專利名稱：糠醛和生物乙醇的聯(lián)合生產方法
技術領域：
本發(fā)明涉及糠醛和生物乙醇的工業(yè)生產，并可應用于自諸如玉米穗軸、稻草、甘蔗渣等含戊聚糖的原料中獲得糠醛和生物乙醇。
背景技術：
已知一種利用軟木材生產乙醇的方法，其中，工藝小片形式的木頭在O. 9-1. 3MPa的壓力下用O. 7-0. 8%的硫酸溶液處理150分鐘。獲得的單糖溶液在壓力降低至I大氣壓的條件下通過蒸發(fā)部分反應液體的方式進行冷卻。中和硫酸并將溶液中存在的葡萄糖發(fā)酵為乙醇，其后利用精餾的方法從混合物中分離和提純乙醇。I噸干木頭的乙醇產量為180升。壓力從1. 3MPa降低至I大氣壓導致部分液體蒸發(fā)所形成的蒸汽中含有O. 25-0. 35%的 糠醛，通過精餾方法以商品化產品的形式將糠醛分離出來。依照此種方法糠醛的產量為原干軟木的 O. 5-0. 7% (J.1. Holkin. Technology of hydrolysis productions. Moscow, 1989年，154 - 161 頁、320 - 323 頁、360 - 364 頁，俄羅斯)。該方法的缺點如下-除軟木外不能用戊聚糖含量不超過干原料質量6.0%的其他類型的原料生產乙醇。-糠醒產量低,糠醒產量不超過干原料質量的0.7%。-因為冷凝液中糠醛的濃度低(不超過0.35%)，其分離和提純需要消耗大量的蒸汽，每I噸商品化糠醛需要100-140噸蒸汽。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于研發(fā)一種從農作物殘渣中生產生物乙醇的方法。本發(fā)明的其他目的如下提高原料中糠醛的產量，并且降低糠醛分離和提純過程中的蒸汽消耗。所尋求的目的是通過如下方式實現的即纖維素水解為葡萄糖的過程并不像原方法那樣在糠醛分離之前進行，而是在戊聚糖轉化成糠醛并從反應區(qū)移除后進行。此外，在戊聚糖以糠醛的形式被移除后，葡萄糖從原材料的木質纖維素殘渣中的獲得是通過酶法水解纖維素的方法來實現的。到目前為止，理論上甚至已經認為給出的技術方案是不可能的，因為在所有已知的生產糠醛的方法中，幾乎一半的纖維素都在此加工過程中被破壞。纖維素破壞程度的大幅下降，以及在戊聚糖以糠醛的形式被移除后為了從原料的木質纖維素殘渣中獲得葡萄糖的酶法水解的使用，僅僅由于糠醒形成機制的定向變化(directional change)而成為可能。我們的研究已經表明，因為過程中的這種機制的定向變化，不僅提高了糠醛的產量，而且與之關聯(lián)的，木質纖維素殘渣中纖維素的破壞程度從所有已知的生產糠醛方法的40-50%，降低到用新方法獲得糠醛的3-5%。此情況下，在通過這種新方法獲得糠醛的過程中，纖維素的聚合程度有非常大的下降，其超分子結構發(fā)生改變，纖維素的結晶度下降。同時，植物原料的木質纖維素殘渣的亞顯微結構改變，并且，作為所有這些轉換的結果，以玉米穗軸為例，纖維素的酶法水解能力從10%上升到90%甚至更多。纖維素的保留，和利用新方法獲得糠醛過程中原料的木質纖維素殘渣的結構和性質的上述轉換，以及酶法水解纖維素的可能性，基于這些轉換，體現了所提出的方法與所有已知的生物乙醇的生產方法的本質差異。因為基于現有知識不可能發(fā)現這樣一種解決方案，這證明了解決給定問題的技術方案的高深。僅由于糠醛形成機制的定向變化，這種技術方案似乎是可能的。因此，所提出的方法因其新穎性和實用性相結合的技術方案的高深而具備獨特性，具有發(fā)明的全部必要特性。
具體實施例方式所提出的方法通過以下方式實施。將含戊聚糖的植物原料研磨成為工藝小片的尺寸，并與催化劑溶液混合。使用解離時形成電荷不少于3的陽離子的無機酸、或無機酸和/或其鹽溶液來作為戊聚糖轉化為糠醛過程中的催化劑。催化劑溶液的濃度不小于其飽和溶液濃度的30%，催化劑溶液的量達到干原料質量的15%。原料與催化劑溶液混合，加入到反應器中并在壓力為O. 3 - O. SMPa的條件下用蒸汽流處理120分鐘。對從反應器中 出來的蒸汽進行冷凝，并通過精餾的方式從所獲得的冷凝液中分離糠醛。糠醛的產量達到干原料質量的15. 7%。同時獲得木糖溶液應該是必然的，當糠醒產量不超過理論上可能產量的50%時，停止原料在蒸汽流中的處理，并且從原料殘渣中提取原料殘渣中剩余的木糖。在中和存在于木質纖維素殘渣中的無機酸及將這些鹽提取出來后，利用催化劑處理木質纖維素殘渣，例如，利用復合酶Cellocandin H 10 B在40°C下處理木質纖維素殘渣48小時。溶液中得到的葡萄糖在加入必要量的營養(yǎng)鹽后，發(fā)酵成為生物乙醇，例如，用釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)在 P H 為 4.1 - 4. 3、溫度為 32 - 34°C 的條件下發(fā)酵 8 小時。乙醇產量達到葡萄糖的47. 3%，或I噸干原料產生173升乙醇。實施例實施例1將含水量為15%的玉米穗軸研磨成尺寸不大于IOmm的顆粒，并將1600g的顆粒與催化劑溶液混合，催化劑溶液中含有55%的硫酸和10%的硫酸鋁，催化劑溶液的量為80g，占干原料質量的6%。將所得到的材料裝入10升的反應器中，并在O. 3-0. 5MPa的壓力下在蒸汽流中處理90分鐘，而后蒸汽進行冷凝?？啡┑漠a量為干原料質量的15. 7%。原料的木質纖維素殘渣在中和其中的硫酸并提取硫酸鋁后用復合酶Cellocandin H 10 B在40°C下處理48小時。獲得342g的葡萄糖，在葡萄糖中加入必要量的營養(yǎng)鹽后，利用釀酒酵母在pH為4. 1-4. 3和溫度為32-34°C的條件下將葡萄糖發(fā)酵8小時成為生物乙醇。獲得158g的生物乙醇，生物乙醇的產量為葡萄糖的46. 2%或I噸干原料產生147升生物乙醇。實施例2將含水量為15%的玉米穗軸研磨成尺寸不大于IOmm的顆粒，并將1600g的顆粒與催化劑溶液混合，催化劑溶液中含有30%的磷酸，催化劑溶液的量為140g，占干原料質量的10%。將所得到的材料裝入10升的反應器中，并在O. 5-0. 6MPa的壓力下在蒸汽流中處理60分鐘，而后蒸汽進行冷凝。糠醛的產量為干原料質量的10. 3%。由原料殘渣獲得糠醛后，提取殘渣中剩余的木糖，木糖的產量為干原料質量的15. 1%。原料的木質纖維素殘渣在提取其中的木糖和硫酸后用復合酶Cellocandin H 10 B在40°C下處理48小時。獲得393g的葡萄糖，在葡萄糖中加入必要量的營養(yǎng)鹽后，利用釀酒酵母在PH為4. 1-4. 3和溫度為32-34°C的條件下將葡萄糖發(fā)酵8小時成為生物乙醇。獲得186g的生物乙醇，生物乙醇的產量為葡萄糖的47. 3%或I噸干原料產生173升生物乙醇。實施例3將含水量為15%的玉米穗軸研磨成尺寸不大于IOmm的顆粒，并將1600g的顆粒與催化劑溶液混合，催化劑溶液中含有24%的硫酸鋁，催化劑溶液的量為200g，占干原料質量的15%。將所得到的材料裝入10升的反應器中，并在O. 6-0. 8MPa的壓力下在蒸汽流中處理120分鐘，而后蒸汽進行冷凝?？啡┑漠a量為干原料質量的14. 2%。木質纖維素殘渣在提取 硫酸鋁后用復合酶Cellocandin H 10 B在40°C下處理48小時。獲得365g的葡萄糖，在葡萄糖中加入必要量的營養(yǎng)鹽后，利用釀酒酵母在PH為4. 1-4. 3和溫度為32-34°C的條件下將葡萄糖發(fā)酵8小時成為生物乙醇。獲得167g的生物乙醇，生物乙醇的產量為葡萄糖的45. 7%或I噸干原料產生156升生物乙醇。
權利要求
1.一種用含戊聚糖的原料聯(lián)合生產糠醛和生物乙醇的方法，該方法通過將存在于原料中的纖維素水解成葡萄糖，并將戊聚糖轉化成糠醛，隨后將葡萄糖發(fā)酵成生物乙醇，其中，預先通過在催化劑溶液存在下在升高的壓力下在蒸汽流中在戊聚糖全部或部分轉化為糠醛的條件下將戊聚糖從含戊聚糖的原料中去除，所述催化劑溶液的濃度不小于催化劑飽和溶液濃度的30%，催化劑溶液的量達到干原料質量的15%，而原料的木質纖維素殘渣中存在的纖維素被酶水解為葡萄糖。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，使用解離時形成電荷不少于3的陽離子的無機酸或無機酸和/或其鹽溶液作為戊聚糖轉化為糠醛的過程的催化劑，并且所述過程在0.3-0. 8MPa的壓力下進行。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，當糠醛產量不超過理論上可能產量的50%時，停止含戊聚糖的原料在蒸汽流中的處理，并且從原料的木質纖維素殘渣中提取原料的木質纖維素殘渣中剩余的木糖。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用諸如玉米穗軸、稻草、甘蔗渣等含戊聚糖的植物原料進行糠醛和生物乙醇的工業(yè)生產。將原料研磨成為工藝小片的尺寸，與催化劑溶液混合并在升高的壓力下在蒸汽流中進行處理。冷凝離開反應器的蒸汽，通過精餾的方法從冷凝液中分離糠醛。如必要，僅部分戊聚糖轉化成為糠醛，提取原料殘渣中剩余的木糖。用酶將存在于原料殘渣中的纖維素水解為葡萄糖，在加入必要量的營養(yǎng)鹽后，將葡萄糖發(fā)酵成為生物乙醇。
文檔編號C07D307/50GK102993141SQ201210283058
公開日2013年3月27日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權日2011年9月19日
發(fā)明者N·韋杰爾尼科夫斯 申請人:N·韋杰爾尼科夫斯