秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法
2023-07-05 08:16:31 4
專利名稱：秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法
技術領域：
本發明涉及一種秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方 法，尤其涉及一種秸稈類生物質固態酶解預處理的方法，其酶解產物可直接用 作發酵法生產氫氣和生產乙醇的底物。
背景技術：
秸稈類原生態生物質是地球上最豐富和廉價的可再生資源，我國農作物桔
稈的年產量約為7.2*109 t，，這些農作物桔稈可以作為發酵生物產氫和發酵生物 產乙醇的廉價原料，但是秸稈類生物質並不能被發酵產氫微生物或者發酵產乙 醇微生物直接降解用於生產氫氣或者乙醇，這是因為能夠被發酵產氫微生物、 發酵產乙醇微生物利用的最好底物即原料是可溶性糖和澱粉類碳水化合物，而 秸稈類原生態生物質主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成的一類不溶性的 天然高分子聚合物，因其化學結構複雜，並不能被發酵產氫微生物或者發酵產 乙醇微生物直接降解，通常在其進行發酵產氫或發酵產乙醇前，應對其進行水 解預處理。在可再生能源領域，秸稈類原生態生物質的水解預處理已成為制約 其發酵生物產氫、發酵生物產乙醇的一個主要技術瓶頸。
在秸稈類原生態生物質生物發酵生產氫氣/生產乙醇過程中，常用的水解預
處理方法有物理法、化學法和生物法，因生物法具有反應條件溫和、能耗低 及汙染小的特點而倍受關注。在秸稈發酵生產氫氣/乙醇過程中，液態酶解是常 用的生物預處理方法，但該方法需要在酶解過程中加入大量的水分，在蒸餾法 提取酒精過程又必須蒸發掉大量水分，因此能耗高，且水資源消耗多，並伴隨
大量的廢水產生。例如美國專利5,916,780，在實施例6中報導了用0.05 克已粉碎並除去可溶物的燕麥皮和4.9克pH= 4.8的檸檬酸鈉緩衝液，在50 。C用纖維素酶和p —葡萄糖苷酶對其酶解20小時，酶解液用於發酵生產乙醇。 但該實施例中固體物的濃度大約僅為1.0%;在中國發明專利CN101130792中， 周繼新等人報導了 "一種酶解秸杆生產燃料酒精的方法"，該方法通過在粉碎的 秸杆中加入相當於秸稈質量5-8倍的水、1-5%微生物複合酶菌液和0. 1-0. 5% 添加劑及1-2%的釀酒酵母，通過對秸杆進行酶解和發酵，最後用蒸餾法提取酒 精。該方法除了前述的缺點外，該方法將秸稈的酶解預處理和發酵產乙醇置於 同一環境條件下進行，將會顯著降低秸稈的酶解效率；中國發明專利CN1806945 "利用秸稈預處理和酶解工藝使秸稈纖維素完全酶解的方法"，進一步報導了一 種秸稈汽爆預處理和酶解預處理的組合工藝。經汽爆處理後的秸稈，加入離子 混合液後用微波或者直接加熱處理，爾後再置於5CTC和pH4. 8的緩衝溶液中用 纖維素酶酶解48 72小時，酶解液用於發酵產乙醇。該方法具有酶解效率高的 特點，但工藝流繁雜、消耗水資源多、能耗高，缺乏經濟性和實用性。
發明內容
本發明的目的是提供一種秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙 醇的方法。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案
本發明的過程包括
a、 秸稈的處理對秸稈類生物質進行處理，使其溼度達到秸稈與水的質量 比l: 1 1: 8，細度達到10 80目；
b、 秸稈的固態酶解將處理後的秸稈與固態酶混合均勻後，置於發酵罐中
壓實，密封罐口，進行酶解預處理，酶解溫度為15 50°C;發酵時間為3 25 天；
C、發酵法生產氫氣和乙醇秸稈的酶解產物可直接用作生產氫氣或者生產乙醇。
在步驟a中，對已曬乾和除塵的秸稈需用粉碎機粗粉碎至直徑0. 5 10釐
米，然後按照秸稈與水的質量比h 1 1: 8的比例加水混合均勻後，再用粉碎 機溼粉碎至10 80目；對於剛收穫尚未曬乾的新鮮秸稈則不需要加水可直接用
粉碎機進行溼粉碎。
在步驟a中，對已曬乾和除塵的秸稈需用粉碎機粗粉碎至直徑0. 5 10釐 米，並直接將粗粉碎的秸稈粉碎至10 80目，然後按秸稈與水的質量比l: l 1: 8的比例加水混勻。
上述溼粉碎的遍數為1 5遍。
在步驟b中，固態酶解時所用的固態酶為複合酶、複合微生物添加劑的任 意一種或兩種的混合物。
上述的複合酶為含纖維素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶的任意一種或兩種或三 種的混合物。
上述的複合微生物添加劑是含有芽孢桿菌、植物乳桿菌、酵母菌活性物質 的任意一種或兩種或三種的混合物。
複合酶與秸稈類生物質的質量比為0. 18 19. 2IU/g幹秸稈。 複合微生物添加劑與秸稈類生物質的質量比為10 60 g/kg幹秸稈。 上述的秸稈類生物質包括玉米秸稈、玉米芯、麥草秸稈和稻草秸稈，以及 麥麩、燕麥皮、酒糟、軋油餅、豆渣、泔水和餐廚垃圾的農副產品下腳料或固
體廢棄物。
本發明由於採用以上技術方案，提供了一種高效的秸稈類生物質通過固態 酶解預處理生產氫氣的方法，運用該方法對秸稈類原生態生物質進行水解預處 理，秸稈的水解效率高，用水量小，能耗低，預處理成本較低，且水解過程不 會產生對發酵生產氫氣或乙醇有抑制作用的副產物，例如乙酸、糠醛以及酚類 等大環化合物。本發明在可再生能源領域中，尤其在秸稈類原生態生物質發酵 法生產氫氣和乙醇，以及木糖和木糖醇的生產中具有重要意義。
本發明適用於秸稈類原生態生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的 方法，尤其適用於玉米秸稈和玉米芯通過固態酶解預處理生產氫氣、乙醇以及 木糖或木糖醇的方法。本發明在秸稈類原生態生物質的發酵生物產氫、發酵生 物產乙醇及其綜合利用方面市場潛力巨大。例如在我們的發明中，經固態酶 解預處理後，新收割的玉米秸稈糖化率最高可達513.8毫克/克秸稈，同時有
27.31毫克乳酸/克秸稈生成，將酶解產物直接用於發酵產氫或發酵產乙醇時， 其最大產氫和產乙醇能力分別達到207毫升氫氣/克秸稈。
具體實施例方式
以下實施例以玉米秸稈為例進行說明。 實施例1
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；C、發酵法生產氫氣和乙醇。 將新收割尚未完全曬乾的玉米秸稈，含水量約為75%，用粉碎機溼粉碎至
直徑2cm，過40目分樣篩，溼粉碎1遍。將150克溼粉碎的玉米秸稈和8.0克 酶活為4.6 IU/g的複合酶置於500毫升燒杯中，複合酶與玉米秸稈的質量比約 為1IU/g，將它們拌勻後裝入150亳升血清瓶中，壓實後密封瓶口，在43。C恆 溫條件下酶解10天後，測得秸稈的可溶性糖含量為513.8 mg/克玉米秸稈。 上述的複合酶為含纖維素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶的混合物。 將上述酶解產物直接作為產氫底物，在底物濃度為20 g/L， pH=5. 0的條件 下，按照發明專利ZL 03126345.3所述的方法生產氫氣，測得玉米秸稈的最大 產氫能力為207mlH2/克玉米秸稈，最大氫濃度為51%，整個產氫過程沒有檢測 到甲烷氣體。 實施例2
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；c、發酵法生產氫氣和乙醇。 將新收割尚未完全曬乾的玉米秸稈，含水量約為75%，用粉碎機粗粉碎至
直徑3cm，溼粉碎過40目分樣篩，溼粉碎2遍。將150克溼粉碎的玉米秸稈和 1. 125克微生物添加劑，微生物添加劑與玉米秸稈的質量比為30g/kg，置於500 毫升燒杯中，拌勻後裝入150毫升血清瓶中，壓實後密封瓶口，在25。C恆溫條 件下酶解15天，測得秸稈中可溶性糖含量為212 mg/克秸稈。
上述的微生物添加劑為含有芽孢桿菌、植物乳桿菌、酵母菌活性物質的混 合物。
將上述酶解產物直接作為產氫底物，按照實施例1所述的方法生產氫氣， 測得玉米秸稈的最大產氫能力為180 ml H2/克秸稈，整個產氫過程沒有檢測到 甲烷氣體。
實施例3
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；c、發酵法生產氫氣和乙醇。 先將幹玉米秸稈用粉碎機粗粉碎至直徑0. 5釐米，再按玉米秸稈和水的質 量比l: l的比例將二者混勻，用粉碎機溼粉碎至過80目分樣篩，溼粉碎5遍。 將溼粉碎的秸稈150克和酶活為4.6 IU/g的複合酶21克，複合酶與玉米秸稈 的質量比約為1.29IU/g，將它們置於500毫升燒杯中，拌勻後裝入150毫升的 血清瓶中，壓實後密封瓶口，在43'C恆溫度條件下酶解7天，測得玉米秸稈中 可溶性糖含量為175 mg /克秸稈。
上述的複合酶為含纖維素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶的混合物。 將實施例3方法酶解得到的秸稈直接作為產氫底物，按照實施例1所述的 方法生產氫氣，測得玉米秸稈的最大產氫能力為150 ml H2/克玉米秸稈，整個 產氫過程沒有檢測到甲垸氣體。 實施例4
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；c、發酵法生產氫氣和乙醇。 先將幹玉米秸稈用粉碎機粗粉碎至直徑4cm，按秸稈與水的質量比h 6的 比例混合均勻，溼粉碎3遍，並過30目分樣篩。將溼粉碎的樣品150克和酶活 為4. 6 IU/g的纖維素酶8. 0克，纖維素酶與玉米秸稈的質量比約為1. 72 IU/g， 將它們置於500毫升燒杯中，混勻後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後密封瓶 口，在43'C的恆溫條件下酶解15天，測得秸稈中的可溶性糖含量為161 nig / 克秸稈。
用實施例4酶解的玉米秸稈作為產氫底物，按照實施例1所述的產氫方法 生產氫氣，測得玉米秸稈的最大產氫能力為175 ml H2/克秸稈，整個產氫過程
沒有檢測到甲垸氣體。 實施例5
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；C、發酵法生產氫氣和乙醇。 將已曬乾和除塵的玉米芯用粉碎機粗粉碎至直徑10cm，粉碎至過80目分樣 篩，將35克粉碎的玉米芯和175克水混合，使玉米秸稈與水的質量比為1: 5， 再加入酶活為4. 6 IU/g的複合酶10克，複合酶與玉米秸稈的質量比約為13. 14 IU/g，將它們置於500毫升燒杯中，拌勻後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後 密封瓶口，在43'C恆溫度條件下酶解7天，測得秸稈中木糖含量為346mg /克 玉米芯，總的可溶性糖含量為405mg /克玉米芯。
上述的複合酶為含纖維素酶、木聚糖酶和葡聚糖酶的混合物。 用實施例5酶解的玉米芯作為產氫底物，按照實施例1所述的產氫方法生 產氫氣，測得玉米芯的最大產氫能力為195 ml IV克玉米芯，整個產氫過程沒 有檢測到甲烷氣體。 實施例6
本發明的過程包括-
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；C、發酵法生產氫氣和乙醇。 將已曬乾和除塵的玉米秸稈用粉碎機粉粗粉碎至直徑3cm，並粉碎至過40 目分樣篩，將30克粉碎的玉米秸稈與240克水混合，使玉米秸稈與水的質量比 為l: 8，再加入酶活為4.6 IU/g的複合酶15克，複合酶與玉米秸稈的質量比 約為2.3IU/g，將它們置於500毫升燒杯中混合均勻，然後裝入150毫升的血清 瓶中，壓實後密封瓶口，在43'C恆溫度條件下酶解10天，測得秸稈中可溶性糖 含量為168mg /克玉米秸稈。' 上述的複合酶為木聚糖酶。
用實施例6方法酶解得到的玉米秸稈直接用作生產乙醇，測得最大產乙醇 能力為240毫克乙醇/克玉米秸稈。 實施例7
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；c、發酵法生產氫氣和乙醇。 將新收割尚未完全曬乾含水量約為75%的玉米秸稈，用粉碎機粗粉碎至直 徑8cm，並粉碎至過40目分樣篩，將粉碎的玉米秸稈150克和酶活為4.6 IU/g 的複合酶1.5克，複合酶與玉米秸稈的質量比約為O. 18 IU/g，將它們置於500 毫升燒杯中混合均勻，然後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後密封瓶口，在32'C 恆溫度條件下酶解20天，測得秸稈中可溶性糖含量為76mg /克幹玉米秸稈。
上述的複合酶為葡聚糖酶。
用實施例7酶解的玉米秸稈作為產氫底物，按照實施例1所述的產氫方法
生產氫氣，測得玉米秸稈的最大產氫能力為8ml H2/克秸稈，整個產氫過程沒有 檢測到甲烷氣體。 實施例8
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；c、發酵法生產氫氣和乙醇。 將新收割尚未完全曬乾含水量約為75%的玉米秸稈，用粉碎機粗粉碎至直 徑lcm，並粉碎至過10目分樣篩，將100克粉碎的玉米秸稈和酶活為4. 6 IU/g 的複合酶5克，複合酶與玉米秸稈的質量比約為0.92IU/g，將它們置於500毫 升燒杯中混合均勻，然後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後密封瓶口，在5(TC 恆溫度條件下酶解3天，測得秸稈中可溶性糖含量為285 mg /克幹玉米秸稈。 上述的複合酶為木聚糖酶和葡聚糖酶的混合物。
用實施例8酶解的玉米秸稈作為產氫底物，按照實施例1所述的產氫方法 生產氫氣，測得玉米秸稈的最大產氫能力為153 ml H2/克秸稈，整個產氫過程 沒有檢測到甲垸氣體。
實施例9
a、秸稈的處理；b、秸杆的固態酶解；c、發酵法生產氫氣和乙醇。 將新收割尚未完全曬乾含水量約為75%的玉米秸稈，用粉碎機粗粉碎至直 徑3cm，並粉碎至過40目分樣篩，將150克溼粉碎的玉米秸稈、9克酶活為4. 6 IU/g的複合酶和0. 625克微生物添加劑依次加入到500毫升燒杯中，混合均勻 後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後密封瓶口，在15。C恆溫度條件下酶解25天， 測得秸稈中可溶性糖含量為209mg /克幹玉米秸稈。
上述的複合酶為纖維素酶，上述的微生物添加劑為含有酵母菌活性物質。 用實施例9酶解的樣品作為產氫底物，按照實施例1所述的產氫方法生產 氫氣，測得玉米秸稈的最大產氫能力為148 ml H2/克秸稈，整個產氫過程沒有 檢測到甲烷氣體。 實施例10 本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；C、發酵法生產氫氣和乙醇。
將已曬乾和除塵的玉米秸稈用粉碎機粗粉碎至7cm，並粉碎至過80目分樣 篩，將30克粉碎的玉米秸稈與240克水混合，使玉米秸稈與水的質量比為1: 8， 再加入酶活為4. 6 IU/g的複合酶125克，複合酶與玉米秸稈的質量比約為19. 2 IU/g,將它們置於500毫升燒杯中混合均勻，然後裝入150毫升的血清瓶中，
壓實後密封瓶口，在43X:恆溫度條件下酶解5天，測得秸稈中可溶性糖含量為 225 mg /克玉米秸稈。
上述複合酶為纖維素酶和木聚糖酶的混合物。
用實施例10的方法酶解得到的玉米秸稈直接用作生產氫氣，測得最大產氫 能力為201ml H2/克秸稈，整個產氫過程沒有檢測到甲烷氣體。 實施例11
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；C、發酵法生產氫氣和乙醇。
將已曬乾和除塵的玉米秸稈用粉碎機粗粉碎至5cm，並粉碎至過60目分樣 篩，將30克粉碎的玉米秸稈、180克水混合和1. 8克微生物添加劑置於500毫 升燒杯中混合均勻，使玉米秸稈與水的質量比為1: 6,微生物添加劑與玉米秸 稈的質量比為60g/Kg，然後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後密封瓶口，在35°C 恆溫條件下酶解7天，測得秸稈中可溶性糖含量為286 mg/克秸稈。
上述的微生物添加劑為含有芽孢桿菌和酵母菌活性物質的混合物。
用實施例11的方法酶解得到的玉米秸稈直接用作生產氫氣，測得最大產氫 能力為203ml H2/克秸稈，整個產氫過程沒有檢測到甲烷氣體。
實施例12
本發明的過程包括
a、秸稈的處理；b、秸稈的固態酶解；C、發酵法生產氫氣和乙醇。
將已曬乾和除塵的玉米秸稈用粉碎機粗粉碎至5cm，並粉碎至過60目分樣 篩，將30克粉碎的玉米秸稈、180克水混合和0. 3克微生物添加劑置於500毫 升燒杯中混合均勻，使玉米秸稈與水的質量比為1: 6，微生物添加劑與玉米秸 稈的質量比為10g/Kg，然後裝入150毫升的血清瓶中，壓實後密封瓶口，在35°C 恆溫條件下酶解15天，測得秸稈中可溶性糖含量為286 mg/克秸稈。
上述的微生物添加劑為含有芽孢桿菌的活性物質。
用實施例11的方法酶解得到的玉米秸稈直接用作生產氫氣，測得最大產氫 能力為203ml H2/克秸稈，整個產氫過程沒有檢測到甲烷氣體。
權利要求
1、一種秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法，其特徵在於秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的過程包括a、秸稈的處理對秸稈類生物質進行處理，使其溼度達到秸稈與水的質量比11～18，細度達到10～80目；b、秸稈的固態酶解將處理後的秸稈與固態酶混合均勻後，置於發酵罐中壓實，密封罐口，進行酶解預處理，酶解溫度為15～50℃；發酵時間為3～25天；c、發酵法生產氫氣和乙醇秸稈的酶解產物可直接用作生產氫氣或者生產乙醇。
2、 根據權利要求1所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙 醇的方法，其特徵在於在所述的步驟a中，對已曬乾和除塵的秸稈需用粉碎 機粗粉碎至直徑0.5 10釐米，然後按照秸稈與水的質量比1: 1 l:8的比例 加水混合均勻後，再用粉碎機溼粉碎至10 80目；對於剛收穫尚未曬乾的新鮮 秸稈則不需要加水可直接用粉碎機進行溼粉碎。
3、 根據權利要求1所述的秸杆類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙 醇的方法，其特徵在於在所述的步驟a中，對已曬乾和除塵的秸稈需用粉碎 機粗粉碎至直徑0.5 10釐米，並直接將粗粉碎的秸稈粉碎至10 80目，然後按秸稈與水的質量比l: 1 1: 8的比例加水混勻。
4、 根據權利要求1或2所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法，其特徵在於所述溼粉碎的遍數為1 5遍。
5 根據權利要求1所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙 醇的方法，其特徵在於在所述的步驟b中，固態酶解時所用的固態酶為複合酶、複合微生物添加劑的任意一種或兩種的混合物。
6、 根據權利要求5所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙 醇的方法，其特徵在於所述的複合酶為含纖維素酶、木聚糖酶、葡聚糖酶的任意一種或兩種或三種的混合物。
7、 根據權利要求5所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙 醇的方法，其特徵在於所述的複合微生物添加劑是含有芽孢桿菌、植物乳桿菌、酵母菌活性物質的任意一種或兩種或三種的混合物。
8、 根據權利要求1或5所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣 和乙醇的方法，其特徵在於複合酶與秸稈類生物質的質量比為0. 18 19. 2IU/g幹秸稈。
9、 根據權利要求1或5所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法，其特徵在於複合微生物添加劑與秸稈類生物質的質量比為10 60 g/kg幹秸稈。
10、根據權利要求1或2或3所述的秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法，其特徵在於所述的秸稈類生物質包括玉米秸稈、玉米 芯、麥草秸稈和稻草秸稈，以及麥麩、燕麥皮、酒糟、軋油餅、豆渣、泔水和 餐廚垃圾的農副產品下腳料或固體廢棄物。
全文摘要
本發明公開了一種秸稈類生物質通過固態酶解預處理生產氫氣和乙醇的方法，其過程包括a.秸稈的處理對秸稈類生物質進行處理，使其溼度達到秸稈與水的質量比1∶1～1∶8，細度達到10～80目；b.秸稈的固態酶解將處理後的秸稈與固態酶混合均勻後，置於發酵罐中壓實，密封罐口，進行酶解預處理，酶解溫度為15～50℃；發酵時間為3～25天；c.發酵法生產氫氣和乙醇秸稈的酶解產物可直接用作生產氫氣或者生產乙醇。本發明由於採用以上技術方案，秸稈的水解效率高，預處理成本較低，且水解過程不會產生對發酵生產氫氣或乙醇有抑制作用的副產物。本發明也在木糖和木糖醇的生產中具有重要意義。
文檔編號C12P3/00GK101381743SQ20081004957
公開日2009年3月11日 申請日期2008年4月18日 優先權日2008年4月18日
發明者任保增, 侯紅衛, 豔 杏, 樊耀亭 申請人:鄭州大學