一種木質(zhì)纖維素連續(xù)酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物質(zhì)能源領(lǐng)域，具體涉及一種木質(zhì)纖維素連續(xù)酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界人口增長和各國工業(yè)化程度提高，能源消耗持續(xù)上升。石油是滿足能源需求的主要資源，但是石油資源是有限的，科學(xué)家預(yù)測到2050年原油產(chǎn)量將由2009年的258億桶(35.25億噸)下降到50億桶。生物能源作為一種可再生的交通運輸燃料，能夠有效的降低室溫效應(yīng)，減緩環(huán)境污染，同時改變現(xiàn)有不平等的石油供求關(guān)系，保持持續(xù)供應(yīng)，比礦質(zhì)燃料具有明顯優(yōu)勢。與生物柴油等其它生物能源相比，燃料乙醇的生產(chǎn)已經(jīng)具有了相當(dāng)規(guī)模(2002年全球大約1700萬噸)，主要以含糖物質(zhì)為原料通過發(fā)酵法生產(chǎn)。在汽油中摻入10%的無水乙醇(ElO)不僅可以緩解能源壓力，還能提高辛烷值，改善尾氣排放質(zhì)量。在美國和巴西，燃料乙醇作為石油替代品已經(jīng)廣泛用作交通燃料。
[0003]我國政府十分重視能源多元化和環(huán)境污染問題，采取財政補貼和稅收減免等鼓勵措施，大力推進多元化替代石油能源的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)開發(fā)?！犊稍偕茉捶ā泛汀秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的出臺，極大地推進了生物柴油和燃料乙醇等生物液體燃料的開發(fā)進程。我國規(guī)劃到2020年，生物燃料消費量占到全部交通燃料的15%左右，建立起具有國際競爭力的生物燃料產(chǎn)業(yè)，這給我國燃料乙醇產(chǎn)業(yè)帶來了良好的發(fā)展機遇。目前我國乙醇汽油已經(jīng)覆蓋全國9個省市，現(xiàn)有燃料乙醇產(chǎn)能152萬噸，2010年實際生產(chǎn)燃料乙醇180萬噸以上，以玉米和小麥為主要原料。我國人多地少，耕地資源緊缺，糧食供應(yīng)緊張，以玉米、小麥為原料生產(chǎn)燃料乙醇將威脅到國家的糧食安全，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品價格上漲等連鎖反應(yīng)，所以我國嚴(yán)格控制以糧食為原料的燃料乙醇新建和擴能項目。
[0004]相對于糖類和淀粉作物而言，木質(zhì)纖維素屬于非糧原料，而且資源豐富。它可以來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，如麥草、玉米秸桿、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；工業(yè)廢棄物，如制漿和造紙廠的纖維渣、鋸末等；林業(yè)廢棄物；城市廢棄物，如廢紙、包裝紙等。據(jù)估計木質(zhì)纖維素原料占世界生物量100億-500億噸的50%，我國就農(nóng)作物秸桿每年產(chǎn)量即可達7億噸，大量被廢棄而未加利用的纖維物(小枝、樹皮、樹葉、屑和廢紙等)約有五億噸/每年，只用其中的I億噸也要年產(chǎn)2000萬噸的燃料乙醇。由此可見，開發(fā)木質(zhì)纖維素生產(chǎn)乙醇的新工藝具有很好的前景。
[0005]纖維素酶水解過程中纖維素酶的成本、乙醇蒸餾過程的能耗，以及酶解工藝的連續(xù)性一直是纖維乙醇工業(yè)化的制約因素。CN200810189465.0公開了一種纖維素乙醇的生產(chǎn)方法，其中包括如下步驟:(I)將含有纖維素和/或半纖維素原料的培養(yǎng)基加入到發(fā)酵反應(yīng)釜中；(2)向發(fā)酵反應(yīng)釜中加入纖維素酶，并接種葡萄牙假絲酵母；(3)在纖維素酶和葡萄牙假絲酵母的共同作用下進行同步糖化發(fā)酵，分離得到纖維素乙醇。CN200810101314.5公開了一種含纖維素的原料制備乙醇的方法，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破的產(chǎn)物與酶混合、酶解；發(fā)酵酶解得到的產(chǎn)物。為了降低纖維素酶成本，對酶解發(fā)酵液中的纖維素酶進行回收再利用是較好的方法。CN200910212693公開了一種木質(zhì)纖維原料酶水解的方法，用經(jīng)過預(yù)處理的木質(zhì)纖維作原料，采用分段進行酶解和超濾回用纖維素酶和β_葡萄糖苷酶。但是，利用超濾膜回收纖維素酶成本高，操作過程繁瑣。
[0006]間隙酶解工藝能夠用于生產(chǎn)，但其酶解效率低下，只能進行低干物濃度水解，水解糖濃度偏低，造成最終乙醇濃度低，影響后續(xù)蒸餾能耗，而且還有設(shè)備利用率低、占地面積大、總電機攪拌功率大等弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種木質(zhì)纖維素連續(xù)酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法。本發(fā)明方法可以實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，提高了酶的活性和利用率，提高了發(fā)酵產(chǎn)物得率，在保證酶得以回用的同時，降低了酶解和發(fā)酵成本。
[0008]本發(fā)明木質(zhì)纖維素連續(xù)酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇的方法，包括如下內(nèi)容:
(1)對木質(zhì)纖維素原料進行預(yù)處理，獲得預(yù)處理原料；
(2)將預(yù)處理原料、纖維素酶和水連續(xù)加入到酶解罐中進行預(yù)酶解，控制酶解體系干物質(zhì)濃度為18wt%_36wt% ；
(3)預(yù)酶解后料液連續(xù)進入到發(fā)酵罐中，加入耐溫釀酒酵母進行同步糖化發(fā)酵；
(4)發(fā)酵后的醪液在管道混合器中與非離子表面活性劑充分混合，然后進入沉降罐；
(5)經(jīng)過沉降罐沉降后的下部濃縮混合液進入產(chǎn)品分離單元，上清液循環(huán)回酶解罐中重新參與酶解反應(yīng)。
[0009]本發(fā)明方法中，進一步地步驟(3)所述同步糖化發(fā)酵后的醪液首先進行細(xì)胞破碎處理，如可以采用高速攪拌珠研磨破碎法、高壓勻漿破碎法、超波聲破碎法和酶溶破碎法等，優(yōu)選采用酶溶破碎法:如可以采用蝸牛酶和/或溶菌酶，蝸牛酶和/或溶菌酶以連續(xù)流加的方式加入，控制蝸牛酶的加入量為l_2mg/g干物質(zhì)，溶菌酶的加入量為0.2-1.0mg/g干物質(zhì)。經(jīng)過細(xì)胞破碎處理的料液在管道混合器中與非離子表面活性劑混合，然后進入沉降
幾降。
[0010]本發(fā)明步驟(I)中的木質(zhì)纖維素原料包括一切含纖維素的生物質(zhì)原料，如秸桿、木屑、能源植物(如柳枝稷)和廢紙等，優(yōu)選為玉米秸桿。所述預(yù)處理方式可以采用一切可提高木質(zhì)纖維素酶解性能的物理、化學(xué)和熱化學(xué)技術(shù)，包括機械粉碎、輻射、微波、酸處理、堿處理、蒸汽爆破預(yù)處理和溶劑預(yù)處理，或上述方法的組合預(yù)處理等，優(yōu)選采用稀酸蒸汽爆破組合預(yù)處理。
[0011 ] 步驟(2 )中，控制酶解料液的停留時間為8_96h，優(yōu)選8_24h。根據(jù)酶解罐有效體積的大小，控制預(yù)處理原料和水的加入速率，使酶解體系的干物質(zhì)濃度(可溶性固體和不可溶性固體質(zhì)量之和與體系總質(zhì)量的百分比，下同)為20wt%_30wt%。所述的纖維素酶采用一切可水解木質(zhì)纖維素組分的酶蛋白或酶蛋白混合物，可在工廠在線生產(chǎn)纖維素酶，也可采用市售商品纖維素酶，如諾維信酶或者澤生酶。控制纖維素酶的加入量使得纖維素酶與預(yù)處理原料中纖維素的比例為5-25IU/g纖維素。控制預(yù)酶解的pH為4.5-5.5，優(yōu)選為4.8-5.2 ；溫度為45-55°C，優(yōu)選為48-52°C。
[0012]步驟(3)中的同步糖化發(fā)酵是指預(yù)酶解后殘余纖維素在發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)乙醇或其它產(chǎn)物的同時繼續(xù)被水解的過程。所述的耐溫釀酒酵母采用目前已知的可利用木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵產(chǎn)乙醇或其它產(chǎn)物的菌株，優(yōu)選使用可耐受36-42°C的耐溫釀酒酵母，更優(yōu)選使用CN200910204295.3 中所述的耐溫釀酒酵母菌 iSaccharomyces cerevisiae )FE_B,該菌株的保藏號為CGMCC N0.2735。采用本領(lǐng)域常規(guī)的培養(yǎng)方式制備發(fā)酵菌種子液，種子液的接種量為lv%-5v%。本發(fā)明中，酶解后不需要調(diào)節(jié)pH，直接進行同步糖化發(fā)酵，控制發(fā)酵溫度為35-42°C，發(fā)酵停留時間為12-72h。同步糖化發(fā)酵體系中加入的氮源可選自酵母膏、蛋白胨、玉米漿、硫酸銨或尿素等中的一種或幾種，優(yōu)選尿素，加入量為體系總質(zhì)量的0.02 wt%-0.2wt%。
[0013]步驟(4)所述的非離子表面活性劑為Tween20、Tween80、PEG和SDS等中的一種或幾種，優(yōu)選為TWeen80或PEG，控制非離子表面活性劑的加入量為2_20mg/g干物質(zhì)。將發(fā)酵醪液首先與非離子表面活性劑在管道混合器中按比例混合，然后進入沉降罐沉降，由于木質(zhì)素與非離子表面活性劑的結(jié)合有助于發(fā)酵醪液中吸附在固體表面的纖維素酶脫附到液體中，增加纖維素酶在液相中的含量，并且隨著上清液循環(huán)回到酶解罐中重新參與酶解反應(yīng)，從而提高纖維素酶回用量。
[0014]在纖維乙醇發(fā)酵醪液中，纖維素酶同時存在于固液兩相中，無論后續(xù)采用何種方式對產(chǎn)品進行分離提純，都會造成纖維素酶一定程度上的流失和失活。為了實現(xiàn)酶的部分回用，發(fā)酵醪液通常采用以下3種方式循環(huán):①發(fā)酵液直接部分循環(huán)回用發(fā)酵液經(jīng)過固液分離后，液相循環(huán)回用；③發(fā)酵液經(jīng)過固液分離后，固相循環(huán)回用。但是，發(fā)酵醪液中的固體殘渣顆粒在幾十個微米以下，大部分僅幾個微米，固液分離非常困難，一般采用板框過濾加離心結(jié)合，但是能耗較大；如果直接進行自然沉降，處理周期較長，效果不佳，酶不能有效回用。本發(fā)明將發(fā)酵醪液與非離子表面活性劑混合，然后進入沉降罐沉降，控制沉降罐的溫度為35-55°C，停留時間為0-72 h。