溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸稈制乙醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸稈制乙醇的方法，包括以下步驟：用溶劑溶解處理秸稈，通入二氧化碳，加入酶溶解，在溶劑體系中高效原位酶解秸稈，降解秸稈成為糖，調(diào)節(jié)pH加入微生物原位發(fā)酵轉(zhuǎn)化糖制備乙醇。提取乙醇后，加入鹽制成雙水相體系，二氧化碳可促進溶劑的回收，秸稈溶劑回收率可達99.5%。本方法可以綠色高效地轉(zhuǎn)化秸稈制備生物乙醇，而且溶劑、酶和微生物幾乎可以完全回收再利用，整個體系幾乎不產(chǎn)生廢物，成本低，適于大規(guī)模應用。
【專利說明】溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸稈制乙醇的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，特別涉及混合物溶液中離子液體的回收與純化同步進行的方法。
【背景技術】
[0002]由于纖維素不溶于普通溶劑，因此它的溶劑和溶解方法在纖維素工業(yè)和基礎研究中都是十分重要的課題。纖維素的溶劑可以直接溶解纖維素，達到預處理的目的，可以最大限度地保留天然纖維素的特性。人們長期以來希望能將纖維素直接溶解在普通溶劑中變成透明溶液，然后加工成絲、膜、填料、無紡布等各種產(chǎn)品。纖維素溶劑分為非衍生化溶劑和衍生化溶劑，也可將其分為水相溶劑和非水相溶劑。目前研究得較多的纖維素溶劑主要有銅氨溶液、甲基嗎啉-氧化物(NMMO)溶劑體系等。纖維素在溶解過程中發(fā)生衍生化反應的稱為衍生化溶劑(CS2/NaOH/水、N2O4/二甲基甲酰胺、多聚甲醛/ 二甲亞砜等)，而在溶解過程中沒有形成衍生物的稱為非衍生化溶劑(胺氧化物體系、LiOH/ 二甲基乙酰胺、液氨/NH4SCN、離子液體、過渡金屬絡合物水溶液、堿水溶液體系等)。
[0003]傳統(tǒng)的纖維素溶劑體系主要有銅氨法、黏膠法和醋酸法。銅氨溶液對纖維素的溶解能力很強，其 溶解機理被認為是形成纖維素醇化物或是分子化合物，其溶解度主要取決于纖維素的聚合度、溫度以及金屬絡合物的濃度，目前銅氨溶劑主要用于纖維素聚合度的測試。黏膠法是一個包含化學反應的復雜過程，其溶解機理是首先將纖維素用強堿處理生成堿纖維素，再與二硫化碳反應得到纖維素磺酸鈉，然后溶解于NaOH中，在紡絲溶液擠出的同時，中間化合物重新轉(zhuǎn)化為纖維素。黏膠法對空氣和水造成污染，使生態(tài)環(huán)境遭到破壞，而且操作費用昂貴。因此，黏膠的制造在過去的幾年中已大量減少，特別是在發(fā)達國家。1864年，P.Schutzenberger在實驗室使用醋酸酐進行纖維素的乙酰化，得到了初級纖維素醋酸酯，即三醋酸酯，從而開辟了生產(chǎn)醋酸纖維的途徑，它可用于制造紡織品、煙用濾嘴、片基、塑料制品等，且服用性能優(yōu)良，生產(chǎn)過程無污染。缺點是制品的強力低，耐用性能差，所以它的應用前景受到一定限制。傳統(tǒng)的溶劑體系在生產(chǎn)過程中由于二硫化碳和氨的存在，造成環(huán)境污染，環(huán)保問題無法解決，使其進一步的發(fā)展受到限制，有的已被淘汰。為了擴寬纖維素的應用，現(xiàn)在已有大量新的溶劑體系出現(xiàn)。因此人們尋求新型的纖維素溶劑體系。
[0004]近年來開始應用于纖維素材料的開發(fā)中，取得了初步研究進展。纖維素是地球上含量最多的天然有機物，全球每年的產(chǎn)量為1000-1500億噸，秸桿等天然纖維素材料這樣豐富的可再生資源備受人們關注。然而天然生物質(zhì)材料在制備燃料過程中存在一種主要困難，天然纖維素中存在著較高的結晶度和分子間與分子內(nèi)存在大量的氫鍵，導致其不溶于普通溶劑，這已成為纖維素材料應用的最大障礙之一。因此目前人們正在尋找新型綠色的纖維素材料的溶劑，以期破壞纖維素材料的緊密結構達到高效利用天然纖維素材料的目的。離子液體是綠色的溶劑，而且離子液體處理過的纖維素材料易于酶解，因此離子液體預處理纖維素材料的研究成為目前的研究熱點。近3年來人們開發(fā)了離子液體體系中纖維素酶原位酶解技術。離子液體體系中纖維素酶原位酶解技術的應用首先采用離子液體預處理纖維素材料，然后不分離離子液體，將纖維素酶加入離子液體/纖維素體系中進行原位酶解。原位酶解技術減少了工藝步驟，避免了纖維素原料在操作過程中的損失，這項技術以天然植物纖維中生物量全利用為目的，是對預處理技術的深化和提升。
[0005]隨著能夠溶解纖維素的離子液體的發(fā)現(xiàn)，人們開始致力于離子液體處理纖維素和纖維素酶在離子液體中降解纖維素的研究。雖然有一些酶可以在離子液體介質(zhì)中進行催化反應，但是離子液體會抑制纖維素酶的活性，離子液體中的離子會破壞纖維素酶的氫鍵使纖維素酶失活，因此還未開發(fā)出溶劑處理、酶解和發(fā)酵耦合的體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]解決的技術問題:針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，建立纖維素溶劑處理、酶解和發(fā)酵耦合的反應體系O
[0007]技術方案:本發(fā)明提供的溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，包括以下制備步驟:(I)離子液體溶解處理秸桿:利用離子液體在25_150°C條件下溶解秸桿，離子液體和秸桿的比為10-12:1，攪拌均勻，保溫20min ;調(diào)節(jié)溫度至40_50°C，通入CO2, CO2的摩爾終濃度達到離子液體的10-30%，得到溶解液；(2) 二氧化碳輔助酶解:在溶解液中加入水使離子 液體的終濃度為10-40% (w/w)，再加入纖維素酶12500-70000FPU，混勻攪拌，酶解，得到酶解液；(3)微氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇:酶解之后，調(diào)節(jié)pH至4.0-6.0，在酶解液中按照2-3% (v/v)加入酵母，停止通CO2，發(fā)酵得到酒精。
[0008]所述離子液體為具有纖維素溶解功能的離子液體；所述CO2的通入方式為鼓泡通入；所述酵母為可產(chǎn)酒精的酵母。
[0009]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是:①建立了纖維素溶劑處理、酶解和發(fā)酵耦合的反應體系，在該體系中可以將秸桿高效轉(zhuǎn)化成生物燃料，有利于大規(guī)模應用，適于工業(yè)化生產(chǎn)。②該體系可以回收并且重復利用，不產(chǎn)生有害廢棄物，過程綠色環(huán)保。③通入的二氧化碳有利于形成氣泡，對于溶劑和酶有一定的分隔作用，有利于保持酶的活性不受溶劑破壞，有利于微氧條件發(fā)酵產(chǎn)乙醇，有利于溶劑的回收。
【具體實施方式】
[0010]下面通過實施例的方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍并不局限于下述實施例。
[0011]實施例1
[EMIM] DEP中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇
O離子液體溶解處理秸桿:利用300g離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二乙基磷酸鹽([EMIMJDEP)在130°C條件下溶解30g玉米秸桿，磁力攪拌均勻，保溫20min。降溫至50°C，鼓泡通入C02，CO2的摩爾終濃度達離子液體[EMM]DEP的12%，得到溶解液。
[0012]2) 二氧化碳輔助酶解:在溶解液中加入670g水使離子液體[EMM]DEP的終濃度為30% (w/w)，再加入纖維素酶12500FPU，混勻攪拌，50°C保溫酶解，得到酶解液。
[0013]3)微氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇:酶解之后，調(diào)節(jié)pH至4.5，在酶解液中按照2% (v/v)接種加入釀酒酵母，停止通CO2，密封發(fā)酵36h得到酒精，產(chǎn)量可達3.6g。
[0014]4)各組分回收:發(fā)酵結束后，加入硫酸銨，構建成雙水相體系，體系中存在的二氧化碳可促使離子液體和水相分相，回收離子液體、纖維素酶和酵母，離子液體的回收率可達99.5%。獲得的離子液體可繼續(xù)用于纖維素的預處理，同時離子液體與酶和酵母的分離，有利于酶和酵母的回收。 [0015]實施例2
[EMIMjAc中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇
O離子液體溶解處理秸桿:利用600g離子液體1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([EMM]Ac)在120°C條件下處理50g甘蔗秸桿，磁力攪拌均勻，保溫20min。降溫至40°C，鼓泡通入CO2, CO2摩爾終濃度達離子液體[EMM] Ac的18%，得到溶解液。
[0016]2) 二氧化碳輔助酶解:在溶解液中加入5kg水使離子液體[EMM]Ac的終濃度為
10.62% (w/w),再加入70000FPU纖維素酶，混勻攪拌，50°C保溫酶解。
[0017]3)微氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇:酶解之后，調(diào)節(jié)pH至5.0，在酶解液中加入按照3% (v/v)接種休哈塔假絲酵母，停止CO2，密封發(fā)酵24h得到酒精，產(chǎn)量可達6g。
[0018]4)各組分回收:發(fā)酵結束后，加入硫酸銨，構建成雙水相體系，體系中存在的二氧化碳可促使離子液體和水相分相，回收離子液體、纖維素酶和酵母，離子液體的回收率可達99.2%。獲得的離子液體可繼續(xù)用于纖維素的預處理，同時離子液體與酶和酵母的分離，有利于酶和酵母的回收。
【權利要求】
1.一種溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，其特征在于包括以下制備步驟:(1)離子液體溶解處理秸桿:利用離子液體在25-150°C條件下溶解秸桿，離子液體和秸桿的比為10-12:1，攪拌均勻，保溫20min ;調(diào)節(jié)溫度至40_50°C，通入C02，CO2的摩爾終濃度達到離子液體的10-30%，得到溶解液；(2)二氧化碳輔助酶解:在溶解液中加入水使離子液體的終濃度為10-40% (w/w)，再加入纖維素酶12500-70000FPU，混勻攪拌，酶解，得到酶解液；(3)微氧發(fā)酵產(chǎn)乙醇:酶解之后，調(diào)節(jié)pH至4.0-6.0，在酶解液中按照2-3%(v/v)加入酵母，停止通CO2，發(fā)酵得到酒精。
2.根據(jù)權利要求1所述的溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，其特征在于所述離子液體為具有纖維素溶解功能的離子液體。
3.根據(jù)權利要求1所述的溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，其特征在于所述CO2的通入方式為鼓泡通入。
4.根據(jù)權利 要求1所述的溶劑中二氧化碳輔助酶解與發(fā)酵耦合轉(zhuǎn)化秸桿制乙醇的方法，其特征在于所述酵母為可產(chǎn)酒精的酵母。
【文檔編號】C12P7/10GK103966269SQ201410180418
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】李斌, 李強, 馮圓圓, 季更生, 屠潔, 李天程, 趙翔 申請人:江蘇科技大學