專利名稱：木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)乙醇的方法，尤其涉及一種木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法。
背景技術(shù)：
纖維素乙醇作為一種綠色可再生資源，可替代不可再生的石油資源，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在世界石油資源短缺、原油價格不斷攀升、環(huán)境壓力日益嚴(yán)重的條件下，擁有廣闊的市場前景和社會效益。但是，由于纖維素乙醇生產(chǎn)成本較高，乙醇產(chǎn)率較低，而且生產(chǎn)技術(shù)仍然不夠成熟，所以為了提高乙醇產(chǎn)率，降低成本，研究高效的纖維素乙醇生產(chǎn)技術(shù)具有十分重要的意義。
目前，纖維素乙醇的發(fā)酵方式主要有兩種，一種是液態(tài)發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵是指基質(zhì)呈液態(tài)進(jìn)行發(fā)酵，這種發(fā)酵技術(shù)具有發(fā)酵均勻，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但是液態(tài)發(fā)酵需要大量的水，接種比小于10%，產(chǎn)生大量的有機(jī)廢水，操作空間也相應(yīng)的增加，耗能量也很大。另外一種是固態(tài)發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵是指沒有或者自由水很少的發(fā)酵方式，微生物需要從周圍的濕基質(zhì)中獲得所需要的水分，該發(fā)酵方式具有發(fā)酵底物濃度和產(chǎn)物得率高，操作和提取工藝簡單可控，投資和運(yùn)行成本低，無大量有機(jī)廢水產(chǎn)生，動力消耗少，節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，但是在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的代謝熱，很難帶出。纖維素乙醇的生產(chǎn)過程主要包括四個方面，第一材料的預(yù)處理，第二糖化，將多糖轉(zhuǎn)化為單糖的過程，第三發(fā)酵，將產(chǎn)生的單糖厭氧發(fā)酵為乙醇，第四乙醇的抽提。目前，第二步和第三步分別在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行，即先進(jìn)行糖化過程，將產(chǎn)生的單糖分離出來再進(jìn)行發(fā)酵，即成為先糖化后發(fā)酵的方式，但是會存在很強(qiáng)的產(chǎn)物抑制作用，使得乙醇產(chǎn)量不聞。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供了一種能夠更大的提高乙醇產(chǎn)量的木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法，該方法包括如下步驟
A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯(lián)12 24h ;然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣溶液；保存?zhèn)溆茫?br> B、填充床反應(yīng)器的系統(tǒng)安裝及包埋顆粒的填充將制好的包埋顆粒放入反應(yīng)器中堆積成填充床反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)的頂部、且位于包埋顆粒的上方設(shè)置液體分布器，在反應(yīng)器內(nèi)的底部、且位于包埋顆粒的下方設(shè)置氣體分布器；使用反應(yīng)器前進(jìn)行反應(yīng)器檢漏；
C、將pH值為4.5 4. 8的酵母菌液通過反應(yīng)器內(nèi)的液體分布器后均勻滴到包埋顆粒表面直到生物膜形成，包埋顆粒內(nèi)酶解生成的葡萄糖被顆粒表面酵母菌生物膜在厭氧條件下發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳；酵母菌液從反應(yīng)器的底部流出，通過泵再抽入反應(yīng)器的液體分布器內(nèi)使酵母菌液循環(huán)使用；
D、在反應(yīng)器的底部通入載氣，載氣通過氣體分布器后均勻的向上通過包埋顆粒，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應(yīng)器，進(jìn)入到集氣瓶中，同時也帶走了反應(yīng)產(chǎn)生的代謝熱，維持反應(yīng)器內(nèi)恒定的發(fā)酵溫度。本發(fā)明方法的具體反應(yīng)原理是包埋顆粒內(nèi)部纖維素和纖維素酶，纖維二糖酶以及木糖酶反應(yīng)生成還原糖(主要為葡萄糖、木糖等等)，生成的葡萄糖通過擴(kuò)散傳出包埋顆粒表面，被包埋顆粒表面的酵母菌生物膜在厭氧條件下轉(zhuǎn)化生成乙醇，由于乙醇具有強(qiáng)揮發(fā)性，因此被反應(yīng)器下部通入的不含氧氣的載氣及時帶出反應(yīng)器，并進(jìn)入乙醇收集瓶(罐)通過水等溶質(zhì)溶解氣相中被載出的乙醇，排出的載氣可被回收再利用。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明采用的是固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵底物濃度和產(chǎn)物得率高，操作和提取工藝簡單可控，投資和運(yùn)行成本低，無大量有機(jī)廢水產(chǎn)生，動力消耗少，節(jié)約能源等。2、本發(fā)明采用氣載乙醇同步糖化發(fā)酵方式，即糖化過程和發(fā)酵過程在同一個反應(yīng)器中進(jìn)行，這樣糖化過程產(chǎn)生的葡萄糖及時被酵母菌在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為乙醇，為了進(jìn)一步解決產(chǎn)物抑制，在發(fā)酵過程中向反應(yīng)器內(nèi)通入載氣，帶走乙醇的同時帶走部分代謝熱。本發(fā)明即消除還原糖糖化過程的抑制作用，也消除了乙醇對發(fā)酵過程的抑制作用，提高了乙醇的產(chǎn)量；同時載氣帶走乙醇的同時也帶走所釋放的代謝熱使得反應(yīng)器內(nèi)部能夠維持在一個恒定的溫度。3、本發(fā)明采用了固定化顆粒填充床，包埋顆粒堆積在填充床內(nèi)，增大了孔隙率，便于流體流動，使得產(chǎn)生的乙醇更容易被帶走，產(chǎn)生的代謝熱更容易被帶走，也使酵母菌更容易在包埋顆粒表面成膜，接觸面積更大。隨著發(fā)酵進(jìn)行，非包埋顆粒填充床中的基質(zhì)容易坍塌，因此填充床的孔隙率將減小，不利于氣體流動和傳質(zhì)過程，而包埋法制成的包埋顆粒具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，反應(yīng)20天后填充床仍具有較高的孔隙率；
4、另外顆粒填充床操作方便，只需將纖維素基質(zhì)與纖維素酶、纖維二糖酶等其他酶混合均勻包埋起來，然后放入反應(yīng)器即可，反應(yīng)過程中無需攪拌，使酵母菌更易于吸附于包埋顆粒表面形成生物膜，提高產(chǎn)量，而基質(zhì)填充床在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生很多水分在填充床下面沉積，使得具有一定目數(shù)的基質(zhì)就會結(jié)團(tuán)，反應(yīng)變緩慢。


圖I為填充床的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中I一包埋顆粒；2—反應(yīng)器；3—液體分布器；4一氣體分布器；5—集氣瓶；6—?dú)怏w流量計；7—加濕器；8—酵母菌液儲存瓶；9一泵。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。實(shí)施例一木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法，該方法包括如下步驟
A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒的制作方法為稱取一定量的海藻酸鈉和聚乙烯醇放入加入適量水的燒杯中加熱溶解，然后將其冷卻到室溫，加入纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶混合均勻，然后用模具將其制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再將包埋顆粒放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯(lián)12 24h ；然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣(CaCl2)溶液，作為備用。B、填充床反應(yīng)器的系統(tǒng)安裝(如圖I所示)及包埋顆粒的填充將制好的包埋顆粒I放入反應(yīng)器2中堆積成填充床反應(yīng)器，在反應(yīng)器2內(nèi)的頂部、且位于包埋顆粒I的上方設(shè)置液體分布器3，在反應(yīng)器2內(nèi)的底部、且位于包埋顆粒I的下方設(shè)置氣體分布器4。反應(yīng)器2的頂部設(shè)有出氣口和進(jìn)液口，出氣口連接集氣瓶5，進(jìn)液口與泵9 (本實(shí)施例中，泵采用蠕動泵)連接，在反應(yīng)器2的底部設(shè)有進(jìn)氣口和出液口，進(jìn)氣口通過氣管依次與氣體流量計 6和加濕器7連接，出液口連接酵母菌液儲存瓶8，酵母菌液儲存瓶8內(nèi)的酵母菌液通過蠕動泵抽入液體分布器3內(nèi)，系統(tǒng)安裝好后，檢漏。C、將pH值為4. 5 4. 8的酵母菌液通過反應(yīng)器內(nèi)的液體分布器后均勻噴淋到包埋顆粒表面，包埋顆粒內(nèi)部反應(yīng)生成的葡萄糖被酵母菌生物膜在厭氧條件下反應(yīng)生成乙醇和二氧化碳，流過包埋顆粒填充床后的酵母菌液然后從反應(yīng)器的底部流出，通過泵再抽入到反應(yīng)器內(nèi)的液體分布器內(nèi)使酵母菌液循環(huán)使用。D、等顆粒表面掛膜完成以后，在反應(yīng)器的底部通入載氣(載氣通過加濕器和氣體流量計后通入反應(yīng)器)，載氣通過氣體分布器后均勻地向上通過包埋顆粒填充床層，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應(yīng)器，進(jìn)入到乙醇收集瓶(罐)中，同時也帶走了反應(yīng)產(chǎn)生的代謝熱。整個反應(yīng)器處于恒定溫度，使糖化和發(fā)酵都處于較好的溫度控制范圍，同時需要定時地向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充水分。
實(shí)施例二
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法，該方法包括如下步驟
A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚
乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒的制作方法為稱取一定量的海藻酸鈉和聚乙烯醇放入加入適量水的燒杯中加熱溶解，然后將其冷卻到室溫，加入纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶混合均勻，然后用模具將其制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再將包埋顆粒放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯(lián)12 24h ；然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣(CaCl2)溶液，作為備用。B、填充床反應(yīng)器的系統(tǒng)安裝(如圖I所示)及顆粒的填充將制好的包埋顆粒I放入反應(yīng)器2中堆積成填充床反應(yīng)器，在反應(yīng)器2內(nèi)的頂部、且位于包埋顆粒I的上方設(shè)置液體分布器3，在反應(yīng)器2內(nèi)的底部、且位于包埋顆粒I的下方設(shè)置氣體分布器4。反應(yīng)器2的頂部設(shè)有出氣口和進(jìn)液口，出氣口連接集氣瓶5，進(jìn)液口與泵9 (本實(shí)施例中，泵采用蠕動泵)連接，在反應(yīng)器2的底部設(shè)有進(jìn)氣口和出液口，進(jìn)氣口通過氣管依次與氣體流量計6和加濕器7連接，出液口連接酵母菌液儲存瓶8，酵母菌液儲存瓶8內(nèi)的酵母菌液通過蠕動泵抽入液體分布器3內(nèi)，系統(tǒng)安裝好后，檢漏。C、將pH值為4. 5 4. 8的酵母菌液通過反應(yīng)器內(nèi)的液體分布器后均勻噴淋到包埋顆粒表面，包埋顆粒內(nèi)部反應(yīng)生成的葡萄糖被酵母菌生物膜在厭氧條件下反應(yīng)生成乙醇和二氧化碳，流過包埋顆粒填充床后的酵母菌液然后從反應(yīng)器的底部流出，通過泵再抽回到反應(yīng)器內(nèi)的液體分布器內(nèi)使酵母菌液循環(huán)使用。D、通入酵母菌液的同時，在反應(yīng)器的底部通入載氣(載氣通過加濕器和氣體流量計后通入反應(yīng)器)，載氣通過氣體分布器后均勻地向上通過包埋顆粒填充床層，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應(yīng)器，進(jìn)入到乙醇收集瓶(罐)中，同時也帶走了反應(yīng)產(chǎn)生的代謝熱。整個反應(yīng)器處于恒定溫度，使糖化和發(fā)酵都處于較好的溫度控制范圍。本發(fā)明將纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒內(nèi)部進(jìn)行糖化過程，即纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶與秸桿反應(yīng)生成還原糖(主要是葡萄糖、木糖)，通過擴(kuò)散的方式傳至包埋顆粒表面，從反應(yīng)器頂部噴淋進(jìn)入的酵母菌在基質(zhì)顆粒表面形成生物膜，生物膜在厭氧的條件下 將擴(kuò)散至表面的葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇，生產(chǎn)的乙醇通過擴(kuò)散、對流的方式被反應(yīng)器底部通入的載氣及時帶出反應(yīng)器，并進(jìn)入乙醇收集瓶(罐)通過水等溶質(zhì)溶解氣相中被載出的乙醇，排出的載氣可被回收再利用。本發(fā)明即具有固態(tài)發(fā)酵的優(yōu)勢，又利用同步酶解發(fā)酵消除產(chǎn)物的抑制；還利用顆粒填充床的形式，增大了反應(yīng)器的孔隙率，有利于酵母菌在顆粒表面成膜，也有利于載氣及時將乙醇以及代謝熱帶走，同時操作簡單。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯(lián)12 24h ;然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣溶液，保存?zhèn)溆茫? B、填充床反應(yīng)器的系統(tǒng)安裝及包埋顆粒的填充將制好的包埋顆粒放入反應(yīng)器中堆積成填充床反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)的頂部、且位于包埋顆粒的上方設(shè)置液體分布器，在反應(yīng)器內(nèi)的底部、且位于包埋顆粒的下方設(shè)置氣體分布器，使用反應(yīng)器前進(jìn)行反應(yīng)器檢漏； C、將pH值為4.5 4. 8的酵母菌液通過反應(yīng)器內(nèi)的液體分布器后均勻滴到包埋顆粒表面直到生物膜形成，包埋顆粒內(nèi)酶解生成的葡萄糖被顆粒表面的酵母菌生物膜在厭氧條件下發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳；酵母菌液從反應(yīng)器的底部流出，通過泵再抽入反應(yīng)器的液體分布器內(nèi)使酵母菌液循環(huán)使用； D、在反應(yīng)器的底部通入不含氧氣的載氣，載氣通過氣體分布器后均勻的向上通過包埋顆粒，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應(yīng)器，進(jìn)入到集氣瓶中，同時也帶走了反應(yīng)產(chǎn)生的代謝熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法，其特征在于通過氣相色譜儀測量集氣瓶中的乙醇含量，直到乙醇不再生成時，停止反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種木質(zhì)纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態(tài)同步酶解發(fā)酵方法，包括如下步驟A、制作包埋顆粒；B、填充床反應(yīng)器的系統(tǒng)安裝及包埋顆粒的填充；C、將酵母菌液均勻滴到包埋顆粒表面形成生物膜，包埋顆粒內(nèi)部反應(yīng)生成的葡萄糖在厭氧條件下被酵母菌生物膜利用生成乙醇和二氧化碳；D、在反應(yīng)器的底部通入載氣，載氣均勻向上流過包埋顆粒填充床，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應(yīng)器，進(jìn)入到集氣瓶中，也帶走了反應(yīng)產(chǎn)生的代謝熱。本發(fā)明采用固態(tài)同步糖化發(fā)酵方式，使糖化過程產(chǎn)生的葡萄糖很快被酵母菌在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為乙醇，在發(fā)酵過程中向反應(yīng)器內(nèi)通入載氣，消除了產(chǎn)物抑制，帶走乙醇的同時帶走部分代謝熱，增加了乙醇的產(chǎn)量。
文檔編號C12P7/10GK102703522SQ20121020740
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者葉丁丁, 周勁, 廖強(qiáng), 朱恂, 李俊, 王永忠, 王艷梅, 陳蓉 申請人:重慶大學(xué)