天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇的方法
2023-10-26 19:48:47 2
專利名稱：天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇的方法
技術領域：
本發明屬於乙醇發酵工業技術領域，特別涉及利用天然纖維素原料經離子 液體分級處理一步發酵製備乙醇的方法。
(二)
背景技術：
乙醇是生物質液體能源材料的主要代表，也是石化燃料最可能的替代品。 隨著社會的進步，環境汙染、能源短缺問題越來越困擾人類的生存與發展，乙 醇作為清潔可再生能源，具有愈益重要的現實意義。以澱粉類和糖類化合物為 原料，採用微生物發酵生產乙醇是一項成熟的技術，但其原料成本高昂且消耗 並不富餘的糧食，難以滿足當今社會大規模的開發和利用。
纖維素是地球上貯量最豐富的有機物質，植物每年通過光合作用能產生高
達1550億噸纖維素類物質。它成本低廉，來源廣泛，目前每年用於工業過程 或燃燒的纖維素約佔2%左右，還有很大一部分未淨皮利用，因此以纖維素作為發 酵原料製備乙醇成為必然的趨勢。以天然纖維素原料發酵生產乙醇主要以釀酒 酵母為菌種，通過纖維素水解生成葡萄糖後，發酵製得乙醇。該工藝需要解決 兩大技術問題(1)天然纖維素的水解產物對發酵的抑制作用；(2)木質纖維 素水解產物五碳糖(木糖)、六碳糖(主要是葡萄糖)等混合糖的高效發酵問 題。
纖維素水解的方法主要包括酸解和酶解。前者工藝繁瑣，對設備有腐蝕， 更重要的是產生大量的對發酵產生抑制的物質(如乳糖醛、酚類化合物等)。 酶解較為理想，但纖維素酶價格昂貴，不能循環利用；且由於纖維素是複雜的 晶狀結構，周圍附著半纖維素和木質素，必須經預處理後，纖維素酶才能發生 作用。常見的預處理方法有物理法(如機械粉碎、蒸汽爆裂法等)和化學法(如 臭氧法、酸法、鹼法等)，但都不令人滿意。其中蒸汽爆破被認為有應用前景， 但它破壞了木聚糖的結構，還可能積累對微生物生長起抑制作用的物質，且需要消耗大量蒸氣，另外木質素還不能被除去。出現混合糖發酵的問題是由於半 纖維素水解生成了木糖。對於酵母來講，木糖不能被發酵生成乙醇，且其存在 對纖維素酶水解纖維素有抑制作用，隨著底物中木糖濃度的增加，乙醇的收率 將會下降。
木質纖維素髮酵生產乙醇的方法中目前比較流行的是同步糖化發酵，該方 法優點在於解除了葡萄糖對纖維素酶的抑制作用，提高了酶解效率，減少了纖 維素酶的用量，所需要的反應設備減少，汙染的可能性降低。但隨著發酵的進 行，乙醇的大量積累會對微生物的活性產生很大的影響，同時也對纖維素酶產 生抑制作用。
發明內容
本發明的目的在於提供一種天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發 酵製備乙醇的方法，解決混合糖發酵以及其引起的一系列問題，最終解決乙醇 生產效率低的問題。
本發明採用的技術方案如下
天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇的方法，其中將天 然纖維素原料先依次用離子液體A和B處理分別除去半纖維素、木質素，再以 得到的纖維素為底物發酵製備乙醇，所述的離子液體A為酸性或鹼性離子液體， 其中酸性離子液體優選帶磺酸根基團的離子液體；所述的離子液體B為滷化咪 唑類離子液體。
本發明的關鍵在於先將天然纖維素原料中含有的對發酵過程有影響的半 纖維素和木質素分別去除，採用的手段是分別使用離子液體A和離子液體B， 酸性或鹼性的離子液體A要求對天然纖維素原料中的半纖維素有很好的溶解 性，但是不溶解纖維素和木質素；卣化咪唑類離子液體B對纖維素和木質素的 溶解度要有較大差別。相比較於物理或者化學的預處理方法，本處理方法簡單， 且分離效果好；相較於無機或有機類的溶劑，使用離子液體不僅環保，且經簡 單處理後即可循環使用，降低成本。較好的，天然纖維素原料用離子液體處理的過程可如下進行將天然纖維 素原料粉碎至20 ~ 200目，加入天然纖維素原料質量2-20倍的離子液體A在 60-16(TC下浸泡2 - 10小時，分離出固形物，得到除去半纖維素的天然纖維素； 將除去半纖維素的天然纖維素再與離子液體B按照質量比1:2-20混合，於 60-130。C加熱0. 5-4h,將固形物分離除去，得除去木質素的纖維素溶液，處理 後得纖維素。
以上過程中用離子液體A處理後分離出固形物後的溶液即為半纖維素的離 子液體溶液，加入水或乙醇後半纖維素即可沉澱出來，離心後半纖維素可作他 用，離子液體A可通過旋轉蒸發後再生並循環使用。囟化咪唑類離子液體B是 可以溶解半纖維素和纖維素的，而對木質素溶解度極小，在半纖維素已經除去 的情況下，離子液體B中溶解的只有纖維素，而木質素作為固形物在分離時被 除去。具體的，溶解有纖維素的離子液體可以通過加入乙醇或水使纖維素沉澱 出來，而離子液體通過旋轉蒸發後再生並循環使用。
天然纖維素原料經離子液體分級處理後，木質素與半纖維素已被分離除 去，這就避免了後續糖化發酵過程中水解產物的混合糖發酵問題，以及分解不 完全對纖維素酶的抑制作用，提高了酶活以及發酵效率，另外發酵過程中累積 的不發酵物質減少，可長時間連續發酵。
纖維素酶發酵生產乙醇已經是較為成熟的技術，本發明根據具體情況又進 一步提供了較為優選的方法將纖維素與水按照1-4: 10的質量比例混合，滅 菌後加入纖維素酶，於40 6(TC下保溫20~40小時進行酶解，然後再於30~ 4tTC，無菌接入釀酒酵母發酵10-30小時，生成乙醇。
本方法中所述酶解與發酵過程優選在同一反應器中進行，酶解與發酵過程 中反應器底部通入C02。特別是當反應器中乙醇的體積濃度達到3~5%時，增 大C02通氣量至乙醇可從反應器中移出。此操作可以解決乙醇的大量積累對微 生物的活性產生的影響，同時也避免了乙醇積累對纖維素酶產生的抑制作用。
在上述纖維素髮酵製備乙醇的過程中，反應物料的加入、酶解、發酵、乙 醇的分離可連續進行。而由C02移出的乙醇通過冷凝、吸附、吸收或膜分離回 收，可得到體積百分比濃度為30~60%的乙醇。本發明提到的天然纖維素原料優選綠色植物通過光合作用形成的可再生 資源，如玉米秸稈、小麥秸稈或稻草等農業廢棄物，既保護環境又能廢物利用。
本發明相對於現有技術，有以下優點
本發明通過利用環境友好的離子液體對天然纖維素原津牛進行分級處理，把 其中的半纖維素、木質素等對發酵生產乙醇有害的物質去除以作他用，僅利用 纖維素作為底物進行乙醇發酵,實現天然纖維素原^F的全利用。同時可避免半 纖維素、木質素等對纖維素酶的吸附，提高酶活；反應器內不發酵的物質積累 少，可實現長時間連續發酵，進料濃度高，酵母、纖維素酶循環利用，回收乙 醇濃度高，節約用水。
具體實施例方式
以下以具體實施例來說明本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不限於
此
實施例1
將一定量的玉米秸稈並分碎至40目，按1: 6的質量比例加入離子液體氯化 1-曱基-3-(苯基磺酸基)甲基咪唑(酸性)中，在80。C下浸泡4小時。原料 部分溶解，經離心，獲得主要成分為纖維素和木質素的固形物。溶解在離子液 體氯化l-曱基-3-(苯基磺酸基)曱基咪唑中的半纖維，可通過加入水沉澱出 來，離心分離；離子液體氯化1-曱基-3-(苯基磺酸基)曱基咪唑可通過真空 乾燥循環使用。
含有纖維素和木質素的固形物，按6: 100的質量比例加入離子液體氯化l-烯丙基-3-曱基咪唑中，在ll(TC下油浴加熱2小時。固形物部分溶解，經離心， 獲得主要成分為木質素的固形物。溶解於離子液體氯化l-烯丙基-3-曱基咪唑 的纖維素，通過加入乙醇溶劑沉澱出來，離心分離；離子液體氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑可通過旋轉蒸發再生循環使用。
分離所得纖維素與水混合配製質量百分比為20%的混合液，加入氣升式反 應器中，經滅菌後加入纖維素酶酶解，酶加入量為100U/g纖維素，於WC下保溫24小時，生成纖維素酶解物，在該過程中，從反應器底部微通C02進行攪 拌；纖維素酶解物在34。C下，無菌接入釀酒酵母發酵24小時，生成乙醇，該 過程中，繼續從反應器底部微通0)2進行攪拌；當反應器中乙醇的體積濃度達 到3~5%時，增大C02通氣量，進行氣提操作，利用C02的夾帶作用，將乙醇 從反應器中移出。由C02移出的乙醇通過冷凝方法(冷媒溫度-3G。C )回收，最 終乙醇體積濃度為40%。
實施例2
將一定量的稻草粉碎至80目，按1: 15的質量比例加入離子液體曱磺酸N-曱基咪唑(酸性)中，在6(TC下浸泡6小時。原料部分溶解，經離心，獲得主 要成分為纖維素和木質素的固形物。半纖維素的分離與離子液體的回收方法同
實施例1。
含有纖維素和木質素的固形物，按1:5的質量比例加入離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑中，微波加熱1小時。固形物部分溶解，經離心，獲得主要 成分為木質素的固形物。纖維素的分離與離子液體的再生方法同實施例1。
分離所得纖維素與水混合配製質量百分比為40 %的混合液，加入氣升式反 應器中，經滅菌後加入纖維素酶酶解，酶加入量為100U/g纖維素，於6(TC下 保溫24小時，生成纖維素酶解物，在該過程中，從反應器底部微通C02進行攪 拌；纖維素酶解物在34。C下，無菌接入釀酒酵母發酵24小時，生成乙醇，該 過程中，從反應器底部微通C02進行攪拌；後續操作同實施例l。由C02移出的 乙醇通過填充活性炭吸附塔回收，待吸附飽和後，加熱吸附塔再生，經冷凝最 終乙醇濃度為60%。
實施例3
將一定量的小麥桔稈4分^^至100目，按1: 10的質量比例加入離子液體氫 氧化l-甲基-3-正丁基咪唑(鹼性)中，在8(TC下浸泡8小時。原料部分溶解， 經離心，獲得主要成分為纖維素和木質素的固形物。半纖維素的分離與離子液 體的回收方法同實施例1。含有纖維素和木質素的固形物，按6: 100的質量比例加入離子液體溴化1-丁基_3-曱基咪唑中，微波加熱3小時。固形物部分溶解，經離心，獲得主要 成分為木質素的固形物。纖維素的分離與離子液體的再生方法同實施例1。分離所得纖維素與水混合配製質量百分比為20%的混合液，加入氣升式反 應器中，經滅菌後加入纖維素酶酶解，酶加入量為100U/g纖維素，於6(TC下 保溫24小時，生成纖維素酶解物，在該過程中，從反應器底部微通C02進行攪 拌；纖維素酶解物在34。C下，無菌接入釀酒酵母發酵24小時，生成乙醇，該 過程中，繼續從反應器底部微通0)2進行攪拌；當反應器中乙醇的體積濃度達 到3~5%時，增大C02通氣量，進行氣提操作，將乙醇從反應器中移出。同時 向反應器中補加經過滅菌的纖維素與水的混合溶液(質量百分比為40% )，進 行連續操作。其他操作同實施例2，最終乙醇濃度為60°/。。
權利要求
1. 天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇的方法，其特徵在於，將天然纖維素原料依次用離子液體A和B處理分別除去半纖維素、木質素後，以得到的纖維素為底物發酵製備乙醇，所述的離子液體A為酸性或鹼性離子液體，所述的離子液體B為滷化咪唑類離子液體。
2. 如權利要求1所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇 的方法，其特徵在於所述酸性離子液體為帶磺酸根基團的離子液體。
3. 如權利要求1或2所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備 乙醇的方法，其特徵在於將天然纖維素原料粉碎至20~ 200目，加入天然纖維 素原料質量2-20倍的離子液體A在60 - 16(TC下浸泡2 - 10小時，分離出固形 物，得到除去半纖維素的天然纖維素；將除去半纖維素的天然纖維素再與離子 液體B按照質量比1: 2-20混合，於60-130。C加熱0. 5-4h,將固形物分離除去， 得除去木質素的纖維素溶液，處理後得纖維素。
4. 如權利要求3所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇 的方法，其特徵在於將纖維素與水按照1-4: 10的質量比例混合，滅菌後加入 纖維素酶，於40 6(TC下保溫20~40小時進行酶解，然後再於30 ~ 4(TC，無 菌接入釀酒酵母發酵10~ 30小時，生成乙醇。
5. 如權利要求4所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇 的方法，其特徵在於所述酶解與發酵過程在同一反應器中進行，酶解與發酵過 程中反應器底部通入C02。
6. 如權利要求5所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇 的方法，其特徵在於當反應器中乙醇的體積濃度達到3~5°/。時，增大C02通氣 量至乙醇可從反應器中移出。
7. 如權利要求6所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇 的方法，其特徵在於反應物料的加入、酶解、發酵、乙醇的分離連續進行。
8. 如權利要求7所述的天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇 的方法，其特徵在於所述天然纖維素原料為玉米秸稈、小麥秸稈或稻草。
全文摘要
本發明涉及利用天然纖維素原料經離子液體分級處理一步發酵製備乙醇的方法。其中將天然纖維素原料依次用離子液體A和B處理分別除去半纖維素、木質素後，再以得到的纖維素為底物一步發酵製備乙醇，所述的離子液體A為酸性或鹼性離子液體，所述的離子液體B為滷化咪唑類離子液體。本發明通過利用離子液體對天然纖維素原料進行分級處理，把其中的半纖維素、木質素等對發酵生產乙醇有害的物質去除以作他用，僅利用纖維素作為底物進行乙醇發酵，實現天然纖維素原料的全利用。同時可避免半纖維素、木質素等對纖維素酶的吸附，提高酶活；反應器內不發酵的物質積累少，可實現長時間連續發酵，進料濃度高，酵母、纖維素酶循環利用，回收乙醇濃度高，節約用水。
文檔編號C12P7/10GK101298620SQ200810095798
公開日2008年11月5日 申請日期2008年5月9日 優先權日2007年5月10日
發明者振 劉, 尹衛平, 敏 楊, 王鍵吉 申請人:河南科技大學