一種纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維素酶的循環(huán)利用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物能源技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維素酶的循環(huán)利用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)如今，能源問題是世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一道瓶頸，隨著傳統(tǒng)化石燃料日漸枯竭、人口膨脹、環(huán)境惡化、全球變暖等問題凸顯，尋找并開發(fā)新的可持續(xù)型再生清潔能源成為解決這一系列問題的突破口。
[0003]生物乙醇現(xiàn)已部分替代傳統(tǒng)汽油，在美國、巴西以及一些歐洲國家已開始大規(guī)模使用，并將在未來幾十年內(nèi)成為最主要的可再生車用燃料。生物乙醇可與汽油以任意比例互溶，因提高汽油中氧含量而促進(jìn)其充分燃燒，在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)無需改動(dòng)的條件下即可使用且無副作用，這些優(yōu)勢是其他燃料無法比擬的。但是，當(dāng)前商業(yè)化生產(chǎn)的燃料乙醇屬于第一代生物乙醇，即主要靠玉米、小麥等淀粉類原料發(fā)酵而成，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。根據(jù)2012年國務(wù)院“關(guān)于生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知”的要求，加大新一代生物液體燃料開發(fā)力度，應(yīng)充分利用非糧淀粉類植物、農(nóng)林工業(yè)廢棄物等為主的非糧原料，這與我國“不與人爭糧，不與糧爭地”的基本能源發(fā)展戰(zhàn)略要求是一致的。
[0004]木質(zhì)纖維素原料，包括工農(nóng)林業(yè)廢棄物(如玉米秸桿、麥桿、稻草、玉米芯工業(yè)殘?jiān)?、廢紙、甘蔗渣、伐木產(chǎn)生的枝葉、木屑等)及可種植于邊際土地的能源作物(如甜高粱、木薯、甜菜等)等，作為地球上最為豐富的可再生資源之一，蘊(yùn)藏著巨大的可利用潛力。通過生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)生物乙醇，不僅解決了原料不足的問題，且不與人和畜爭糧，同時(shí)大大降低溫室氣體的排量，還為廣闊的農(nóng)村提升經(jīng)濟(jì)活力并提供就業(yè)崗位。然而由于現(xiàn)有纖維素乙醇原料預(yù)處理、低成本水解糖化關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，致使以木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵所產(chǎn)的新一代生物乙醇價(jià)格競爭力還無法與同類化石能源產(chǎn)品相比。
[0005]在纖維素乙醇的生產(chǎn)過程中，纖維素酶的成本高是阻礙木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化工藝商業(yè)化的重要原因，其約占糖化工段成本的50%。在現(xiàn)有的商品纖維素酶酶活水平下，循環(huán)利用纖維素酶是降低酶成本的有效手段之一。然而現(xiàn)有的有關(guān)纖維素酶的循環(huán)利用方法或發(fā)明專利大多是針對底物固體含量較低的酶解體系，同步糖化與發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過程中，尤其是在高底物固體含量體系中，纖維素酶的循環(huán)則較少涉及。如專利《一種糠醛渣制備無水乙醇的方法》(公開號CN200810227978)采用同步糖化發(fā)酵與乙醇滲透汽化相耦合，進(jìn)行乙醇的在位分離，底物固體含量僅有8%?12%，分離時(shí)發(fā)酵液中的乙醇濃度太低而導(dǎo)致分離的成本居高不下。專利《秸桿同步酶解發(fā)酵燃料乙醇循環(huán)式反應(yīng)器》(公開號CN201320242635)采用陶瓷超濾膜分離乙醇產(chǎn)物，來實(shí)現(xiàn)纖維素酶的循環(huán)利用，但在同步糖化與發(fā)酵的過程中，細(xì)微的木質(zhì)纖維素固體顆粒非常容易堵塞超濾膜的空隙，從而降低超濾膜的使用壽命。因此，目前缺乏切實(shí)可行的方法可以實(shí)現(xiàn)同步糖化與發(fā)酵生產(chǎn)乙醇過程中，尤其是高底物含量條件下纖維素酶的循環(huán)利用。
[0006]減壓蒸餾(真空發(fā)酵)的原理是將罐內(nèi)壓力降低，保持一定真空度，使醪液在較低溫度下處于沸騰狀態(tài)，使乙醇不斷被蒸出，從而在保留纖維素酶酶活的前提下，消除乙醇對酵母菌的產(chǎn)物抑制。尤其是當(dāng)發(fā)酵醪中乙醇濃度較高時(shí)(4%，v/v)，乙醇的分離對于乙醇的生產(chǎn)具有重要意義。本發(fā)明在高木質(zhì)纖維素底物濃度條件下，進(jìn)行同步糖化與發(fā)酵生產(chǎn)纖維素乙醇，并通過間歇減壓蒸餾的方式，在保留大部分纖維素酶酶活的前提下，實(shí)現(xiàn)乙醇產(chǎn)物的在位分離，從而實(shí)現(xiàn)高濃度纖維素乙醇生產(chǎn)過程中纖維素酶的循環(huán)利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維素酶的循環(huán)利用方法。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維素酶的循環(huán)利用方法，其具體步驟為:
[0010](I)纖維素乙醇的生產(chǎn):向乙醇發(fā)酵反應(yīng)器中加入木質(zhì)纖維素原料、纖維素酶、乙醇生產(chǎn)菌種，開始同步糖化與發(fā)酵生產(chǎn)乙醇；
[0011]所述的木質(zhì)纖維素原料為經(jīng)過預(yù)處理或未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸桿、玉米芯、玉米芯殘?jiān)?、脫木質(zhì)素的玉米芯殘?jiān)?、木糖渣、糠醛渣、小麥桿、大麥桿、稻草、麩皮、稻殼、高粱桿、油菜桿、柳枝稷、蘆葦、廢紙、木屑、麻風(fēng)樹籽殼等富含纖維素和半纖維素原料中的一種或幾種酶的混合物；
[0012]所述的纖維素酶包括纖維素外切酶、纖維素內(nèi)切酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、木糖苷酶、木質(zhì)素降解酶、酯酶或者果膠酶中的一種或幾種酶的混合物；
[0013]所述的乙醇生產(chǎn)菌種為釀酒酵母、克魯維酵母和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌等天然乙醇生產(chǎn)菌種或經(jīng)過基因工程改造過的乙醇發(fā)酵微生物；
[0014]所述的同步糖化與發(fā)酵初始固含量為5?40% (w/w)，纖維素酶初始酶用量3?60FPU/gDM，同步糖化與發(fā)酵溫度為30?60°C，pH值為3.0?7.0 ;
[0015](2)間歇減壓蒸餾分離乙醇:待反應(yīng)器發(fā)酵醪中乙醇積累到一定濃度后，在特定條件下通過減壓蒸餾將乙醇進(jìn)行在位分離；
[0016]步驟(2)中，通過在位減壓蒸餾的方法從發(fā)酵醪中分離乙醇，進(jìn)行減壓蒸餾的時(shí)刻點(diǎn)為批次同步糖化與發(fā)酵過程進(jìn)行到第6?120小時(shí)，或者發(fā)酵醪中乙醇濃度達(dá)到20?100g/L ；
[0017]如圖1所示同步糖化與發(fā)酵過程纖維素酶循環(huán)利用裝置示意圖，首先在生物反應(yīng)器中適度加熱木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵生成的乙醇發(fā)酵醪，通過循環(huán)水真空泵將整個(gè)體系抽真空，生物反應(yīng)器中發(fā)酵醪沸騰，產(chǎn)生的乙醇蒸汽在蛇形冷凝管中被冷凝收集至收集瓶中。減壓蒸餾條件為:溫度30°C?80°C，壓力-0.1?-0.085MPa，持續(xù)時(shí)間I?120分鐘，冷凝液溫度 _50°C?15°C ；
[0018](3)纖維素酶的循環(huán):減壓蒸餾結(jié)束后，將溫度調(diào)回至同步糖化與發(fā)酵溫度并迅速將減壓蒸餾的抽氣口密封，然后從生物反應(yīng)器進(jìn)料口補(bǔ)加新鮮的木質(zhì)纖維素原料；還可以通過采取通氣、補(bǔ)加乙醇生產(chǎn)菌種、補(bǔ)加部分纖維素酶、調(diào)整PH值、增加預(yù)酶解工段等措施中的一種或幾種的組合來重新開啟新一輪的纖維素乙醇生成過程；
[0019](4)循環(huán)進(jìn)行上述(2)和(3)的步驟；纖維素酶的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到I?50次。
[0020]一種纖維素乙醇生產(chǎn)中纖維素酶的循環(huán)利用方法所使用的裝置，主要包含同步糖化與發(fā)酵反應(yīng)器，螺帶攪拌槳，電機(jī)，蛇形冷凝管，乙醇收集瓶，循環(huán)水真空泵；其特征在于，電機(jī)固定在同步糖化與發(fā)酵生物反應(yīng)器，螺帶攪拌槳固定在電機(jī)的下端；同步糖化與發(fā)酵生物反應(yīng)器通過管路與蛇形冷凝管相連，蛇形冷凝管的下端連接乙醇收集瓶，同時(shí)蛇形冷凝管通過管路與循環(huán)水真空泵相連；
[0021]所述的同步糖化與發(fā)酵生物反應(yīng)器設(shè)有物料進(jìn)口 ；
[0022]所述的同步糖化與發(fā)酵生物反應(yīng)器分別設(shè)置pH電極和溫度電極，用來控制pH和溫度值；所述的同步糖化與發(fā)酵生物反應(yīng)器設(shè)有壓力表；
[0023]所述的蛇形冷凝管的上端設(shè)置冷凝液出口 ；下端設(shè)有冷凝液入口。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是:與常規(guī)纖維素乙醇生產(chǎn)方法相比，本發(fā)明通過減壓蒸餾保留了大部分纖維素酶酶活和乙醇生產(chǎn)菌種活性，有效降低了單位纖維素乙醇的用酶成本；而且乙醇產(chǎn)物的在位分離有效緩解了產(chǎn)物對纖維素酶和發(fā)酵微生物的抑制作用，顯著加快了乙醇生產(chǎn)速率，大幅降低了纖維素乙醇的生產(chǎn)成本。
【【附圖說明】】
[0025]