一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法。植物纖維原料經(jīng)過(guò)稀酸水解預(yù)處理或稀酸蒸汽爆破預(yù)處理，通過(guò)固液分離得到半纖維素預(yù)水解液和富含纖維素的固體物料。其中，固體物料經(jīng)中和、纖維素酶水解得酶水解液，再經(jīng)釀酒酵母或運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌厭氧發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇；半纖維水解液經(jīng)濃縮和中和后采用氧化葡萄糖酸桿菌或莓實(shí)假單孢菌在好氧條件下全細(xì)胞共催化生產(chǎn)多種糖酸。采用本方法可實(shí)現(xiàn)植物纖維原料制取燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸，能夠有效地克服半纖維素預(yù)水解物糖發(fā)酵的抑制效應(yīng)，可顯著地提高植物纖維原料中各種糖類物質(zhì)的利用效率，有效降低生產(chǎn)廢水中的污染負(fù)荷，進(jìn)而提高植物纖維原料生物煉制的經(jīng)濟(jì)效益。原料中總糖物質(zhì)的利用率達(dá)到80%以上，糖轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%。
【專利說(shuō)明】一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維素燃料綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是涉及一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維素燃料乙醇作為第二代燃料乙醇是當(dāng)今全球研發(fā)的熱點(diǎn)，對(duì)于緩解世界對(duì)石油資源的消耗，尤其是保障我國(guó)的能源供應(yīng)安全及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。糖酸可廣泛應(yīng)用于減水劑、分散劑和緩釋劑、玻璃清洗劑、冶金除銹劑、金屬離子螯合劑等，它們均可由糖類物質(zhì)制取。
[0003]目前，纖維素燃料乙醇仍然不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，其中半纖維素糖類，尤其是木糖、阿拉伯糖和半乳糖組分的乙醇發(fā)酵受微生物菌種性能的影響，存在著產(chǎn)物濃度低、抑制物耐受性能差、反應(yīng)速率慢和得率的諸多缺陷，致使生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高和廢水污染壓力大，成為了制約整個(gè)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)體系的關(guān)鍵性瓶頸之一，嚴(yán)重影響了其商業(yè)化生產(chǎn)。因此，必須尋求半纖維素糖類高效生物轉(zhuǎn)化的新出路，以提高原料的利用效率和降低總生產(chǎn)成本，同時(shí)通類糖類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與利用以減少生產(chǎn)過(guò)程中廢水的污染負(fù)荷，進(jìn)而推動(dòng)纖維素燃料乙醇乃至 整個(gè)植物纖維原料生物煉制產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，該方法通過(guò)半纖維素糖類的全細(xì)胞共催化生產(chǎn)多糖酸產(chǎn)品，進(jìn)而帶動(dòng)和實(shí)現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素的分類高效生物轉(zhuǎn)化與利用，達(dá)到聯(lián)產(chǎn)纖維素燃料乙醇、多種糖酸(鹽)產(chǎn)品的效果；有效地提高植物纖維原料生物煉制體系中原料糖的利用率、整體經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
[0005]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，包括以下步驟:
(1)植物纖維原料經(jīng)過(guò)稀酸水解預(yù)處理或稀酸蒸汽爆破預(yù)處理，通過(guò)固液分離得到含纖維素的固體物料、含有含木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖的半纖維素預(yù)水解液；
(2)固體物料經(jīng)中和、纖維素酶水解得酶水解液,接入cereiviase)或運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌mobilis)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇；
(3)半纖維水解液經(jīng)過(guò)濃縮、中和后，采用氧化葡萄糖桿菌iGluconobacteroxydans)或莓實(shí)假單孢菌iPseudomonas /ragi)在好氧條件下全細(xì)胞共催化轉(zhuǎn)化各單糖生產(chǎn)對(duì)應(yīng)糖酸產(chǎn)品；所述的糖酸產(chǎn)品包括木糖酸、阿拉伯糖酸、葡萄糖酸、甘露糖酸、半乳糖酸、木糖酸鹽、阿拉伯糖酸鹽、葡萄糖酸鹽、甘露糖酸鹽和半乳糖酸鹽。
[0006]步驟(1)中，稀酸為硫酸、鹽酸或磷酸，質(zhì)量濃度0.25~2.0%，預(yù)處理反應(yīng)溫度150~170°C，物料的反應(yīng)時(shí)間為20~60min。[0007]步驟(2)中，中和反應(yīng)所使用的試劑為含有鈣、鉀、鈉的堿性物質(zhì)，中和后的ρΗ4.5~5.0。
[0008]步驟(2)中，纖維素酶水解所采用的酶為含有纖維素酶活力的酶制劑，酶用量為每克絕干固體物料加入的纖維素酶活力不低于5FPIU，固體物料的酶水解質(zhì)量濃度濃度為不高于20%，酶水解反應(yīng)溫度45~55°C。
[0009]步驟(3)中，全細(xì)胞共催化反應(yīng)過(guò)程通風(fēng)或供氧。
[0010]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，通過(guò)半纖維素糖類的全細(xì)胞共催化生產(chǎn)多糖酸產(chǎn)品，進(jìn)而帶動(dòng)和實(shí)現(xiàn)原料中纖維素、半纖維素的分類高效生物轉(zhuǎn)化與利用，達(dá)到聯(lián)產(chǎn)纖維素燃料乙醇、多種糖酸(鹽)產(chǎn)品的效果；同時(shí)，由于采用了半纖維素預(yù)水解液與酶水解液的分離生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，又緩解了酵母細(xì)胞發(fā)酵酶水解液產(chǎn)乙醇的抑制壓力，有效地提高了原料預(yù)處理液生物轉(zhuǎn)化的底物濃度和產(chǎn)物濃度，并從根本上消除生產(chǎn)過(guò)程中的廢水污染，最終顯著地提高原料中糖類組分的總體利用率及生產(chǎn)體系的整體經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，對(duì)于纖維素燃料乙醇大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)具有十分重要的推動(dòng)作用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的工藝流程示意圖。
[0012]圖2是I L反應(yīng)體系中半纖維素預(yù)水解液多種糖酸全細(xì)胞共催化的反應(yīng)歷程圖；圖中，橫座標(biāo)表示反應(yīng)時(shí)間(d),縱座標(biāo)表示物質(zhì)的濃度(g/L)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0014]以下實(shí)施例中，乙醇濃度測(cè)定采用高效液相色譜法(CN101875953A)，多種糖及糖酸濃度測(cè)定采用高效液相離子交換色譜法(CN102590370A)。
[0015]實(shí)施例1
纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的工藝流程，如圖1所示。具體過(guò)程如下:
將1000g (干基)玉米秸桿原料經(jīng)機(jī)械剪切至3~10cm，轉(zhuǎn)入15L不銹鋼蒸煮釜，加入
0.25~2.0%硫酸，固液比(1:5，w/v)充分浸潰。采用電夾套加熱至15(Tl60°C，反應(yīng)4(T60min后得預(yù)處理物料。采用螺旋壓濾擠壓出預(yù)處理物料得到預(yù)處理液，剩余的固體物料經(jīng)過(guò)磨漿工序被制成漿狀固體物料。
[0016]將漿狀固體物料轉(zhuǎn)入100L機(jī)械攪拌反應(yīng)器，加入熱水調(diào)整漿狀固體物料至10%(質(zhì)量濃度)。開(kāi)啟機(jī)械攪拌器至300r/min，加入35% NaOH中和至pH值4.8。按照每克絕干漿料9 FPIU纖維素酶活力和8.5 IU葡萄糖苷酶的標(biāo)準(zhǔn)加入酶制劑?？刂品磻?yīng)溫度50°C和機(jī)械攪拌速率300r/min，反應(yīng)至8h后添加5%漿狀固體物料；反應(yīng)至16h后再添加5%漿狀固體物料。以高效液相離子色譜監(jiān)測(cè)酶水解液中的葡萄糖濃度并計(jì)算纖維素的酶水解得率。反應(yīng)至60h后，酶水解液中葡萄糖的濃度達(dá)到78.5g/L。
[0017]向夾套中通入冷卻水降低酶水解液的溫度至32°C，按接種量0.6% (質(zhì)量比)接入活化后的運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌，控制機(jī)械攪拌速率為300 r/min。以高效液相離子色譜監(jiān)測(cè)發(fā)酵液中的葡萄糖、乙醇濃度，計(jì)算乙醇得率。發(fā)酵18h得乙醇發(fā)酵醪，其中葡萄糖濃度低于0.5g/L，乙醇濃度達(dá)到37.6g/L，乙醇發(fā)酵得率達(dá)到98.1%。將發(fā)酵醪進(jìn)行常規(guī)乙醇蒸餾得到91.5%乙醇(質(zhì)量濃度)。
[0018]采用減壓蒸發(fā)器，在真空度低于0.1atm和溫度67°C條件下蒸發(fā)濃縮預(yù)處理液，至其木糖濃度不低于100g/L，得濃縮液，檢測(cè)濃縮液中各單糖濃度為:木糖128g/L、阿拉伯糖24.lg/L、葡萄糖15.3g/L、半乳糖12.lg/L和甘露糖6.lg/L。以碳酸鈣中和濃縮液至pH6.0，經(jīng)5000g離心IOmin去除沉淀物獲得上清液。將1000mL上清液加入3L機(jī)械攪拌通風(fēng)生物反應(yīng)器，再加入5g碳酸鈣粉末，接入活化后的莓實(shí)假單孢菌至細(xì)胞濃度1.0g/L (干基)，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min和溫度30°C進(jìn)行全細(xì)胞共催化反應(yīng)，通入92%的純氧并密封反應(yīng)器至內(nèi)壓為0.01-0.02MPa。以高效液相離子交換色譜檢測(cè)反應(yīng)體系中的各種糖和糖酸濃度，至任何一種糖組分的濃度低于lg/L時(shí)結(jié)束反應(yīng)。反應(yīng)3h后可得到多種糖酸鈣產(chǎn)品液。各種糖酸產(chǎn)品的濃度分別為:木糖酸136g/L、阿拉伯糖酸15.2 g/L、葡萄糖酸8.5 g/L、半乳糖酸9.2 g/L和甘露糖酸3.4 g/L。
[0019]玉米秸桿原料中的總糖利用率達(dá)到80%以上，總糖平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上。
[0020]實(shí)施例2
纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的工藝流程，如圖1所示。具體過(guò)程如下:
將1000g(干基)玉米秸桿原料經(jīng)機(jī)械剪切至3~10cm，轉(zhuǎn)入15L不銹鋼蒸煮釜，加入2.0%鹽酸，固液比(1:10，w/v)充分浸潰。采用電夾套加熱至16(Tl70°C，反應(yīng)2(T40min后得預(yù)處理物料。采用螺旋壓濾擠壓出預(yù)處理物料得到預(yù)處理液，剩余的固體物料經(jīng)過(guò)磨漿工序被制成漿狀固體物料。
[0021]將漿狀固體物料轉(zhuǎn)入100L機(jī)械攪拌反應(yīng)器，加入熱水調(diào)整漿狀固體物料至10%(質(zhì)量濃度)。開(kāi)啟機(jī)械攪拌器至300r/min，加入30% NaOH中和至pH值4.8。按照每克絕干漿料10 FPIU纖維素酶活力和8 IU葡萄糖苷酶的標(biāo)準(zhǔn)加入酶制劑?？刂品磻?yīng)溫度50°C和機(jī)械攪拌速率300r/min，反應(yīng)至8h后添加5%漿狀固體物料；反應(yīng)至16h后再添加5%漿狀固體物料。以高效液相離子色譜監(jiān)測(cè)酶水解液中的葡萄糖濃度并計(jì)算纖維素的酶水解得率。反應(yīng)至65h后，酶水解液中葡萄糖的濃度達(dá)到75.2g/L，酶水解得率達(dá)到83.6%。
[0022]向夾套中通入冷卻水降低酶水解液的溫度至32°C，按接種量0.5% (質(zhì)量比)接入活化后的釀酒酵母，控制機(jī)械攪拌速率為300 r/min。以高效液相離子色譜監(jiān)測(cè)發(fā)酵液中的葡萄糖、乙醇濃度，計(jì)算乙醇得率。發(fā)酵18h得乙醇發(fā)酵醪，其中葡萄糖濃度低于0.5g/L，乙醇濃度達(dá)到37.2g/L，乙醇發(fā)酵得率達(dá)到98%。將發(fā)酵醪進(jìn)行常規(guī)乙醇蒸餾得到92%乙醇(質(zhì)量濃度)。
[0023]采用減壓蒸發(fā)器，在真空度低于0.1atm和溫度67°C條件下蒸發(fā)濃縮預(yù)處理液，至其木糖濃度不低于100 g/L，得濃縮液，檢測(cè)濃縮液中各單糖濃度為:木糖131g/L、阿拉伯糖23.9g/L、葡萄糖14.8g/L、半乳糖11.7g/L和甘露糖6.4g/L。以碳酸鈣中和濃縮液至PH6.0,經(jīng)5000g離心IOmin去除沉淀物獲得上清液。將1000mL上清液加入3L機(jī)械攪拌通風(fēng)生物反應(yīng)器，再加入5g碳酸鈣粉末，接入活化后的氧化葡萄糖桿菌至細(xì)胞濃度1.0g/L(干基)，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min和溫度30°C進(jìn)行全細(xì)胞共催化反應(yīng)，通入92%的純氧并密封反應(yīng)器至內(nèi)壓為0.01-0.02MPa。以高效液相離子交換色譜檢測(cè)反應(yīng)體系中的各種糖和糖酸濃度，至任何一種糖組分的濃度低于lg/L時(shí)結(jié)束反應(yīng)。反應(yīng)3h后可得到多種糖酸鈣產(chǎn)品液。各種糖酸產(chǎn)品的濃度分別為:木糖酸139 g/L、阿拉伯糖酸16.7 g/L、葡萄糖酸9.5 g/L、半乳糖酸10.3 g/L和甘露糖酸3.7 g/L。
[0024]具體 結(jié)果如圖2所示，可見(jiàn)，玉米秸桿原料中的總糖利用率達(dá)到80%以上，總糖平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上。
【權(quán)利要求】
1.一種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)植物纖維原料經(jīng)過(guò)稀酸水解預(yù)處理或稀酸蒸汽爆破預(yù)處理，通過(guò)固液分離得到含纖維素的固體物料、含有含木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖的半纖維素預(yù)水解液； (2)固體物料經(jīng)中和、纖維素酶水解得酶水解液，接入釀酒酵母或運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌厭氧發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇； (3)半纖維水解液經(jīng)過(guò)濃縮、中和后，采用氧化葡萄糖桿菌或莓實(shí)假單孢菌在好氧條件下全細(xì)胞共催化轉(zhuǎn)化各單糖生產(chǎn)對(duì)應(yīng)糖酸產(chǎn)品；所述的糖酸產(chǎn)品包括木糖酸、阿拉伯糖酸、葡萄糖酸、甘露糖酸、半乳糖酸、木糖酸鹽、阿拉伯糖酸鹽、葡萄糖酸鹽、甘露糖酸鹽和半乳糖酸鹽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，其特征在于:步驟Cl)中，稀酸為硫酸、鹽酸或磷酸，質(zhì)量濃度0.25^2.0%，預(yù)處理反應(yīng)溫度15(Tl70°C，物料的反應(yīng)時(shí)間為2(T60min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，其特征在于:步驟(2)中，中和反應(yīng)所使用的試劑為含有鈣、鉀、鈉的堿性物質(zhì)，中和后的pH4.5^5.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，其特征在于:步驟(2)中，纖維素酶水解所采用的酶為含有纖維素酶活力的酶制劑，酶用量為每克絕干固體物料加入的纖維素酶活力不低于5FPIU，固體物料的酶水解質(zhì)量濃度濃度為不高于20%，酶水解反應(yīng)溫度45~55°C。`
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種纖維素燃料乙醇聯(lián)產(chǎn)多種糖酸的方法，其特征在于:步驟(3)中，全細(xì)胞共催化反應(yīng)過(guò)程通風(fēng)或供氧。
【文檔編號(hào)】C12R1/38GK103627735SQ201310614127
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】徐勇, 王滎, 周鑫, 李振榮, 麻藝聰, 朱均均, 勇強(qiáng), 余世袁, 陳牧 申請(qǐng)人:南京林業(yè)大學(xué)