一種纖維素乙醇的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生物工程領(lǐng)域和化工領(lǐng)域，特別涉及一種纖維素乙醇的制備方法。該制備方法包括：在木質(zhì)纖維素原料酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14～18小時(shí)后，調(diào)節(jié)pH值至5.0～5.05，繼續(xù)發(fā)酵30～34小時(shí)，獲得纖維素乙醇。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本，還可大大降低副產(chǎn)物甘油濃度和耗堿量，緩解了全程調(diào)控pH值酸堿消耗的高成本壓力，降低了由于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度對(duì)后序污水處理的高負(fù)荷影響，且發(fā)酵過程僅調(diào)控一次pH值，生產(chǎn)操作簡(jiǎn)潔化。
【專利說(shuō)明】一種纖維素乙醇的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物工程領(lǐng)域和化工領(lǐng)域，特別涉及一種纖維素乙醇的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油資源的逐漸枯竭和環(huán)境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源技術(shù)已成 為許多國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，以減少對(duì)化石能源的依賴和溫室氣體的排放。 纖維素乙醇技術(shù)，是一種高端的清潔能源技術(shù)，因?yàn)樗梢员挥脕?lái)替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技 術(shù)，利用地球上廣泛存在的纖維素生物原料生產(chǎn)清潔的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。一 直以來(lái)，將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇是科學(xué)家們面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。
[0003] 纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中，是地球上最豐富的分子。纖維素生物質(zhì) 是由纖維素（30%?50% )、半纖維素（20%?40% )和木質(zhì)素（15%?30% )組成的復(fù)雜 材料，纖維質(zhì)生物質(zhì)中的糖以纖維素和半纖維素的形式存在。纖維素和半纖維素能被水解 為單糖，單糖再發(fā)酵生成乙醇。
[0004] 纖維素的性質(zhì)很穩(wěn)定，只有在催化劑存在下，纖維素的水解反應(yīng)才能顯著地進(jìn)行。 常用的催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，由此分別形成了酸水解和酶水解工藝，其中的酸水解 又可分為濃酸水解工藝和稀酸水解工藝。纖維素經(jīng)水解可生成葡萄糖，易于發(fā)酵成乙醇。
[0005] 半纖維素是由不同多聚糖構(gòu)成的混合物，聚合度較低，也無(wú)晶體結(jié)構(gòu)，故較易水 解。半纖維素水解產(chǎn)物主要是木糖，還包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖，含量 因原料不同而不同。普通酵母不能將木糖發(fā)酵成乙醇，因此五碳糖的發(fā)酵成為研究的熱點(diǎn)。 Terranol開發(fā)的C5酵母菌具備同時(shí)發(fā)酵相對(duì)易于獲取的C6糖（葡萄糖）與難以利用的 C5糖（木糖和阿拉伯糖）能力，是生產(chǎn)纖維素乙醇不可或缺的必要成分。
[0006] 目前，利用C5酵母菌生產(chǎn)纖維素乙醇發(fā)酵過程中，pH值控制方式有兩種：一種是 全程自然，另外一種是全程控制PH值在5. 0。前者的木糖利用率低，殘?zhí)沁^高，總糖醇轉(zhuǎn)化 率低；后者發(fā)酵副產(chǎn)物產(chǎn)量高，總糖醇轉(zhuǎn)化率無(wú)明顯增幅，而且調(diào)節(jié)PH值消耗的堿量升高； 以上兩種方式均會(huì)提升后續(xù)污水處理的難度。因此，提供一種既能提高原料利用率、又能減 少對(duì)后序污水處理環(huán)節(jié)的壓力的纖維素乙醇發(fā)酵工藝，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種纖維素乙醇的制備方法。該制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相 t匕，可大大提高乙醇的得率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本，還可大 大降低副產(chǎn)物甘油濃度和耗堿量，緩解了全程調(diào)控PH值酸堿消耗的高成本壓力，降低了由 于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度對(duì)后序污水處理的高負(fù)荷影響，且發(fā)酵過程僅調(diào)控一次PH 值，生產(chǎn)操作簡(jiǎn)潔化。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
[0009] 本發(fā)明提供了一種纖維素乙醇的制備方法，包括如下步驟：
[0010] 在木質(zhì)纖維素原料酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14?18小時(shí)后，調(diào)節(jié)pH值至 5. O?5. 05,繼續(xù)發(fā)酵30?34小時(shí)，獲得纖維素乙醇。
[0011] 在本發(fā)明中，研究發(fā)現(xiàn)纖維素乙醇發(fā)酵過程中，前14小時(shí)菌株主要利用葡萄糖進(jìn) 行代謝，這個(gè)過程發(fā)酵速度快，PH值降低幅度大，在這過程中pH值控制在4. 5左右，葡萄糖 利用率最高，副產(chǎn)物的產(chǎn)量最少（主要是甘油）；18小時(shí)之后葡萄糖已經(jīng)完全消耗，菌株主 要利用木糖代謝，這個(gè)過程發(fā)酵速度慢，PH值無(wú)明顯變化，此階段pH值控制在5. 0?5. 05， 木糖利用率最1?。
[0012] 木質(zhì)纖維素原料經(jīng)預(yù)處理、酶解后獲得的酶解液，葡萄糖濃度8. 5g/100mL，木糖濃 度3. 0g/100mL，水解液的pH值在4. 9?5. 0之間，8%?10%接種后pH值會(huì)彡4. 9,0?6 小時(shí)酵母大量繁殖的過程PH值迅速下降至4. 7,葡萄糖主發(fā)酵期pH值會(huì)自然穩(wěn)定在4. 5? 4. 6之間，因此這個(gè)階段無(wú)需調(diào)控pH值。
[0013] 18小時(shí)之后需將pH值調(diào)至5. 0?5. 05以保證木糖利用率最大化，由于木糖濃度 低，發(fā)酵速度慢，這個(gè)階段的PH值穩(wěn)定的維持在4. 9?5.0,調(diào)控pH值木糖利用率也無(wú)明顯 變化，因此在將pH值調(diào)至5. 0后，后續(xù)發(fā)酵過程不再繼續(xù)調(diào)控pH值，防止調(diào)控過程pH值上 下波動(dòng)，增加酸堿的消耗。
[0014] 因此，以高原料利用率、低輔料消耗的原則，在發(fā)酵14?18小時(shí)調(diào)控一次pH值， 就可達(dá)到最優(yōu)的PH調(diào)控目標(biāo)，既可以提高乙醇的得率，降低副產(chǎn)物的產(chǎn)出，又能緩解全程 調(diào)控PH值酸堿消耗的高成本壓力，還可降低由于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度對(duì)后序污水 處理的高負(fù)荷影響，同時(shí)提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本，發(fā)酵過程僅調(diào)控一次PH值， 生產(chǎn)操作簡(jiǎn)潔化。
[0015] 為了達(dá)到C5酵母菌分解木糖的最佳pH值，作為優(yōu)選，發(fā)酵16小時(shí)后，調(diào)節(jié)pH值 至5. 0。pH值過高容易染菌，pH值過低影響微生物酶活性。
[0016] 在纖維素乙醇的制備過程中，酶解階段已為發(fā)酵階段的酵母生長(zhǎng)繁殖提供氮源， 如果在發(fā)酵過程中繼續(xù)用氨水調(diào)節(jié)PH值勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致廢水氨氮含量升高，增加污水處理難 度，同時(shí)氨水由于揮發(fā)性的問題會(huì)傷害員工，且20%氨水調(diào)pH值會(huì)一定程度降低發(fā)酵干 物，提高蒸餾能耗。作為優(yōu)選，調(diào)節(jié)PH值采用的試劑為氫氧化鈉。
[0017] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，氫氧化鈉為液體氫氧化鈉或固體氫氧化鈉。
[0018] 為了達(dá)到C5酵母菌分解木糖的最佳溫度，在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，發(fā)酵的 溫度為30°C。
[0019] 木質(zhì)纖維素原料包括所有以纖維素或半纖維素為有效利用成份的原料。在本發(fā)明 提供的一些實(shí)施例中，木質(zhì)纖維素原料為麥桿、稻桿、玉米秸桿或木材下腳料中的一種或兩 者以上的混合物。
[0020] 作為優(yōu)選，C5酵母菌與木質(zhì)纖維素原料酶解液的質(zhì)量比為8%?10%。
[0021] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，C5酵母菌的菌活為85%?100%。
[0022] 作為優(yōu)選，C5酵母菌的菌活為85%?95%。
[0023] 優(yōu)選地，C5酵母菌的菌活為95%。
[0024] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，木質(zhì)纖維素原料酶解液的制備方法具體為：將木 質(zhì)纖維素原料預(yù)處理、酶解，獲得木質(zhì)纖維素原料酶解液。
[0025] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，酶解具體為：取預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料與纖 維素酶混合，調(diào)節(jié)pH值至4. 95?5. 05。
[0026] 在纖維素乙醇的制備過程中，酶解階段需要為發(fā)酵階段的酵母生長(zhǎng)繁殖提供氮 源。作為優(yōu)選，酶解步驟中調(diào)節(jié)PH值采用的試劑為氨水。采用氨水調(diào)節(jié)pH值可降低輔料 成本，緩沖了 PH調(diào)控過程中的上下波動(dòng)幅度，保證了酶水解的高效運(yùn)行，節(jié)省了其他類氮 源輔料的添加，同時(shí)還減弱了污水處理過程中氨氮類指標(biāo)的高負(fù)荷影響。酶水解工序如果 用氫氧化鈉調(diào)節(jié)，發(fā)酵過程需要額外添加氮源，輔料消耗增加，污水處理難度增加。
[0027] 在本發(fā)明提供的一些實(shí)施例中，預(yù)處理為采用蒸汽爆破法、氨纖爆破法、二氧化碳 爆破法、濕氧化法、過氧化物法或二氧化硫法進(jìn)行處理。
[0028] 作為優(yōu)選，預(yù)處理為采用蒸汽爆破法進(jìn)行處理。
[0029] 本發(fā)明提供了一種纖維素乙醇的制備方法。該制備方法包括：在木質(zhì)纖維素原料 酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14?18小時(shí)后，調(diào)節(jié)pH值至5. 0?5. 05,繼續(xù)發(fā)酵32? 34小時(shí)，獲得纖維素乙醇。本發(fā)明至少具有如下優(yōu)勢(shì)之一：
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法可大大提高乙醇的得 率，降低原料的用量，提高了原料利用率，降低了生產(chǎn)成本；
[0031] 采用本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法可大大降低副產(chǎn)物甘油濃度和耗堿量， 緩解了全程調(diào)控pH值酸堿消耗的高成本壓力，還可降低由于殘?zhí)?、副產(chǎn)物過多和高鹽濃度 對(duì)后序污水處理的1?負(fù)荷影響；
[0032] 采用本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法，發(fā)酵過程僅調(diào)控一次pH值，生產(chǎn)操作 簡(jiǎn)潔化。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 本發(fā)明公開了 一種纖維素乙醇的制備方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以借鑒本文內(nèi)容， 適當(dāng)改進(jìn)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)。特別需要指出的是，所有類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái) 說(shuō)是顯而易見的，它們都被視為包括在本發(fā)明。本發(fā)明的方法及應(yīng)用已經(jīng)通過較佳實(shí)施例 進(jìn)行了描述，相關(guān)人員明顯能在不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和應(yīng) 用進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)。
[0034] 本發(fā)明提供的纖維素乙醇的制備方法中所用原料藥或輔料均可由市場(chǎng)購(gòu)得。C5酵 母菌購(gòu)自美國(guó)綠色科技公司（Green Tech America，Inc)。
[0035] 下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明：
[0036] 實(shí)施例1纖維素乙醇的制備
[0037] 取IOOOkg木質(zhì)纖維素原料玉米秸桿，經(jīng)蒸汽爆破法，制得的含水物料輸送到酶水 解反應(yīng)器中，采用工業(yè)氨水噴淋混合，調(diào)節(jié)pH值至5. 0,加入19. 2kg纖維素酶，水解72h，獲 得酶解液。
[0038] 在上述制得的酶解液中加入C5酵母菌，C5酵母菌的菌活為95%，加入量為8%酶 解液的量，在30°C的條件下發(fā)酵16小時(shí)后，加入氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至5. 0,繼續(xù)發(fā)酵32小 時(shí)，獲得纖維素乙醇。
[0039] 計(jì)算纖維素乙醇的得率、耗堿量、原料單耗，并測(cè)定副產(chǎn)物甘油的濃度，計(jì)算公式 如下：
[0040] 纖維素乙醇得率（％) = (C1-C0)A). 511*((：葡+(：木）
[0041] 其中，C1為發(fā)酵結(jié)束乙醇濃度，Ctl為發(fā)酵開始乙醇濃度，C flJ為發(fā)酵開始葡萄糖濃 度，Cf為發(fā)酵開始木糖濃度。
[0042] 耗堿量=堿（kg) /乙醇⑴；
[0043] 原料單耗=原料（t)/乙醇（t)。
[0044] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
[0045] 表1纖維素乙醇的得率等測(cè)定結(jié)果
[0046]
[0047] 實(shí)施例2纖維素乙醇的制備

【權(quán)利要求】
1. 一種纖維素乙醇的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 在木質(zhì)纖維素原料酶解液中加入C5酵母菌，發(fā)酵14?18小時(shí)后，調(diào)節(jié)pH值至5. 0? 5. 05,繼續(xù)發(fā)酵30?34小時(shí)，獲得纖維素乙醇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)pH值至5. 0。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)pH值采用的試劑為氫氧化 鈉。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述發(fā)酵的溫度為30°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述木質(zhì)纖維素原料為麥桿、稻桿、 玉米秸桿或木材下腳料中的一種或兩者以上的混合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述C5酵母菌與所述木質(zhì)纖維素原 料酶解液的質(zhì)量比為8%?10%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述C5酵母菌的菌活為85%? 100%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述木質(zhì)纖維素原料酶解液的制備 方法具體為：將木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理、酶解，獲得木質(zhì)纖維素原料酶解液。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述酶解具體為：取預(yù)處理后的木質(zhì) 纖維素原料與纖維素酶混合，調(diào)節(jié)pH值至4. 95?5. 05。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述酶解步驟中調(diào)節(jié)pH值采用的試 劑為氨水。
【文檔編號(hào)】C12P7/10GK104388473SQ201410765651
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】張寧, 李春玲, 孫巖, 袁敬偉, 楊宇平, 李 杰, 李凡, 沈乃東, 岳國(guó)君, 林海龍 申請(qǐng)人:中糧生化能源（肇東）有限公司, 中糧集團(tuán)有限公司, 中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司