蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，包括蔗渣預(yù)處理、蔗渣半纖維素提取液脫毒處理、蔗渣半纖維素提取液水解和蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵步驟。采用雙酶糖化蔗渣半維素和雙酵母混合菌株發(fā)酵半纖維素稀酸水解液，僅解決了傳統(tǒng)的釀酒酵母只能利用葡萄糖而不能利用木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的缺陷，大大提高了木質(zhì)纖維原料的利用率，而且表現(xiàn)出了乙醇產(chǎn)率高、轉(zhuǎn)化率快等優(yōu)點(diǎn)，對生物乙醇的生產(chǎn)具有重要意義，實現(xiàn)蔗渣資源的綜合利用，能夠顯著提高甘蔗糖企的綜合經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。
【專利說明】
蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于生物化工、發(fā)酵工程與生物質(zhì)能源領(lǐng)域，特別是涉及一種蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]蔗渣是甘蔗糖廠最大量的副產(chǎn)物，其產(chǎn)率為加工甘蔗量的24%_27%。我國是世界第三甘鹿種植大國，在南方地區(qū)鹿渣的產(chǎn)量達(dá)到7000 kt/a。鹿渣是一種豐富的可再生生物質(zhì)資源，其主要成分為纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等天然高分子物質(zhì)。其中半纖維素主要是以木糖、阿拉伯糖聚合而成的木聚糖，而纖維素則是葡萄糖的聚合物。目前這些蔗渣除少量用于造紙外，絕大部分被燒掉或廢棄，不僅造成資源浪費(fèi)，還嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，如果能從甘蔗渣中提取出優(yōu)質(zhì)的半纖維素和纖維素應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效。蔗渣可以蔗渣除部分用作造紙外，大部分作為廢棄物或作為鍋爐燃料，利用率不高。若能通過生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用工程技術(shù)將蔗渣進(jìn)行充分的綜合利用，將顯著提高其經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)保價值。乙醇是來自生物質(zhì)資源的最有發(fā)展前景的液態(tài)燃料。甘蔗渣被認(rèn)為是一種來源豐富的可再生資源，是作為纖維素燃料乙醇的重要原料之一。但是目前，甘蔗渣生產(chǎn)乙醇的轉(zhuǎn)化率仍然很低。其中一個重要原因是甘蔗渣半纖維素的利用率很低。在乙醇生產(chǎn)過程中，主要利用了蔗渣纖維原料中的纖維素，而大部分的半纖維素和木質(zhì)素在預(yù)處理時會溶解在處理液中，得不到有效利用。因此，如何提高甘蔗渣半纖維素的利用率上，盡量脫除木質(zhì)素成為蔗渣綜合利用的一個重要而緊迫的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)成本低，乙醇產(chǎn)率高、轉(zhuǎn)化率快的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，實現(xiàn)蔗渣資源的綜合利用，能夠顯著提高甘蔗糖企的綜合經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。
[0004]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
一種蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:包括以下步驟:
(1)蔗渣預(yù)處理:所述的蔗渣預(yù)處理為將蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎機(jī)粉粹、過40-80目篩網(wǎng)，然后將粉粹后的混合物浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%_1%硫酸溶液中處理，固液比為1:10-20，在170°c-20(rc下蒸煮2-10分鐘，過濾，制得蔗渣半纖維素提取液；
(2)蔗渣半纖維素提取液脫毒處理:在蔗渣半纖維素提取液中加氧化鈣調(diào)節(jié)水解液pH至9-11，然后加熱水解液至50°C-60°C，保溫20-30分鐘，過濾，水解液經(jīng)活性炭吸附，再用硫酸回調(diào)pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纖維素提取液水解:將脫毒處理后的蔗渣半纖維素提取液置于反應(yīng)罐中，調(diào)節(jié)pH = 4.8-5.0，并加入纖維素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于搖床中反應(yīng)，在30°C_45°C溫度下水解糖化50-80小時，即完成酶水解糖化過程；
(4)蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵:將吸附固定材料固定于發(fā)酵罐中，再將甘蔗纖維素水解液轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐中，添加適量基礎(chǔ)營養(yǎng)液，吸附固定材料充分吸漲后，接種酵母菌株，然后控制發(fā)酵溫度為35-38 V，pH=6，發(fā)酵20_30h，發(fā)酵完成后處理發(fā)酵液得到乙醇。
[0005]進(jìn)一步，所述蔗渣和甘蔗尾梢的重量比為6-7:2-3ο
[0006]進(jìn)一步，所述纖維素酶和木聚糖酶混合菌的用量為1.5-2.0g/L。
[0007]進(jìn)一步，所述纖維素酶和木聚糖酶的重量比為6-7:3-4。
[0008]進(jìn)一步，所述纖維素酶的制備方法為:在溫度為25-35°C、pH=4.0-5.0的條件下，用里氏木霉作為宿主細(xì)胞分泌纖維素酶，其中，以煙草廢棄物作為碳源，豆餅粉為氮源，培養(yǎng)時間為6-10小時，通氣量0.4-1.0vvm，攪拌速度為200-500轉(zhuǎn)/分鐘。
[0009]進(jìn)一步，所述木聚糖酶的制備方法為:以木聚糖酶生產(chǎn)菌株中挑選出黑曲霉誘變株作為生產(chǎn)菌株，在曲盤發(fā)酵培養(yǎng)基上進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，獲得發(fā)酵曲料后對發(fā)酵曲料用緩沖液進(jìn)行提取，獲得木聚糖酶液;所述曲盤發(fā)酵培養(yǎng)基的組成為:曲盤裝10g基料，(NH4)2SO4
0.5-1.5g，蛋白胨 0.5-lg,KH2PO4 0.3-0.4g，CaCl2 0.2-0.3g，ZnCl2 0.1-0.2g,MgSO40.Ι-Ο.2g,Fe2(SO4)3 0.02-0.08g,吐溫40 0.4-0.8 g，自來水120-140mL，自然pH，其中基料的組成為麩皮50-80 g，玉米芯10_40g，豆餅粉10-20g。
[00?0] 進(jìn)一步，所述步驟(4)中酵母菌株為樹干畢赤酵母(Pichia siipiiis」和休哈塔假絲酵母(Candida shehatae 合菌株，接種量為2.g/L，樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母的重量比為1-2:1。所述的樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母，是從微生物保藏中心或市場購買，經(jīng)過馴化培養(yǎng)，使其適應(yīng)蔗渣半纖維素水解液。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟(4)中的基礎(chǔ)營養(yǎng)液各成分配比為:添加量g/L計算:(NH4)2S042g/L,MnSO4 0.18/1，酵母粉28/1，玉米漿2(^/1，1(2冊04 0.28/1，030)3 0.2g/L。
[0012]進(jìn)一步，所述吸附固定材料為富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的植物纖維、富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的人造纖維或金屬網(wǎng)狀材料。
[0013]本發(fā)明突出的實質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步是:
1、本發(fā)明采用樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株生產(chǎn)乙醇，生產(chǎn)成本低，乙醇得率高，乙醇產(chǎn)量高達(dá)22.85 g/L，發(fā)酵成熟醪液的乙醇體積分?jǐn)?shù)為13.5%，乙醇得率93.5%，實現(xiàn)蔗渣資源的綜合利用，能夠顯著提高甘蔗糖企的綜合經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。
[0014]2、本發(fā)明采用樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株發(fā)酵半纖維素稀酸水解液不僅解決了傳統(tǒng)的釀酒酵母只能利用葡萄糖而不能利用木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的缺陷，大大提高了木質(zhì)纖維原料的利用率，而且表現(xiàn)出了乙醇產(chǎn)率高、轉(zhuǎn)化率快等優(yōu)點(diǎn)，對生物乙醇的生產(chǎn)具有重要意義。
[0015]3本發(fā)明在蔗渣原料上加入一定量的甘蔗尾梢，能夠增加原料中半纖維素的含量和含糖量，提高酶解率，降低生產(chǎn)成本。
[0016]4采用纖維素酶和木聚糖酶對蔗渣半纖維素進(jìn)行雙酶糖化，能夠極大的減小產(chǎn)物的抑制作用以及產(chǎn)物的進(jìn)一步降解，不僅提高了酶解得率，使得蔗渣的酶解效率得到較大提高，減少了酶的消耗，降低了生產(chǎn)成本。
[0017]5本發(fā)明采用硫酸熱水預(yù)處理法提取植物纖維原料中的半纖維素具有成本低、對環(huán)境無污染、能耗低、半纖維素的水解率和回收率高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。
6、本發(fā)明采用吸附固定材料將酵母菌株固定起來進(jìn)行乙醇發(fā)酵，不僅可以增加酵母菌株密度，而且可以反復(fù)循環(huán)使用，減少酵母增殖消耗的糖分，提高了發(fā)酵強(qiáng)度和產(chǎn)物產(chǎn)率。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
本實施例所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，主要包括以下步驟:
(1)蔗渣預(yù)處理:所述的蔗渣預(yù)處理為將蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎機(jī)粉粹、過40-80目篩網(wǎng)，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比為6: 2，然后將粉粹后的混合物浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%硫酸溶液中處理，固液比為1:10，在170°C下蒸煮2-10分鐘，過濾，制得蔗渣半纖維素提取液；
(2)蔗渣半纖維素提取液脫毒處理:在蔗渣半纖維素提取液中加氧化鈣調(diào)節(jié)水解液pH至9，然后加熱水解液至50°C，保溫20-30分鐘，過濾，水解液經(jīng)活性炭吸附，再用硫酸回調(diào)pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纖維素提取液水解:將脫毒處理后的蔗渣半纖維素提取液置于反應(yīng)罐中，調(diào)節(jié)pH=4.8-5.0，并加入纖維素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于搖床中反應(yīng)，即完成酶水解糖化過程;纖維素酶和木聚糖酶混合菌的用量為1.5g/L，所述纖維素酶和木聚糖酶的重量比為6:3，在30 °C溫度下水解糖化50-80小時，
(4)蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵:將富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的植物纖維固定于發(fā)酵罐中，再將甘蔗纖維素水解液轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐中，添加適量基礎(chǔ)營養(yǎng)液，富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的植物纖維充分吸漲后，接種酵母菌株，酵母菌株為樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株，接種量為2g/L，樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母的重量比為1:1。然后控制發(fā)酵溫度為35-38°(:，？!1=6，發(fā)酵2011，發(fā)酵完成后處理發(fā)酵液得到乙醇。
[0019]實施例2
本實施例所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，主要包括以下步驟:
(1)蔗渣預(yù)處理:所述的蔗渣預(yù)處理為將蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎機(jī)粉粹、過40-80目篩網(wǎng)，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比為7: 2，然后將粉粹后的混合物浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5硫酸溶液中處理，固液比為1:1418°C下蒸煮2-10分鐘，過濾，制得蔗渣半纖維素提取液；
(2)蔗渣半纖維素提取液脫毒處理:在蔗渣半纖維素提取液中加氧化鈣調(diào)節(jié)水解液pH至10，然后加熱水解液至55°C，保溫20-30分鐘，過濾，水解液經(jīng)活性炭吸附，再用硫酸回調(diào)pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纖維素提取液水解:將脫毒處理后的蔗渣半纖維素提取液置于反應(yīng)罐中，調(diào)節(jié)pH=4.8-5.0，并加入纖維素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于搖床中反應(yīng)，即完成酶水解糖化過程;纖維素酶和木聚糖酶混合菌的用量為1.6g/L，所述纖維素酶和木聚糖酶的重量比為7:3，在35 °C溫度下水解糖化50-80小時，
(4)蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵:將富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的植物纖維固定于發(fā)酵罐中，再將甘蔗纖維素水解液轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐中，添加適量基礎(chǔ)營養(yǎng)液，富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的植物纖維充分吸漲后，接種酵母菌株，酵母菌株為樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株，接種量為2g/L，樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母的重量比為2:1。然后控制發(fā)酵溫度為35-38°(:，？!1=6，發(fā)酵2511，發(fā)酵完成后處理發(fā)酵液得到乙醇。
[0020]實施例3
本實施例所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，主要包括以下步驟: (1)蔗渣預(yù)處理:所述的蔗渣預(yù)處理為將蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎機(jī)粉粹、過40-80目篩網(wǎng)，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比為6:3，然后將粉粹后的混合物浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%硫酸溶液中處理，固液比為1:16在19°C下蒸煮2-10分鐘，過濾，制得蔗渣半纖維素提取液；
(2)蔗渣半纖維素提取液脫毒處理:在蔗渣半纖維素提取液中加氧化鈣調(diào)節(jié)水解液pH至11，然后加熱水解液至58°C，保溫20-30分鐘，過濾，水解液經(jīng)活性炭吸附，再用硫酸回調(diào)pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纖維素提取液水解:將脫毒處理后的蔗渣半纖維素提取液置于反應(yīng)罐中，調(diào)節(jié)pH=4.8-5.0，并加入纖維素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于搖床中反應(yīng)，即完成酶水解糖化過程;纖維素酶和木聚糖酶混合菌的用量為1.8g/L，所述纖維素酶和木聚糖酶的重量比為6:4，在40 °(:溫度下水解糖化50-80小時，
(4)蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵:將富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的人造纖維固定于發(fā)酵罐中，再將甘蔗纖維素水解液轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐中，添加適量基礎(chǔ)營養(yǎng)液，富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的人造纖維充分吸漲后，接種酵母菌株，酵母菌株為樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株，接種量為2g/L，樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母的重量比為1:1。然后控制發(fā)酵溫度為35-38°(:，？!1=6，發(fā)酵2811，發(fā)酵完成后處理發(fā)酵液得到乙醇。
[0021 ] 實施例4
本實施例所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，主要包括以下步驟:
(1)蔗渣預(yù)處理:所述的蔗渣預(yù)處理為將蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎機(jī)粉粹、過40-80目篩網(wǎng)，蔗渣和甘蔗尾梢的重量比為7:3，然后將粉粹后的混合物浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%硫酸溶液中處理，固液比為1:20，在200°C下蒸煮2-10分鐘，過濾，制得蔗渣半纖維素提取液；
(2)蔗渣半纖維素提取液脫毒處理:在蔗渣半纖維素提取液中加氧化鈣調(diào)節(jié)水解液pH至11，然后加熱水解液至60°C，保溫20-30分鐘，過濾，水解液經(jīng)活性炭吸附，再用硫酸回調(diào)pH至5.5-6.0;
(3)蔗渣半纖維素提取液水解:將脫毒處理后的蔗渣半纖維素提取液置于反應(yīng)罐中，調(diào)節(jié)pH=4.8-5.0，并加入纖維素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于搖床中反應(yīng)，即完成酶水解糖化過程;纖維素酶和木聚糖酶混合菌的用量為2.0g/L，所述纖維素酶和木聚糖酶的重量比為7: 4，在45 °C溫度下水解糖化50-80小時，
(4)蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵:將金屬網(wǎng)狀材料固定于發(fā)酵罐中，再將甘蔗纖維素水解液轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐中，添加適量基礎(chǔ)營養(yǎng)液，金屬網(wǎng)狀材料充分吸漲后，接種酵母菌株，酵母菌株為樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株，接種量為2g/L，樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母的重量比為2:1。然后控制發(fā)酵溫度為35-38°C，pH=6，發(fā)酵30h，發(fā)酵完成后處理發(fā)酵液得到乙醇。
【主權(quán)項】
1.一種蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)蔗渣預(yù)處理:所述的蔗渣預(yù)處理為將蔗渣和甘蔗尾梢混合后用粉碎機(jī)粉粹、過40-80目篩網(wǎng)，然后將粉粹后的混合物浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%_1%硫酸溶液中處理，固液比為1:10-20，在170°c-20(rc下蒸煮2-10分鐘，過濾，制得蔗渣半纖維素提取液； (2)蔗渣半纖維素提取液脫毒處理:在蔗渣半纖維素提取液中加氧化鈣調(diào)節(jié)水解液pH至9-11，然后加熱水解液至50°C-60°C，保溫20-30分鐘，過濾，水解液經(jīng)活性炭吸附，再用硫酸回調(diào)pH至5.5-6.0; (3)蔗渣半纖維素提取液水解:將脫毒處理后的蔗渣半纖維素提取液置于反應(yīng)罐中，調(diào)節(jié)pH = 4.8-5.0，并加入纖維素酶和木聚糖酶混合菌密封后置于搖床中反應(yīng)，在30°C_45°C溫度下水解糖化50-80小時，即完成酶水解糖化過程； (4)蔗渣半纖維素水解液發(fā)酵:將吸附固定材料固定于發(fā)酵罐中，再將甘蔗纖維素水解液轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐中，添加適量基礎(chǔ)營養(yǎng)液，吸附固定材料充分吸漲后，接種酵母菌株，然后控制發(fā)酵溫度為35-38 V，pH=6，發(fā)酵20_30h，發(fā)酵完成后處理發(fā)酵液得到乙醇。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述蔗渣和甘蔗尾梢的重量比為6-7:2-3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述纖維素酶和木聚糖酶混合菌的用量為I.5-2.0g/L。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述纖維素酶和木聚糖酶的重量比為6-7:3-4。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述纖維素酶的制備方法為:在溫度為25-35°C、pH=4.0-5.0的條件下，用里氏木霉作為宿主細(xì)胞分泌纖維素酶，其中，以煙草廢棄物作為碳源，豆餅粉為氮源，培養(yǎng)時間為6-10小時，通氣量0.4-1.0vvm，攪拌速度為200-500轉(zhuǎn)/分鐘。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述木聚糖酶的制備方法為:以木聚糖酶生產(chǎn)菌株中挑選出黑曲霉誘變株作為生產(chǎn)菌株，在曲盤發(fā)酵培養(yǎng)基上進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，獲得發(fā)酵曲料后對發(fā)酵曲料用緩沖液進(jìn)行提取，獲得木聚糖酶液;所述曲盤發(fā)酵培養(yǎng)基的組成為:曲盤裝10g基料，(NH4)2SO4 0.5-1.5g，蛋白胨0.5-lg ,KH2PO40.3-0.4g，CaCl2 0.2-0.3g，ZnCl2 0.1-0.2g,MgSO40.1-0.2g，F(xiàn)e2(SO4)3 0.02-0.08g，吐溫400.4-0.8 g，自來水120-140mL，自然pH，其中基料的組成為麩皮50-80 g，玉米芯10_40g，豆餅粉 10-20g。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述步驟(4)中酵母菌株為樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母混合菌株，接種量為2g/L，樹干畢赤酵母和休哈塔假絲酵母的重量比為1-2:1。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述步驟(4)中的基礎(chǔ)營養(yǎng)液各成分配比為:添加量g/l計算:(NH4)2S04 2g/L,MnSO4 0.lg/L，酵母粉2g/L，玉米漿20g/L，K2HP04 0.2g/L，CaC03 0.2g/L。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蔗渣半纖維素生產(chǎn)乙醇的方法，其特征在于:所述吸附固定材料為富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的植物纖維、富含網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的人造纖維或金屬網(wǎng)狀材料。
【文檔編號】C12R1/885GK105925622SQ201610519108
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月5日
【發(fā)明人】張聰聰
【申請人】張聰聰