利用溶劑溶解植物秸稈生產纖維素和燃料乙醇的方法
2023-04-24 16:13:36 4
專利名稱：利用溶劑溶解植物秸稈生產纖維素和燃料乙醇的方法
技術領域：
本發明涉及生物工程與能源領域，具體地說是利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素，再用纖維素酶水解纖維素進行乙醇發酵生產燃料乙醇的方法。
背景技術：
以生物質資源為原料製造清潔燃料乙醇以及精細化學品以補充或替代石油化學品顯示出越來越重要的意義。植物生物質的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。以植物生物質為原料製造乙醇以及精細化學品的關鍵一步是秸杆的預處理。通過秸杆的預處理可以得到相對單一組分，纖維素、半纖維素和木質素得以分離。纖維素、半纖維素通過水解得到單糖，然後通過酵母或者細菌發酵成乙醇。木質素可以作為精細化工產品的原料，從而實現植物生物質全面的資源利用。在植物生物質原料轉化燃料乙醇的研究中，雖然已經取得了很大的進展，但未能完全進入工業化生產，其中主要原因有幾個方面一是植物生物質原料預處理的成本較高；二是纖維素酶解成本高；三是酸水解法產生的發酵抑制物影響了酒精的產率；四是去除發酵抑制物的成本過高使得經濟上不合算。因此尋找新的植物生物質原料預處理體系，對於實現生物質的清潔轉化具有重要意義。
發明內容
本發明旨在提供一種利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料乙醇的方法，以實現工業化生產且生產成本低的目的。實現上述發明目的的技術方案是
一種利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料乙醇的方法，按如下步驟進行
a、將一種有機酸或兩種以上有機酸的混配酸構成的溶劑，加熱到60°C 160°C後再加入水解反應器中；
b、按秸杆與溶劑的質量比I:4 1:6，向水解反應器中投入秸杆，並保持水解反應器的水解溫度在60°C 160°C，水解10 90分鐘；
C、用溶劑洗脫水解物，得到纖維素；
d、洗脫溶劑經精餾後重複利用，並得到糠醛、乙酸和木質素；
e、纖維素經纖維素酶和半纖維素酶降解得到糖，用於乙醇發酵； f>乙醇發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇。所述溶劑是甲酸、乙酸、植酸、糠醛其中之一或兩種以上的混配酸，優選甲酸、乙酸混配。所述甲酸、乙酸、植酸、糠醛混配比按質量百分比計是甲酸48 58%，乙酸41 42%,植酸2 5%，糠醛I 3%。所述甲酸、乙酸混配比按質量百分比計是甲酸50 58%，乙酸42 50%。所述秸杆是玉米秸杆、小麥秸杆、稻草、高粱秸杆。
所述秸杆的水解溫度優選110°C 145°C。所述秸杆的水解時間優選10 35分鐘。
所述步驟c的具體方法是水解反應結束後趁熱將水解液打入逆流洗滌器中，用相同質量比例的溶劑逆流洗滌，被洗滌物即為纖維素和半纖維素，再用無離子水洗滌，洗淨溶劑，即得到純淨纖維素和半纖維素。所述步驟d的具體方法是將步驟c中高濃度洗滌殘液送入蒸餾塔，分離溶劑並得到糠醛、乙酸和木質素。所述步驟e的具體方法是將步驟c獲得純淨纖維素和半纖維素裝於酶解容器中，再分別加入纖維素酶液、表面活性劑、PH緩衝溶液，並用保鮮膜封口，保持溫度50°C搖床酶解液化，反應48小時，降解得糖。所述步驟f的具體方法是取步驟e後的酶解液化液加入酒精發酵罐中，並添加硫酸銨、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、PH緩衝溶液，同時加入耐高溫型釀酒高活性酵母液，用保鮮膜封口，保持溫度37°C搖床酒精發酵，發酵60小時，乙醇發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇。與現有技術相比，本發明是用溶劑構建一種均相水解體系，在這種水解體系中，植物生物質在溶解過程中發生水解，木質素完全溶解，纖維素、半纖維素不被溶解。溶劑本身易於回收能重複利用，木質纖維原料三組分最大得率的分離，使木質纖維素得以綜合利用。因此，本發明不僅可以生產纖維素和燃料乙醇，且乙醇得率可達到理論轉化率的74%以上，還可生產紙漿、寡聚糖、糠醛、木質素，可以實現工業化生產且能夠降低生產成本。
具體實施例方式 以下結合實施例進一步闡述本發明，目的僅在於更好地理解本發明內容。因此，所舉之例並不限制本發明的保護範圍。實施例I :
①溶劑配製按質量百分比計甲酸52%、乙酸42%、植酸5%、糠醛1%配料，加入到混配器中配成溶劑400公斤，攪拌加熱到120°C，待用。②按稻杆與溶劑的質量比I :4，將100公斤玉米稻杆切成不長於20cm的短節,投入到水解反應器中。③將步驟①配製的溶劑加入到步驟②的水解反應器中，加熱保持液體溫度在140°C，攪拌反應20分鐘。④反應結束後趁熱將水解液打入逆流洗滌器中，用相同質量比例的溶劑逆流洗滌。高濃度洗滌殘液進入蒸餾塔分離溶劑、糠醛、乙酸和木質素。被洗滌物為纖維素和半纖維素用無離子水洗滌，洗淨溶劑，得純淨纖維素和半纖維素39公斤，同時得到木質素26公斤、糠醛11公斤、乙酸5公斤。⑤稱取30克純淨纖維素和半纖維素裝於500ML的三角瓶中，再分別加入纖維素酶液、表面活性劑、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，並用保鮮膜封口，保持溫度50°C搖床酶解液化，反應48小時測得酶解糖得率為87%，降解得糖。⑥取步驟⑤製得的酶解液化糖液30克，添加硫酸銨、磷酸氫二鉀、硫酸鎂等營養物、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，加入耐高溫型釀酒高活性酵母液IML並用保鮮膜封口，保持溫度37°C搖床酒精發酵，發酵60小時測得乙醇得率可達到理論轉化率的91%，乙醇發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇。實施例2
①溶劑配製按質量百分比計甲酸58%、乙酸42%配料，加入到混配器中配成溶劑400公斤，攪拌加熱到120°C，待用。②將100公斤稻草的切成不長於20cm的短節，投入到水解反應器中。③將步驟①配製的溶劑加到步驟②的水解反應器中，加熱保持液體溫度在140°C攪拌反應25分鐘。④反應結束後趁熱將水解液打入逆流洗滌器中，用相同質量比例的溶劑逆流洗滌。高濃度洗滌殘液進入蒸餾塔分離溶劑、糠醛、乙酸和木質素。被洗滌物為纖維素和半纖維素用無離子水洗滌，洗淨溶劑，得純淨纖維素和半纖維素41公斤。同時得到木質素25公斤、糠醛11公斤、乙酸4. 5公斤。⑤稱取30克純淨纖維素和半纖維素裝於500ML的三角瓶中，再分別加入纖維素酶液、表面活性劑、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，並用保鮮膜封口，放持溫度50°C搖床酶解液化，反應48小時測得酶解糖得率為91%，降解得糖。 ⑥取步驟⑤製得的酶解液化糖液30克，添加硫酸銨、磷酸氫二鉀、硫酸鎂等營養物、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，加入耐高溫型釀酒高活性酵母液IML並用保鮮膜封口，放持溫度37°C搖床酒精發酵，發酵60小時測得乙醇得率可達到理論轉化率的93%，乙醇發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇。實施例3
①溶劑配製按質量百分比計甲酸48%、乙酸42%、植酸7%、糠醛3%配料，加入到混配器中配成溶劑400公斤，攪拌加熱到120°C，待用。②將100公斤小麥秸杆的切成不長於20cm的短節，投入到水解反應器中。③將步驟①配製的溶劑加到步驟②水解反應器中，加熱保持液體溫度在125°C攪拌反應25分鐘。④反應結束後趁熱將水解液打入逆流洗滌器中，用相同質量比例的溶劑逆流洗滌。高濃度洗滌殘液進入蒸餾塔分離溶劑、糠醛、乙酸和木質素。被洗滌物為纖維素和半纖維素用無離子水洗滌，洗淨溶劑，得純淨纖維素和半纖維素39公斤。同時得到木質素27公斤、糠醛11公斤、乙酸4公斤。⑤稱取30克純淨纖維素和半纖維素裝於500ML的三角瓶中，再分別加入纖維素酶液、表面活性劑、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，並用保鮮膜封口，放持溫度50°C搖床酶解液化，反應48小時測得酶解糖得率為89%，降解得糖。⑥取步驟⑤製得的酶解液化糖液30克，添加硫酸銨、磷酸氫二鉀、硫酸鎂等營養物、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，加入耐高溫型釀酒高活性酵母液IML並用保鮮膜封口，放持溫度37°C搖床酒精發酵，發酵60小時測得乙醇得率可達到理論轉化率的94%，乙醇發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇。實施例4
①溶劑配製將甲酸53%、乙酸42%、植酸4%、糠醛1%加入到混配器中配成溶劑400公斤，攪拌室溫20°C留用。②將100公斤小麥秸杆的切成不長於20cm的短節，投入到水解反應器中。③將步驟①配製的溶劑加到步驟②水解反應器中，130°C反應20分鐘。④反應結束後將水解液打入逆流洗滌器中，用相同質量比例的溶劑逆流洗滌。高濃度洗滌殘液進入蒸餾塔分離溶劑、糠醛、乙酸和木質素。被洗滌物為纖維素和半纖維素用無離子水洗滌，洗淨溶劑，得純淨纖維素和半纖維素52公斤。同時得到木質素19公斤、糠醛5公斤、乙酸3公斤。⑤稱取30克純淨纖維素和半纖維素裝於500ML的三角瓶中，再分別加入纖維素酶液、表面活性劑、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，並用保鮮膜封口，放持溫度50°C搖床酶解液化，反應48小時測得酶解糖得率為79%，降解得糖。⑥取步驟⑤製得的酶解液化糖液30克，添加硫酸銨、磷酸氫二鉀、硫酸鎂等營養物、pH緩衝溶液，使總質量達到200克，加入耐高溫型釀酒高活性酵母液IML並用保鮮膜封口，放持溫度37°C搖床酒精發酵，發酵60小時測得乙醇得率可達到理論轉化率的94%，乙醇 發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇。
權利要求
1.ー種利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，它按如下步驟進行 a、將ー種有機酸或兩種以上有機酸的混配酸構成的溶劑，加熱到60°C 160°C後再加入水解反應器中； b、按秸杆與溶劑的質量比I:4 1:6，向水解反應器中投入秸杆，並保持水解反應器的水解溫度在60°C 160°C，水解10 90分鐘； C、用溶劑洗脫水解物，得到纖維素； d、洗脫溶劑經精餾後重複利用，並得到糠醛、こ酸和木質素； e、纖維素經纖維素酶和半纖維素酶降解得到糖，用於こ醇發酵； f>こ醇發酵醪液經蒸餾得到燃料こ醇。
2.如權利要求I所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述溶劑是甲酸、こ酸、植酸、糠醛其中之一或兩種以上的混配酸，優選甲酸、こ酸混配。
3.如權利要求I或2所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述甲酸、こ酸、植酸、糠醛混配比按質量百分比計是甲酸48 58%，こ酸41 42%，植酸2 5%，糠醛I 3% ;所述甲酸、こ酸混配比按質量百分比計是甲酸50 58%，こ酸42 50%。
4.如權利要求I所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述秸杆是玉米秸杆、小麥秸杆、稻草、高粱秸杆中的任意ー種。
5.如權利要求I或4所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述秸杆的水解溫度優選110°C 145°C。
6.如權利要求I或4所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述秸杆的水解時間優選10 35分鐘。
7.如權利要求I所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述步驟c的具體方法是水解反應結束後趁熱將水解液打入逆流洗滌器中，用相同質量比例的溶劑逆流洗滌，被洗滌物即為纖維素和半纖維素，再用無離子水洗滌，洗浄溶齊U，即得到純淨纖維素和半纖維素。
8.如權利要求I所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述步驟d的具體方法是將步驟c中高濃度洗滌殘液送入蒸餾塔，分離溶劑並得到糠醛、こ酸和木質素。
9.如權利要求I所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述步驟e的具體方法是將步驟c獲得純淨纖維素和半纖維素裝於酶解容器中，再分別加入纖維素酶液、表面活性剤、PH緩衝溶液，並用保鮮膜封ロ，保持溫度50°C搖床酶解液化，反應48小，降解得糖。
10.如權利要求I所述的利用溶劑溶解植物秸杆生產纖維素和燃料こ醇的方法，其特徵在於，所述步驟f的具體方法是取步驟e後的酶解液化液加入酒精發酵罐中，並添加硫酸銨、磷酸氫ニ鉀、硫酸鎂、PH緩衝溶液，同時加入耐高溫型釀酒高活性酵母液，用保鮮膜封ロ，保持溫度37°C搖床酒精發酵，發酵60小吋，こ醇發酵醪液經蒸餾得到燃料こ醇。
全文摘要
本發明涉及一種利用溶劑溶解植物秸稈生產纖維素和燃料乙醇的方法，其步驟是將一種有機酸或兩種以上有機酸的混配酸構成的溶劑，加熱到60℃～160℃後再加入水解反應器中；按秸稈與溶劑的質量比14～16，向水解反應器中投入秸稈，並保持水解反應器的水解溫度在60℃～160℃，水解10～90分鐘；用溶劑洗脫水解物，得到纖維素；洗脫溶劑經精餾後重複利用，並得到糠醛、乙酸和木質素；纖維素經纖維素酶和半纖維素酶降解得到糖，用於乙醇發酵；乙醇發酵醪液經蒸餾得到燃料乙醇，乙醇得率可達到理論轉化率的74%以上。本發明不僅可以生產纖維素，還可生產紙漿、寡聚糖、糠醛、木質素，可以實現工業化生產且能夠降低生產成本。
文檔編號D21C3/20GK102660882SQ20121015218
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者劉德江, 劉笑吟, 董義惠 申請人:劉德江