專利名稱：一種秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法， 屬于生物質(zhì)化工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
木質(zhì)纖維素資源的主要成分是纖維素、半纖維素和木素。其中，纖維素、半纖維素 是可發(fā)酵糖的來源，含量占木質(zhì)纖維的66 75% (纖維質(zhì)原料的絕干重量)。秸稈類木質(zhì) 纖維素大量存在于自然界中且能夠不斷再生，但其利用度相當(dāng)?shù)停挥袠O少部分被用作造 紙?jiān)?、飼料和制備化學(xué)品。以木質(zhì)纖維素為原料制備乙醇是這類原料能源化利用最為廣 泛的課題。木質(zhì)纖維素原料的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，必須經(jīng)過一定的處理，使其降解成為小分子糖， 然后通過酵母發(fā)酵成乙醇。最初的纖維素酶解發(fā)酵制備乙醇是酶解及發(fā)酵分步進(jìn)行，天然木質(zhì)纖維素原料經(jīng) 預(yù)處理后直接進(jìn)行酶水解時(shí)，由于纖維素結(jié)構(gòu)的特性，造成纖維素酶解時(shí)間長，完全酶解需 72小時(shí)，同時(shí)由于酶解時(shí)產(chǎn)生的纖維二糖及葡萄糖對(duì)酶的反饋抑制，使得纖維素酶解糖得 率低，糖濃度低(約在12%以內(nèi))。要提高纖維素酶解率，必須解決酶解過程中的纖維二糖及葡萄糖對(duì)酶的反饋抑制 問題，而半酶解發(fā)酵同步制備乙醇的工藝中，預(yù)處理后的纖維素原料在酶的作用下先部分 糖化，然后接入酵母，此時(shí)糖化產(chǎn)生的大量葡萄糖被酵母及時(shí)利用產(chǎn)生乙醇，解除了后續(xù)酶 解過程中的大量葡萄糖積累對(duì)酶的反饋抑制作用，提高了纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇的速率和得率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵產(chǎn)乙醇的 方法。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明提供的秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵 產(chǎn)乙醇的方法，其包括如下步驟先將預(yù)處理后的秸稈類木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行前酶解，然后 再加入釀酒酵母進(jìn)行酶解同步發(fā)酵。其中，所述秸稈類木質(zhì)纖維素原料包括玉米秸稈、油菜秸稈、高梁秸稈、小麥秸稈、 稻草秸稈或玉米芯。所述前酶解采用纖維素酶進(jìn)行酶解，纖維素酶加入量為10 30FPIU/克底物，木 聚糖酶加入量為20 30FPIU/克底物，前酶解時(shí)間在12 48小時(shí)，酶解溫度為49 51°C， pH 為 4. 7 4. 9。所述前酶解可在酶解反應(yīng)器中進(jìn)行。前酶解結(jié)束后即可接入釀酒酵母及相應(yīng)氮源進(jìn)行酶解同步發(fā)酵，發(fā)酵溫度30 36°C，發(fā)酵周期為48 72h。所述預(yù)處理的方法包括本領(lǐng)域從秸稈類產(chǎn)品中獲得木質(zhì)纖維素常采用的堿法處 理、酸法處理。所述堿法處理采用將秸稈類木質(zhì)纖維素原料加入濃度為1. 6 2. 2%堿液，在 90 120°C下蒸煮0. 5 2小時(shí)。所述酸法處理采用將秸稈類木質(zhì)纖維素原料加入濃度為0. 1 1. 0%酸液，在 120 180°C下蒸煮0. 1 2. 5小時(shí)。本發(fā)明利用秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，該方法主 要體現(xiàn)在經(jīng)預(yù)處理后秸稈類木質(zhì)纖維素的原料，先進(jìn)行前酶解過程，原料中的大部分纖維 素(約占纖維素總量的80%)在此過程中轉(zhuǎn)化為小分子的糖，然后再加入一定量的酵母，讓 酶解和發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行，剩余部分的纖維素原料繼續(xù)進(jìn)行酶解，同時(shí)酶解過程中的葡萄糖及 時(shí)轉(zhuǎn)化為酒精，解決了酶解過程的反饋抑制作用，提高了纖維素轉(zhuǎn)化酒精得率，提高了 10% 以上。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例11.8kg玉米秸稈，固液比1 5 (重量體積比)加入氫氧化鈉溶液，堿液濃度1.8%， 105°C條件下蒸煮1. 5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后離心，濾渣用熱水洗滌后，得濾渣3. 76kg(含水份 71%,干基中纖維素含量62. 2%，半纖維素含25. 3%，木質(zhì)素含量8. 2%，其它為灰份)。然后加入帶攪拌的反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)干物濃度至18%，調(diào)節(jié)pH到4. 8，溫度 50°C，加入纖維素酶(20FPIU/克纖維素)及木聚糖酶(30FPIU/克纖維素)，攪拌轉(zhuǎn)速 200rpm/min,酶解36小時(shí)，DNS法測定酶解液的總糖濃度，高效液相色譜法測酶解液中的葡 萄糖及木糖濃度(總糖濃度13. 54%，葡萄糖濃度8. 10%，木糖濃度3. 92% )。體系降溫至33°C，加入氮源IOOmL (2%濃度尿素)及釀酒酵母種子液0. 7L，濃度3 億個(gè)/ml，開始發(fā)酵。60小時(shí)取樣檢測，氣相色譜測定乙醇濃度為6. 14卜八)，總產(chǎn)酒35化， 折噸玉米秸稈(干重)產(chǎn)酒195kg。實(shí)施例27. 2kg玉米秸稈，固液比1 4. 5 (重量體積比)，加入氫氧化鈉，堿液濃度2.0%， 120°C條件下蒸煮0. 5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后離心，熱水洗滌濾渣后得濾渣14. Okg(水分 70. 78%，干基中纖維素61. 59%，半纖維素24. 90%，木質(zhì)素7. 19%，灰分10. 74% ) 0加入帶攪拌的反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)干物濃度至16%，調(diào)節(jié)？!1到4. 9，溫度50°C，加 入纖維素酶(25FPIU/克纖維素)及木聚糖酶(20FPIU/克纖維素)，酶解16小時(shí)后體系降 溫至33°C，加入氮源400mL(2%濃度尿素)及釀酒酵母種子液3. 5L，濃度3億個(gè)/ml，開始 發(fā)酵，60小時(shí)取樣檢測，氣相色譜測定乙醇濃度為5. 6 (ν/ν)，總產(chǎn)酒1310g，折噸玉米秸稈 (干重)產(chǎn)酒182kg。實(shí)施例36. 4kg玉米芯，固液比1 4(重量體積比)，加入氫氧化鈉，堿液濃度1.6%，110°C 條件下蒸煮1小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后離心，熱水洗滌濾渣后得濾渣13. 55kg(水份76. 16%，干基中纖維素62. 25%，半纖維素24. 17%，木質(zhì)素8. 68%，其它為灰份)。加入帶攪拌的反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)干物濃度至20%，調(diào)節(jié)pH到4. 9，溫度49°C，加 入纖維素酶(20FPIU/克纖維素)及木聚糖酶(20FPIU/克纖維素)，酶解24小時(shí)后體系降 溫至33°C，加入氮源400mL(2%濃度尿素)及釀酒酵母種子液4. 0L,濃度3億個(gè)/ml，開始 發(fā)酵。發(fā)酵72小時(shí)后放料，氣相色譜測定乙醇濃度為5. 92 (ν/ν)，總產(chǎn)酒1235g，折噸玉米 芯(干重)產(chǎn)酒193kg。實(shí)施例41.6kg小麥秸稈，固液比1 5(重量體積比)，加入氫氧化鈉，堿液濃度2.2%， 105°C條件下蒸煮1. 5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后離心，熱水洗滌濾渣后得濾渣3. 6kg(水份72. 58%, 干基中纖維素61. 93%，半纖維素25. 77%，木質(zhì)素7. 57%，灰份4. 73% )。加入帶攪拌的反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)干物濃度至16%，調(diào)節(jié)？!1到4. 8，溫度50°C，加 入纖維素酶(25FPIU/克纖維素)及木聚糖酶(15FPIU/克纖維素)，酶解48小時(shí)后體系降 溫至33°C，加入氮源400mL(2%濃度尿素)及釀酒酵母種子液0. 7L，濃度3億個(gè)/ml。發(fā) 酵72小時(shí)后放料，氣相色譜測定乙醇濃度為5. 76 (ν/ν)，總產(chǎn)酒220. Sg,折噸小麥秸稈(干 重)產(chǎn)酒138kg。實(shí)施例57. 5kg玉米芯，固液比1 6(重量體積比)，硫酸濃度1.0%，120°C條件下蒸煮 2. 5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后離心，熱水洗滌濾渣后得濾渣12. 5kg(水份70. 16%，干基中纖維素 61. 93%,半纖維素 8. 77%,木質(zhì)素 24. 57%，灰份 4. 73%。)。加入帶攪拌的反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)干物濃度至18%，調(diào)節(jié)？!1到4. 7，溫度51°C，加 入纖維素酶(25FPIU/克纖維素)及木聚糖酶(15FPIU/克纖維素)，酶解48小時(shí)后體系降溫 至33°C，加入氮源400mL(2%濃度尿素)及釀酒酵母種子液3. 0L，濃度3億個(gè)/ml。發(fā)酵60 小時(shí)后放料，氣相色譜測定乙醇濃度為5. 82 (ν/ν)，總產(chǎn)酒836. 8g，折噸玉米芯產(chǎn)酒111kg。實(shí)施例61. 8kg玉米秸稈，固液比1 5 (重量體積比)加入氫氧化鈉溶液，堿液濃度1. 8%, 90°C條件下蒸煮2小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后離心，濾渣用熱水洗滌后，得濾渣3. 84kg，(水份72%， 干基中纖維素含量61.8%，半纖維素含24. 8 %，木質(zhì)素含量8. 0 %，其它為灰份)。加入帶攪拌的反應(yīng)器中，加水調(diào)節(jié)干物濃度至18%，調(diào)節(jié)？!1到4. 8，溫度50°C，加 入纖維素酶(20FPIU/克纖維素)及木聚糖酶(30FPIU/克纖維素)，攪拌轉(zhuǎn)速200rpm/min， 酶解72小時(shí)，DNS法測定酶解液的總糖濃度，高效液相色譜法測酶解液中的葡萄糖及木糖 濃度(總糖濃度14. 24%，葡萄糖濃度8. 46%，木糖濃度4. 23% )0體系降溫至33°C，加入氮源IOOmL (2%濃度尿素)及釀酒酵母種子液0. 7L，濃度3 億個(gè)/ml，開始發(fā)酵。60小時(shí)取樣檢測，氣相色譜測定乙醇濃度為5. 52 (ν/ν)，總產(chǎn)酒304g， 折噸玉米秸稈(干重)產(chǎn)酒168kg。雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了詳盡的描述，但在 本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對(duì)之作一些修改或改進(jìn)，這對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因 此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
一種秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于，其包括如下步驟先將預(yù)處理后的秸稈類木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行前酶解，然后再加入釀酒酵母進(jìn)行酶解同步發(fā)酵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述秸稈類木質(zhì)纖維素原料包括玉米秸 稈、油菜秸稈、高梁秸稈、小麥秸稈、稻草秸稈或玉米芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述前酶解采用纖維素酶和木聚糖酶 進(jìn)行酶解，纖維素酶加入量為10 30FPIU/克底物，木聚糖酶加入量為20 30FPIU/克底 物，前酶解時(shí)間在12 48小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述前酶解的酶解溫度為 49 51°C，pH 為 4. 7 4. 9。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述酶解同步發(fā)酵采用發(fā)酵 溫度為30 36°C，發(fā)酵周期為48 72h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理的方法為堿法處 理或酸法處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述堿法處理采用將秸稈類木質(zhì)纖維素 原料加入濃度為1. 6 2. 2%堿液，在90 120°C下蒸煮0. 5 2小時(shí)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述酸法處理采用將秸稈類木質(zhì)纖維素 原料加入濃度為0. 1 1.0%酸液，在120 180°C下蒸煮0. 1 2. 5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種秸稈類木質(zhì)纖維素高效糖化半酶解同步發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，采用先將預(yù)處理后的秸稈類木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行前酶解，然后再加入釀酒酵母進(jìn)行酶解同步發(fā)酵。本發(fā)明將經(jīng)預(yù)處理后秸稈類木質(zhì)纖維素的原料，先進(jìn)行前酶解過程，原料中的大部分纖維素(約占纖維素總量的80％)在此過程中轉(zhuǎn)化為小分子的糖，然后再加入一定量的酵母，讓酶解和發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行，剩余部分的纖維素原料繼續(xù)進(jìn)行酶解，同時(shí)酶解過程中的葡萄糖及時(shí)轉(zhuǎn)化為酒精，解決了酶解過程的反饋抑制作用，提高了纖維素轉(zhuǎn)化酒精得率。
文檔編號(hào)C12P7/10GK101899478SQ20101023883
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者馮杰, 吳真, 汪坤, 黃之文 申請(qǐng)人:安徽豐原發(fā)酵技術(shù)工程研究有限公司