一種提高稻草制燃料乙醇產率的新方法

2023-05-03 20:06:31

專利名稱：一種提高稻草制燃料乙醇產率的新方法
技術領域：
本發明屬於新能源製備方法的技術領域，具體涉及纖維素物質制燃料乙醇的方法。
背景技術：
在全球範圍內，世界各國都面臨著化石能源日漸枯竭、人口不斷增長的危機，尋找新的、可再生的清潔替代能源已成為全人類目前最緊迫的任務之一。生物乙醇被認為是未來20年內最主要的可再生的車用替代燃料，在巴西、美國及一些歐洲國家已經開始大規模使用。生物乙醇具有其它燃料無可比擬的優點，如原料來源廣泛，價格低廉，可與汽油以任意比互溶，提高汽油中氧含量從而促進汽油充分燃燒，無毒副作用且可便利的應用在目前的發動機上等。目前的生物乙醇主要是由玉米、小麥等澱粉質原料和蔗糖等糖質原料發酵而成，被稱為第一代生物乙醇。我國的生物乙醇產量居世界第三位，僅次於美國和巴西。儘管第一代生物乙醇在生產成本上與汽油具有可比性，但其產量卻遠遠不能滿足當今世界的需求；同時在原料供應上存在著糧食危機的問題，這與我國的能源發展戰略相悖；在世界範圍內，由於第一代生物乙醇所導致的玉米價格大幅上漲等市場因素，生物乙醇在液體車用燃料的份額也已經觸頂；此外，第一代生物乙醇所形成的淨能源並不高，且使用第一代生物乙醇對減排溫室氣體的作用也非常有限。纖維素燃料乙醇的原料主要為木質纖維素類生物質，主要包括纖維素、半纖維素和木質素。木質纖維素的原料豐富，植物每年通過光合作用可產生高達1550億噸纖維素類物質，而每年用於工業過程或燃燒的纖維素僅佔2%左右，具有很大利用空間。利用廣泛存在的木質纖維素原料通過生物轉化和生物煉製的路線生產生物乙醇(即纖維素乙醇)，被稱為第二代生物乙醇技術。纖維素乙醇不僅能夠解決原材料不足的問題，不與糧食和動物飼料供給相衝突，淨產能高(用玉米秸杆等農作物秸杆生產乙醇時，生產玉米等糧食的能耗不計入乙醇的生產能耗)，還可以大大降低溫室氣體的排放量，有效緩解溫室效應及環境汙染。此外，纖維素乙醇產業在廣大農業產區的大規模實施，對提升農村經濟活力 和產業水平具有舉足輕重的作用。目前，世界上已有數十套利用木質纖維素原料生產乙醇的中試裝置或示範生產線，它們各自採用的生產工藝也不盡相同，最普遍的纖維素乙醇生產工藝包括四個步驟:即木質纖維素原料的預處理、原料的水解、乙醇發酵和分離提純。涉及到本發明的主要是原料水解(糖化)和乙醇發酵，故其它工藝步驟的研究不再贅述介紹。預處理後的木質纖維素原料在纖維素酶的催化作用下酶解生成葡萄糖，然後由發酵微生物代謝生成乙醇。要提高發酵液中的乙醇濃度，必須提高酶解結束時體系中葡萄糖濃度，進而提高酶解體系中固體含量。對於該步驟目前主要分為兩種工藝，即分步糖化發酵工藝和同步糖化發酵工藝。兩種工藝方法均有各自不同的優勢與不足。在分步糖化發酵工藝中，由於原料的糖化與葡萄糖的發酵是單獨進行的，能夠保證纖維素酶和發酵微生物在各自的最佳溫度下進行生化反應，能夠提高製備效率。另一方面，該工藝至少需要兩個不同的反應器，並且隨著工藝的進行需要轉移反應物，這就給操作上帶來了不便；此外，隨著固體含量以及酶解結束時葡萄糖濃度的提高，葡萄糖對纖維二糖酶的產物抑制作用逐漸增強，從而大大降低木質纖維素原料的酶解效率。而同步糖化發酵工藝是將纖維素的酶解與微生物的發酵兩個有先後順序的工段整合成一個同步的過程，即在同一個反應器中，木質纖維素原料在纖維素酶的催化下酶解生成葡萄糖的同時，立即被發酵微生物直接轉化成終產物乙醇；儘管產物乙醇對纖維二糖酶也會產生抑制作用，但比葡萄糖產生的抑制作用要小得多。這種工藝是目前最常用的木質纖維素原料加工工藝，它不僅有效解除了葡萄糖對纖維二糖酶的抑制，而且提高了反應器的利用效率和整個過程的效率。但是，由於纖維素酶的作用溫度一般為45 55°C，發酵微生物的最適生長和發酵溫度為30 37°C，因此，進行同步糖化發酵時，採用的溫度為35 37°C，保證了纖維素酶和發酵微生物都具有反應活性。在此溫度下，纖維素酶的催化活性會有所降低。根據纖維素乙醇現有的製備方法，如《可再生能源》2012年3月第30卷第3期中的「雙菌比較優化稻草「液化」發酵產乙醇的研究」一文，利用稻草秸杆液化預處理的產物作為發酵底物，將底物進行96h的酶解糖化後，分別採用釀酒酵母和休哈塔假絲酵母發酵生產乙醇，對影響發酵階段的各因素進行優化，選取最佳菌種完成秸杆到乙醇的轉化，研究表明釀酒酵母更適合做為發酵菌種，並且在30°C條件下發酵36h，乙醇產率達到0.27g/g(發酵底物)。該方法主要有以下不足之處:(I)採用分步糖化發酵法製備乙醇，增加了工藝步驟(如酶解液的過濾和脫色)，操作較為複雜，並且乙醇產率不夠理想。(2)使用單一酵母進行發酵，酶解產物得不到充分利用，也是造成乙醇產率較低的原因之一。(3)工藝周期較長,增加了生產能耗的同時也增大了成本。

發明內容
本發明的目的是針對現有纖維素乙醇製備方法的不足，提供一種添加微量金屬鹽促進同時糖化發酵產乙醇的方法，具有操作工藝簡單，通過降低纖維素酶用量從而達到降低製備成本等特點。實現本發明目的技術方案是:纖維素物質添加Fe (II)鹽進行同時糖化發酵製備燃料乙醇的方法，以當年產的稻草秸杆為原料，先經過液化纖維素方法預處理，在糖化發酵步驟時確定最佳工藝條件。具體的方法步驟如下:(I)液化預處理將稻草秸杆經人工剪切、球磨機磨碎並過80目篩後，烘乾至恆重；稱取15 25g乾燥稻草連同110 130g乙二醇加入三口燒瓶中，投入磁力轉子；安裝好蒸餾裝置，將三口燒瓶中間口與冷凝管相接，放入磁力水浴攪拌器，設定反應溫度為85 95°C、攪拌速率90 110r/min,開始攪拌,燒瓶的側邊的一個口加帶孔橡皮塞,將溫度計通過小孔插入到反應混合物中，最後一個口加無孔橡皮塞作為進料口 ；預熱5 15min後拔出進料口橡皮塞，加入20 30mmol濃硫酸後加塞，待反應液達到設定溫度後恆溫攬祥60 80min ;反應結束後將燒瓶與冷凝管脫離，移出攪拌器，往燒瓶中加入熱水稀釋變稠的反應混合物，打開真空抽濾機，將反應物傾入到抽濾機漏鬥中，抽濾後加入15 25mL甲醇進行二次抽濾，然後加熱水抽濾兩次，每次用水15 25mL，得到濾餅，烘乾後得到發酵底物。(2)酵母的活化與稀釋稱取葡萄糖10 30g、蛋白腖15 25g、酵母粉5 15g,加入蒸懼水0.8 1.2L,攪拌均勻後在110 120°C溼熱滅菌15 25min,配製成液體培養基；實驗選取的產乙醇酵母為管囊酵母(1770)和釀酒酵母(1001)，分別取斜面培養的兩種酵母在液體培養基中活化(30°C，16 20h)，用血球計數板裝載攪拌後的培養液(160r.mirT1，2h)，置於顯微鏡下計數，確定培養基中的酵母菌濃度，並用無菌水調節至IO8Cell.mL-1數量級。(3)添加Fe(II)鹽同時糖化發酵製備乙醇稱取第(I)步獲得的發酵底物lg，加入到磨口廣口瓶(發酵罐)中，然後加入I 3mL濃度為2g/L的FeSO4的溶液，再加入適量第(2)步活化後的管囊酵母、釀酒酵母培養液，兩種酵母的培養液投加量共計1.5 4.5mL (接種量達到10% 30%，管囊酵母與釀酒酵母各自接種比例為Ig:1g Ig: 3g),纖維素酶用量為10 30U/g (底物)，最後加入適量無菌水調節，使發酵容器內固液質量比為Ig: 15g，密封住瓶口後放入設定好溫度的培養箱中，溫度設定在32 40°C，發酵反應時間為60 84h。(4)發酵產物乙醇的測定第(3)步的發酵液取ImL於50mL比色管中，加入0.05mol/L重鉻酸鉀溶液15mL，定容後於600nm波長下用722型分光光度計測定吸光度，依照標準曲線方程計算乙醇濃度，得出乙醇產率，為0.293 0.378g/g (發酵底物)。本發明採用上述技術方案，主要有以下效果:(I)本發明有效增強了稻草同時糖化發酵過程中纖維素酶和酵母的活性，並總體上提聞了乙醇的最終廣率。(2)本發明選擇的方法工藝步驟簡單，所用設備少，生產成本低，並且在降低纖維素酶用量的情況下提高了乙醇產率，降低了纖維素乙醇生產降低了成本。(3)本發明為纖維素乙醇製備工藝提供了新方法，如採用不同的工藝(如分步糖化發酵法)，仍然可以考慮添加微量元素提高活性，達到理想的乙醇產率。


圖1:本發明中稻草預處理階段裝置圖；圖2:本發明中糖化發酵階段裝置圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
，進一步說明本發明。實施例1一種提高稻草制燃料乙醇產率的新方法，其具體步驟如下:(I)稻草秸杆預處理將稻草秸杆經人工剪切、球磨機磨碎並過80目篩後，烘乾至恆重；稱取20g乾燥稻草、120g乙二醇加入三口燒瓶中，投入磁力轉子；安裝好蒸餾裝置，將三口燒瓶中間口與冷凝管相接，放入磁力水浴攪拌器，設定反應溫度為90°C、攪拌速率lOOr/min，開始攪拌，燒瓶的側邊的一個口加帶孔橡皮塞，將溫度計通過小孔插入到反應混合物中，最後一個口加無孔橡皮塞作為進料口 ；預熱IOmin後拔出進料口橡皮塞，加入25mmol濃硫酸後加塞，待反應液達到90°C後恆溫攪拌70 min ;反應結束後將燒瓶與冷凝管脫離，移出攪拌器，往燒瓶中加入熱水稀釋變稠的反應混合物，打開真空抽濾機，將反應物傾入到抽濾機漏鬥中，抽濾後加入20mL甲醇進行二次抽濾，最後用熱水洗滌抽濾兩次，每次用水20mL，得到濾餅，烘乾後得到發酵底物。(2)酵母的活化與稀釋取葡萄糖20g、蛋白腖20g、酵母粉10g、蒸懼水1L, 115°C溼熱滅菌20min,配製成液體培養基；實驗選取的產乙醇酵母為管囊酵母(1770)和釀酒酵母(1001)，分別取斜面培養的兩種酵母在液體培養基中活化(30°C，18h)，用血球計數板裝載攪拌後的培養液(160r.mirT1, 2h),置於顯微鏡下計數,確定培養基中的酵母菌濃度，並用無菌水調節至IO8Cell.mL-1 數量級。(3)添加Fe(II)鹽同時糖化發酵製備乙醇將第(I)步獲得的發酵底物稱取lg，加入到磨口廣口瓶(發酵罐)中，然後加入2mL濃度為2g/L的FeSO4的溶液，管囊酵母培養液lmL，釀酒酵母培養液2mL(即接種量為20%，管囊酵母與釀酒酵母接種比例為Ig: 2g)，纖維素酶用量為20U/g (底物)，最後加入適量無菌水調節，使發酵容器內固液質量比為Ig: 15g，密封住瓶口後放入設定好溫度的培養箱中，溫度設定在36°C，發酵反應時間為72h。(4)發酵液中乙醇濃度的測定第(3)步的發酵液取ImL於50mL比色管中，加入0.05mol/L重鉻酸鉀溶液15mL，定容後於600nm波長下用722型分光光度計測定吸光度，計算乙醇濃度，得出乙醇產率為
0.378g/g (發酵底物)。實施例2一種提高稻草 制燃料乙醇產率的新方法，其具體步驟如下:第(I)步中:將稻草秸杆磨碎並過80目篩，乾燥稻草質量15g，乙二醇質量110g，設定反應溫度為85°C,攪拌速率90r/min,預熱5min加入20mmol濃硫酸,恆溫攪拌60min,將反應物抽濾後用甲醇15mL進行二次抽濾，用熱水洗滌抽濾兩次，每次15mL，烘乾後得到發酵底物。第⑵步中:葡萄糖10g、蛋白腖15g、酵母粉5g、蒸餾水0.8L，110°C溼熱滅菌15min，分別取斜面培養的兩種酵母在液體培養基中活化(30°C，16h)，用血球計數板裝載攪拌後的培養液(160r.min-1, 2h),無菌水調節至IO8Cell.ml/1數量級。第(3)步中:發酵底物稱取lg，加入到磨口廣口瓶(發酵罐)中，然後加入ImL濃度為2g/L的FeSO4溶液，管囊酵母培養液、釀酒酵母培養液各0.75mL(即接種量為10%，管囊酵母與釀酒酵母接種比例為Ig: lg)，纖維素酶用量為10U/g (底物)，最後加入適量無菌水調節，使發酵容器內固液質量比為Ig: 15g，密封住瓶口後放入設定好溫度的培養箱中，溫度設定在32 °C，發酵反應時間為60h。第⑷步中:取第(3)步的發酵液ImL於50mL比色管中，加入0.05mol/L重鉻酸鉀溶液15mL，定容後於600nm波長下用722型分光光度計測定吸光度，得出乙醇產率為
0.329g/g (發酵底物)。實施例3一種提高稻草制燃料乙醇產率的新方法，其具體步驟如下:第(I)步中:將稻草秸杆磨碎並過80目篩，乾燥稻草質量25g，乙二醇質量130g,設定反應溫度為95°C,攪拌速率110r/min,預熱15min加入30mmol濃硫酸,恆溫攪拌80min，將反應物抽濾後加入25mL甲醇進行二次抽濾，最後用熱水洗滌抽濾兩次，每次25mL，烘乾後得到發酵底物。第(2)步中:葡萄糖30g、蛋白腖25g、酵母粉15g、蒸餾水L2L，12(TC溼熱滅菌25min，分別取斜面培養的兩種酵母在液體培養基中活化(30°C，20h)，用血球計數板裝載攪拌後的培養液(160r.min-1, 2h),無菌水調節至IO8Cell.ml/1數量級。第(3)步中:發酵底物稱取lg，加入到磨口廣口瓶(發酵罐)中，然後加入3mL濃度為2g/L的FeSO4溶液，管囊酵母培養液1.13mL,釀酒酵母培養液3.37mL(即接種量為30%，管囊酵母與釀酒酵母接種比例為Ig: 3g)，纖維素酶用量為30U/g (底物)，最後加入適量無菌水調節，使發酵容器內固液質量比為Ig: 15g，密封住瓶口後放入設定好溫度的培養箱中，溫度設 定在40°C，發酵反應時間為84h。第(4)步中:取第(3)步的發酵液ImL於50mL比色管中，加入0.05mol/L重鉻酸鉀溶液15mL，定容後於600nm波長下用722型分光光度計測定吸光度，得出乙醇產率為
0.293g/g (發酵底物)。
權利要求
1.一種提高稻草制燃料乙醇產率的新方法，其特徵在於添加Fe2+鹽進行同時糖化發酵，它的操作步驟為:稱取發酵底物lg，加入到磨口廣口瓶(發酵罐)中，然後加入I 3mL濃度為2g/L的FeSO4溶液，加入適量活化後的管囊酵母、釀酒酵母培養液，兩種培養液投加量共計1.5 4.5mL，使酵母接種量達到10% 30 %，管囊酵母與釀酒酵母各自接種比例為Ig:1g Ig: 3g,纖維素酶用量為10 30U/g,最後加入適量無菌水調節,使發酵容器內固液質量比為Ig: 15g，密封住瓶口後放入設定好溫度的培養箱中，溫度設定在32 40°C，發酵反應時間為60 84h，最`後得到含乙醇的發酵液。
全文摘要
一種提高稻草制燃料乙醇產率的新方法，其方法包括將稻草秸稈磨碎過篩後，選用乙二醇作為液化劑，濃硫酸催化作用下進行液化預處理，洗滌並抽濾後得到發酵底物；選用管囊酵母和釀酒酵母作為發酵微生物，將兩種酵母分別在液體培養基中活化，將活化培養液稀釋至適合濃度；將發酵底物、FeSO4溶液、纖維素酶和稀釋後的酵母培養液分別加入到發酵罐中，使用無菌水調節至適合固液質量比後，在恆溫條件下進行同時糖化發酵；最後使用分光光度法測定發酵液中乙醇濃度，計算得到乙醇最終產率。本發明原料來源廣泛，操作便利；減少了纖維素酶用量從而降低了工藝成本；並為該領域生產工藝提供了新的方法。
文檔編號C12P19/14GK103074407SQ20121059720
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月30日 優先權日2012年12月30日
發明者徐龍君, 畢智明, 謝太平, 黃連英, 王泰穎 申請人:重慶大學