專利名稱：一種甜高粱稈的綜合利用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源與化工技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種甜高粱稈固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇后的綜合利用方法。
背景技術(shù)：
作為能源作物，甜高粱具有令人矚目的優(yōu)勢(shì)。甜高粱具有很高的光合作用率，生物學(xué)產(chǎn)量極高。甜高粱的莖稈中富含糖，每公頃甜高粱莖稈可發(fā)酵生產(chǎn)乙醇3000 5000L，因品種而異。種植甜高粱的需水量?jī)H為甘蔗的1/3 1/5，而且對(duì)土壤條件具有廣泛的適應(yīng)性， 特別是其顯著的抗旱性和抗鹽堿性。在荒灘地、干旱地和鹽堿地等邊際土地上均能種植甜高粱，且一年三熟。種植甜高粱生產(chǎn)燃料乙醇，實(shí)現(xiàn)了 “不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”。如果種植糧稈兼用型甜高粱，既可收獲籽粒，又可收獲莖葉。甜高粱的籽粒既可食用，又可作為飼料和工業(yè)原料；莖稈中糖分能夠應(yīng)用清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的高等固態(tài)發(fā)酵技術(shù) (ASSF)，高效率地轉(zhuǎn)化為乙醇，在生產(chǎn)燃料乙醇的同時(shí)，副產(chǎn)大量酒糟。上述酒糟的產(chǎn)量遠(yuǎn)大于乙醇的產(chǎn)量。目前酒糟的主要用途是提供給牛、羊等牲畜作為飼料。但是，隨著甜高粱乙醇生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，石油資源的短缺，更需要將酒糟作為運(yùn)輸燃料和化工產(chǎn)品的原料，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前酒糟利用率低、產(chǎn)物附加值低的現(xiàn)狀，提供一種甜高粱稈的綜合利用方法。酒糟主要成分為半纖維素、纖維素和木質(zhì)素。其中，半纖維素含量為25%左右，纖維素含量為35. 00%左右。其半纖維素組分可以酸解用來(lái)生產(chǎn)木糖、木糖醇、糠醛等重要化工產(chǎn)品；半纖維素被水解后，剩下的酸解渣中纖維素表面得到有效暴露，易于被纖維素酶酶解糖化生成葡萄糖，并進(jìn)一步發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。酶解剩下的殘?jiān)疵附饽举|(zhì)素可以作為高熱值的燃料使用，還可以深加工生產(chǎn)木質(zhì)素產(chǎn)品。所以，酒糟的綜合利用能夠顯著提高甜高粱種植的經(jīng)濟(jì)性，提高燃料乙醇生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，緩解我國(guó)的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，社會(huì)效益顯著?；谏鲜鲈?，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種甜高粱稈綜合利用的方法，包括如下步驟(1)將甜高粱稈粉碎、調(diào)節(jié)含水量后固態(tài)發(fā)酵，蒸餾得到乙醇溶液和酒糟；(2)將上述酒糟在酸性條件下水解，固液分離得到木糖溶液和酸解渣；(3)將上述酸解渣水洗后作為底物，加入酶解緩沖液，然后加入酶進(jìn)行酶解，固液分離得到酶解混合液和酶解木質(zhì)素；(4)將上述酶解混合液接種酵母發(fā)酵產(chǎn)生乙醇溶液。通過(guò)上述步驟實(shí)現(xiàn)秸稈成分中糖分、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的綜合利用。其中，步驟(1)為甜高粱稈中的可溶性糖的利用步驟；步驟( 為甜高粱稈中半纖維素的利用和纖維素乙醇的酸預(yù)處理過(guò)程；步驟C3)為甜高粱稈中纖維素酶解產(chǎn)酶解混合液和酶解木質(zhì)素的過(guò)程；步驟(4)為酶解混合液發(fā)酵產(chǎn)乙醇的過(guò)程。步驟(1)中所述粉碎通常是將甜高粱稈粉碎成直徑1 2mm長(zhǎng)度小于30mm的絲狀；所述調(diào)節(jié)含水量的優(yōu)選方法為用去離子水調(diào)節(jié)甜高粱桿含水量為70% ；所述固態(tài)發(fā)酵的條件是在酵母接種量為10% 20% (即每kg物料所用酵母液體積為100 200mL)，罐內(nèi)溫度為25 35°C，發(fā)酵罐回轉(zhuǎn)速度為0. 2 0. 5rpm條件下，發(fā)酵 20 42h。優(yōu)選條件是酵母接種量為15% (即每kg物料所用酵母液體積為150mL，每mL 酵母液中約含1 X IO7個(gè)酵母細(xì)胞)，罐內(nèi)溫度為30 32°C，發(fā)酵罐回轉(zhuǎn)速度為0. 25rpm,發(fā)酵時(shí)間30h ；所述蒸餾是向固態(tài)發(fā)酵后得到的發(fā)酵料中每50g發(fā)酵料中加入150 250mL蒸餾水，加熱蒸餾，收集冷凝液，當(dāng)收集的冷凝液達(dá)加入蒸餾水量的一半后停止。優(yōu)選條件是向固態(tài)發(fā)酵后得到的發(fā)酵料中每50g發(fā)酵料中加入200mL蒸餾水，加熱蒸餾，收集冷凝液，當(dāng)收集的冷凝液達(dá)加入蒸餾水量一半后停止。步驟O)中酸解的條件為酸的濃度(重量百分?jǐn)?shù))為0. 5 5%，溫度為100 150°C，酸解底物即酒糟(干基計(jì))的重量百分?jǐn)?shù)為5% 20%，酸解0.1 4h。所用的酸可以為硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一種或者幾種。優(yōu)選的條件是在硫酸濃度(重量百分?jǐn)?shù))為1.5%，溫度為120 125°C，酸解底物即酒糟(干基計(jì))的重量百分?jǐn)?shù)為10% 15%的條件下，酸解0.證；或者在草酸濃度 (重量百分?jǐn)?shù))為3%，溫度為120 125°C，酸解底物即酒糟(干基計(jì))的重量百分?jǐn)?shù)為 10% 15%的條件下，酸解1. 5h。步驟(3)中所述酶為纖維素酶或者纖維素酶添加β-葡萄糖苷酶的復(fù)配。所述的酶解是在酶解液ρΗ值為4. 5 5. 5，酶解底物即酸解渣(干基計(jì))的重量百分?jǐn)?shù)為5 % 20 %的條件下，將酶加入到酶解液中，加入量為1 10FPU/g底物，在45 55 °C的溫度下，酶解糖化M 120h。優(yōu)選的條件是酶解液ρΗ值為5. 0 5. 1，酶解底物即酸解渣(干基計(jì))的重量百分?jǐn)?shù)為12. 5%，酶解溫度為50°C，酶解糖化72h。所述的固液分離方法可以為抽濾、離心、沉降或旋液分離中的一種或幾種。步驟(1)和中發(fā)酵所用酵母為安琪酵母或者TSH-&-001菌種。本發(fā)明所述TSHIc-OO 1菌種與專利CN101033476A中的TSHIc-OO 1菌種相同(保藏單位中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心，保藏日期2007年3月6日，登記入冊(cè)編號(hào)1949)。步驟(4)中在接種酵母發(fā)酵前要先將酶解混合液在115 121°C滅菌10 20min。 發(fā)酵條件為酵母接種量為5% 20% (即酵母液與酶解混合液的體積比為5% 20%，每 mL酵母液中約含1 X IO7個(gè)酵母細(xì)胞)，發(fā)酵罐內(nèi)溫度為25 35°C，發(fā)酵時(shí)間20 42h。優(yōu)選的條件是酵母為T(mén)SH-&-001菌種，TSH-Sc-OOl接種量為15%，罐內(nèi)溫度為 28 32°C，發(fā)酵時(shí)間30h。本發(fā)明的甜高粱綜合利用的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于
1)甜高粱稈中含有13% 14%的糖分，固態(tài)發(fā)酵產(chǎn)乙醇糖利用率高于90%。甜高粱基乙醇實(shí)現(xiàn)了 “不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地”。2)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程使得酒糟的結(jié)構(gòu)更加松散，有利于酸解/酶解反應(yīng)的進(jìn)行。3)酒糟中含有25%左右的半纖維素，經(jīng)稀酸處理后，酸解液可用來(lái)制備木糖，其可進(jìn)一步生成木糖醇或者糠醛等高附加值產(chǎn)品。酸解過(guò)程既是木糖的生產(chǎn)過(guò)程，同時(shí)也是纖維素乙醇生產(chǎn)的預(yù)處理過(guò)程，有效的降低了纖維素乙醇生產(chǎn)的預(yù)處理成本。4)酒糟酸解渣的纖維素含量高，纖維素酶可及度高，酶解抑制物少，因此酶解效率高。有效的降低了纖維素乙醇生產(chǎn)的酶成本，提高了酶解過(guò)程的設(shè)備利用率?？傊景l(fā)明的綜合利用方法，充分實(shí)現(xiàn)了甜高粱稈中可溶性糖、半纖維素和纖維素的全利用。不但為酒糟的利用找到了新途徑，而且得到了高附加值的木糖，同時(shí)提高了酸解渣中的纖維素含量和纖維素酶可及度，實(shí)現(xiàn)纖維素酶解糖化的高轉(zhuǎn)化率。該方法使得高含糖量的木質(zhì)纖維素原料的利用率提高，單位作物乙醇產(chǎn)量提高，纖維素乙醇的生產(chǎn)成本下降。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。(注以下實(shí)施例的百分?jǐn)?shù)如無(wú)特殊說(shuō)明均為重量百分?jǐn)?shù))實(shí)施例1收割成熟的甜高粱，以總糖含量11%，還原糖含量7 %的甜高粱秸稈為原料，粉碎成直徑1 2mm長(zhǎng)度小于30mm的絲狀，用去離子水調(diào)節(jié)粉碎的甜高粱稈含水量為70%。 向密閉料倉(cāng)中加入TSH-&-001菌種，與粉碎物料混合后在連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵。酵母接種量為10% (即粉碎物料與酵母液的比例為Ikg IOOmL,每mL酵母液中約含1 X IO7個(gè)酵母細(xì)胞)，調(diào)節(jié)各操作參數(shù)，保持罐內(nèi)溫度為30 35°C，發(fā)酵罐回轉(zhuǎn)速度為 0. 25rpm,發(fā)酵時(shí)間30h。向每50g發(fā)酵料加入200mL蒸餾水，加熱蒸餾，收集冷凝液，當(dāng)收集的冷凝液達(dá)加入蒸餾水量的一半后停止。發(fā)酵后測(cè)得乙醇收率92.2%，總糖轉(zhuǎn)化率98.6%。酒糟的成分組成為纖維素 38. 43%、半纖維素22. 63%、木質(zhì)素20. 07%、灰分0. 25%。取3g酒糟(干重)加入微波消解罐中，再加入27mL濃度為3%的硫酸，在130°C 的條件下，酸解0.證。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率為17. 05%。酸解渣的成分組成為纖維素45. 38%、半纖維素9. 85%、 木質(zhì)素22. 16%,灰分0. 68% ο取酸解渣0. 5g (干重)水洗后作為酶解底物加入到三角瓶中，加入檸檬酸鈉緩沖溶液，酶解底物重量百分?jǐn)?shù)為5 %的條件下，調(diào)節(jié)酶解液的pH值為5. 1，將纖維素酶加入到酶解液中，加入量為10FPU/g底物，在50°C的溫度下，以150rpm的轉(zhuǎn)速酶解。酶解結(jié)束后固液分離得到酶解混合液和酶解木質(zhì)素。酶解糖化7 纖維素的轉(zhuǎn)化率為82. 70%，酶解混合液中葡萄糖的濃度為20. 35g/L。將酶解混合液在115°C滅菌20min，然后在TSH-&-001接種量為15% (即酵母液與酶解混合液的體積比為15%，每mL酵母液中約含1 X IO7個(gè)酵母細(xì)胞)，罐內(nèi)溫度為30°C 的條件下發(fā)酵30h。乙醇收率達(dá)90%。
酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色譜測(cè)得。乙醇的量由氣相色譜測(cè)得。實(shí)施例中的物料的成分組成均是按NREL方法測(cè)得。實(shí)施例2甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵方法同實(shí)施例1。取3g酒糟(干重)加入微波消解儀中，加入27mL濃度為3%草酸，在130°C的條件下，酸解1.證。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率為21. 48%。酸解渣的成分組成為纖維素52. 63%、半纖維素11. 67%, 木質(zhì)素20. 60%、灰分0. 70%o酸解渣的酶解方法同實(shí)施例1。酶解糖化7 纖維素的轉(zhuǎn)化率為85. 56%，葡萄糖的濃度為24. 30g/L。酶解混合液的發(fā)酵條件同實(shí)施例1。乙醇收率達(dá)90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色譜測(cè)得。乙醇的量由氣相色譜測(cè)得。實(shí)施例中的物料的成分組成均是由NREL方法測(cè)得。實(shí)施例3甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵方法同實(shí)施例1。取3g酒糟(干重)加入高溫滅菌鍋中，用27mL3%草酸在125°C的條件下，酸解 0.證。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率為21. 37%。酸解渣的成分組成為纖維素51. 03%、半纖維素6. 99%, 木質(zhì)素19. 25%、灰分0. 73%。酸解渣的酶解方法同實(shí)施例1。酶解糖化4 纖維素的轉(zhuǎn)化率為65. 22%，葡萄糖的濃度為18. 19g/L。酶解混合液的發(fā)酵條件同實(shí)施例1。乙醇收率達(dá)90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色譜測(cè)得。乙醇的量由氣相色譜測(cè)得。實(shí)施例中的物料的成分組成均是由NREL方法測(cè)得。實(shí)施例4甜高粱稈的固態(tài)發(fā)酵方法同實(shí)施例1。取3g酒糟(干重)加入高溫滅菌鍋中，用27mL3%硫酸在125°C的條件下，酸解 0.證。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率為20. 18%。酸解渣的成分組成為纖維素51. 95%、半纖維素2. 84%, 木質(zhì)素21. 26%、灰分0. 77%。酸解渣的酶解方法同實(shí)施例1。酶解糖化4 纖維素的轉(zhuǎn)化率為66. 05%，葡萄糖的濃度為18. 47g/L。酶解混合液的發(fā)酵條件同實(shí)施例1。乙醇收率達(dá)90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色譜測(cè)得。乙醇的量由氣相色譜測(cè)得。實(shí)施例中的物料的成分組成均是由NREL方法測(cè)得。實(shí)施例5將甜高粱秸稈粉碎成直徑1 2mm長(zhǎng)度小于30mm的絲狀，用去離子水調(diào)節(jié)粉碎的甜高粱桿含水量為70%。然后將甜高粱稈在連續(xù)固態(tài)發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行連續(xù)發(fā)酵，酵母接種量為15% (即甜高粱稈與酵母液的比例為Ikg 150mL，每mL酵母液中約含IXlO7個(gè)細(xì)胞)，調(diào)節(jié)各操作參數(shù)，保持罐內(nèi)溫度為25 27°C，發(fā)酵罐回轉(zhuǎn)速度為0. 5rpm，發(fā)酵時(shí)間40h。取 50g發(fā)酵料中加入250mL蒸餾水，加熱蒸餾，收集冷凝液，當(dāng)收集的冷凝液達(dá)125mL后停止， 得到乙醇和酒糟。發(fā)酵后測(cè)得乙醇收率89.2%，總糖轉(zhuǎn)化率98.6%。酒糟的成分組成為纖維素 37. 43%、半纖維素21. 63%、木質(zhì)素22. 07%、灰分0. 25%。取4. 5g酒糟(干重)加入微波消解罐中，再加入27mL濃度為1. 5%硫酸在120°C 的條件下，酸解0.證。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，得到木糖溶液和酸解渣。木糖得率為15. 78%。酸解渣的成分組成為纖維素45. 03%、半纖維素12. 99%, 木質(zhì)素15. 25%、灰分0. 73%。取酸解渣0. 5g(干重)水洗后作為酶解底物加入到三角瓶中，加入檸檬酸鈉緩沖溶液，酶解底物重量百分?jǐn)?shù)為15 %的條件下，調(diào)節(jié)酶解液的pH值為5. 1，將纖維素酶和β -葡萄糖苷酶的復(fù)合酶加入到酶解液中，加入量為2FPU/g底物，在50°C的溫度下，以 150rpm的轉(zhuǎn)速酶解。酶解糖化48h。反應(yīng)結(jié)束后抽濾，得到酶解混合液和酶解木質(zhì)素。酶解糖化4 纖維素的轉(zhuǎn)化率為49. 05%，葡萄糖的濃度為25. 47g/L。將酶解混合液在121°C滅菌lOmin，然后在安琪酵母接種量為20% (即酵母液與酶解混合液的體積比為20%，每mL酵母液中約含1 X IO7個(gè)細(xì)胞)，罐內(nèi)溫度為30°C的條件下發(fā)酵30h得到乙醇溶液。乙醇收率達(dá)90%。酸解液中木糖的量、酶解混合液中葡萄糖的量均由高效液相色譜測(cè)得。乙醇的量由氣相色譜測(cè)得。實(shí)施例中的物料的成分組成均是由NREL方法測(cè)得。
權(quán)利要求
1.一種甜高粱稈的綜合利用方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)將甜高粱稈粉碎、并調(diào)節(jié)含水量后固態(tài)發(fā)酵，蒸餾得到乙醇溶液和酒糟；(2)將上述酒糟在酸性條件下水解，固液分離得到木糖溶液和酸解渣；(3)將上述酸解渣水洗后作為底物，加入酶解緩沖液，然后加入酶進(jìn)行酶解糖化，固液分離得到酶解混合液和酶解木質(zhì)素；(4)將上述酶解混合液接種酵母發(fā)酵生產(chǎn)乙醇溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于，步驟(1)所述固態(tài)發(fā)酵的條件為酵母接種量為10% 20%，罐內(nèi)溫度為25 35°C，發(fā)酵罐回轉(zhuǎn)速度為0. 2 0. 5rpm， 發(fā)酵時(shí)間為20 42h ；蒸餾的過(guò)程為向每50g發(fā)酵料中加入150 250mL蒸餾水，加熱蒸餾，收集冷凝液，當(dāng)收集的冷凝液達(dá)加入蒸餾水量的一半后停止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于，步驟( 中所述在酸性條件下水解的條件為在酸的濃度為0.5% 5%，酸解底物即酒糟的重量百分?jǐn)?shù)為5% 20%，溫度為100 150°C的條件下，酸解0. 1 4h，其中酸解底物的重量以干基計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于，步驟(3)中所述酶解的條件為 在酶解液PH值為4. 5 5. 5，酶解底物即酸解渣的重量百分?jǐn)?shù)為5 20%的條件下，將酶加入到酶解底物中，加入量為1 10FPU/g底物，在45 55°C的溫度下，酶解糖化M 120h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于步驟(4)中所述發(fā)酵的條件為 酵母接種量為5% 20%，發(fā)酵罐內(nèi)溫度為25 35°C，發(fā)酵時(shí)間20 42h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于步驟O)中所述木糖用于生產(chǎn)木糖醇或糠醛。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于步驟(1)中所述粉碎是將甜高粱稈粉碎成直徑1 2mm長(zhǎng)度小于30mm的絲狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的綜合利用方法，其特征在于步驟( 中所用的酸為硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一種或者幾種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于步驟(3)中所述酶為纖維素酶， 或者為纖維素酶添加葡萄糖苷酶的復(fù)配。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用方法，其特征在于步驟(1)和(4)中發(fā)酵所用酵母為安琪酵母或者TSH-&-001菌種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于生物質(zhì)能源與化工技術(shù)領(lǐng)域的一種甜高粱稈的綜合利用方法，該方法包括如下步驟1)將甜高粱稈固態(tài)發(fā)酵，蒸餾得到乙醇溶液和酒糟；2)將上述酒糟在酸性條件下水解，固液分離得到木糖溶液和酸解渣；3)將上述酸解渣水洗，作為酶解底物，加入酶解緩沖液，加入酶進(jìn)行酶解后固液分離得到酶解混合液和酶解木質(zhì)素；4)將上述酶解混合液接種酵母發(fā)酵產(chǎn)生乙醇溶液。本發(fā)明不但為酒糟的利用找到了新途徑，而且得到了高附加值的木糖，同時(shí)提高了酸解渣中的纖維素含量和纖維素酶可及度，實(shí)現(xiàn)纖維素酶解糖化的高轉(zhuǎn)化率。該方法使得高含糖量的木質(zhì)纖維素原料的利用率提高，單位作物乙醇產(chǎn)量提高，纖維素乙醇的生產(chǎn)成本下降。
文檔編號(hào)C12P19/14GK102399826SQ201110321859
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者李十中, 李紀(jì)紅, 閆智培 申請(qǐng)人:清華大學(xué)