料物料的添加量均与步骤b的 预处理原料体积相同。
[0035] 其中，第1次补料时间为发酵后0-24小时；第2次补料时间为第1次补料后24小 时。
[0036] 本发明提供的乙醇生产方法，对木质纤维素进行预糖化，集中了分步糖化发酵和 同步糖化发酵的优点，得到的发酵醪液中乙醇浓度为4~4. 6% w/w (即46. 5~53. 7g/l)， 不低于4% w/w的临界点，乙醇蒸馏回收所耗用的成本大大降低，而且本发明得到的乙醇得 率、产率和生产能力高，具有良好的工业应用前景。
[0037] 显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离 本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
[0038] 以下通过实施例形式的【具体实施方式】，对本发明的上述内容再作进一步的详细说 明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容 所实现的技术均属于本发明的范围。
【附图说明】
[0039] 图1本发明的工艺图解
【具体实施方式】
[0040] 下面以实施例作进一步说明，但本发明不局限于这些实施例。
[0041 ] 实施例1本发明生产乙醇的方法
[0042] 1、实验材料
[0043] 纤维素酶：诺维信生产的Cellic CTec2,根据美国国家能源实验室（National Renewable Energy Laboratory)推荐的方法（Measurement of cellulase activites)测 定其滤纸酶活力为140FPU/mL ;
[0044] 玉米猜杆：取自于成都双流县农田，根据美国国家能源实验室（National Renewable Energy Laboratory)推荐 的方法(Determination of structural carbohydrates and lignin in biomass)测定其组分及结构糖的含量如下：
[0046] 注：所列结构糖、木质素和灰分含量均基于干重计算。
[0047] 2、乙醇生产方法
[0048] (1)预处理：
[0049] 取222. 8g玉米秸杆（即干重200g)，加入400mL浓度为5% (g/ml)的硫酸溶液， 再加入1577. 2mL水（水的计算公式为：2000-400-(222. 8-200))，使固体浓度为10% (g/ ml)；
[0050] 在150°C条件下处理lOmin，经固液分离得到523. 8g固体残渣，即得到预处理后的 玉米秸杆原料，备用。
[0051] 预处理后的玉米秸杆原料中水分含量为78. 7%，干重为523. 8X (1-78.7% )= 111. 6g〇
[0052] 预处理后的玉米秸杆原料中组分及结构糖含量如下：
[0054] 注：所列结构糖、木质素和灰分含量均基于干重计算。
[0055] (2)预糖化：
[0056] 取70. 4g(干重=70. 4X (1-78. 7% ) = 15g)预处理后的玉米猜杆原料，添加纤维 素酶 I. 6mL (计算公式为：15FPU/g 固体 X15g/140FPU/mL = 1. 6)，加水 38mL，用 20% H2SO4 调节pH值至4. 8后，再加水至总液体体积为lOOmL，混合均勾后，50°C条件下糖化16h，得预 糖化液。
[0057] (3)同步糖化发酵（SSF):
[0058] 待预糖化液冷却至35°C后，加入IOmL酵母种子液，酵母种子液中酵母数量为IO8 个/mL，开始发酵；在发酵过程中添加补料物料；
[0059] 其中，补料物料是由下述方法制备的：取93. 9g(干重=93. 9X (1-78.7% )= 20g)步骤⑴预处理后的玉米秸杆原料，添加纤维素酶2. lmL(15FPU/g固体X20g/140FPU/ mL = 2. 1)，加水15mL，用20% H2SO4调节pH至4. 8后，再加水至总液体体积为100mL，混合 均匀后与50°C条件下预糖化24h ;
[0060] 补料时间：待准备的补料温度降至35°C后进行补料，总共补料2次。第一次补料 时间为SSF启动后24h ;第二次补料时间为第一次补料24小时后。
[0061] 停止：第二次补料后24h，结束SSF。
[0062] 3、实验结果
[0063] 1)测定醪液中的乙醇浓度（E)
[0064] 以异丙醇为内标，用气相色谱法测定，乙醇浓度为46. 5g/l。
[0065] 换算为质量分数表示法，乙醇浓度E' ：
[0067] W :加入的总原料量（g);
[0068] W^J反应体系的液体部分总质量，其密度被视为lg/mL。
[0069] 2)乙醇产率（Y):为 90. 3% ;
[0070] 计算公式如下：
[0073] 其中，
[0074] Y :乙醇产率；
[0075] E :发酵完成后醪液中的乙醇浓度（g/L);
[0076] E。:理论产乙醇浓度（g/L);
[0077] W :加入的总原料量（g);
[0078] Cg:原料中的葡萄糖含量；
[0079] 0· 511:葡萄糖产乙醇的理论量；
[0080] V :反应体系的总液体体积（L);
[0081] 3)乙醇得率（Y'）：为 77. 4% ;
[0082] 计算公式如下：
[0084] G :预处理后的玉米秸杆原料中的葡萄糖含量；
[0085] w :预处理后的玉米秸杆质重（g);
[0086] G。:玉米秸杆原料中的葡萄糖含量；
[0087] w。:玉米秸杆原料的质量（g);
[0088] Y :乙醇产率。
[0089] 4)乙醇生产能力（P):为 0· 53g/L/h ;
[0090] 计算公式如下：
[0092] P :生产能力（g/L/h);
[0093] T :SSF的总发酵时间（h)。
[0094]