一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，将粉碎的含有纤维素的生物质与离子液体混合，加入酸进行水解，过滤，在所得水解糖和离子液体的混合液体中加入盐溶液，形成两相，进行分相，得到上相液体和下相液体；上相液体为离子液体，处理后再次循环利用；在下相液体中加入酵母菌及营养盐进行发酵，生产乙醇。本发明专利技术解决离子液体对含有纤维素的生物质的溶解能力低，处理量小，且水解糖与离子液分离困难，离子液体回收困难的问题，有利用于纤维素乙醇工业化，具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生产乙醇的方法，具体的说是一种利用含有纤维素的生物质在离子液体中糖化生产乙醇的方法。
技术介绍
随着化石能源的日渐枯竭，二氧化碳气体的大量排放所造成温室效应日益严重。开发生物可再生能源（如燃料乙醇），对社会和经济发展意义重大。第一代燃料乙醇以主要以淀粉作物为原料，会出现“与人争粮”的矛盾。纤维素是由许多D-葡萄糖基通过1,4-β-糖苷键连接而成的高分子化合物，是植物细胞壁的主要成分。以纤维素原料的第二代燃料乙醇是当前发展的重点。含有纤维素的生物质来源广泛，如草木、农林废弃物、城市固体废弃物等，但含有纤维素的生物质组成复杂，除了纤维素外还包括半纤维素、木质素等组分，其具有高度的结晶结构，酶解效率低，酸解条件苛刻。绿色溶剂-离子液体具有溶解纤维素以及生物质的能力，经离子液体溶解再生的生物质酶解糖化效率明显提高，为第二代燃料乙醇的生产提供新的思路。离子液体(IonicLiquids)一般指在室温条件或者室温附近温度下由有机或无机的阴离子和有机的阳离子构成一种呈液态的盐类化合物。离子液体享有“绿色溶剂”的美誉，是因为相较与传统溶剂，离子液体具有以下几种突出优点：(1)蒸汽压极低，无色无味、不挥发、不易燃、不易氧化，呈现液态的温度范围很广；(2)“可设计性”强，可调控离子液体酸碱性、亲水憎水性以及极性；(3)对无机物、有机物和金属有机化合物有较好的溶解性能；(4)离子导电性良好和电化学稳定性；(5)可分离、回收和循环反复使用。2002年，Swatloski等发现氯代1－丁基－3甲基咪唑（[BMIM]Cl）离子液体可以溶解纤维素，被溶解的纤维素很容易通过加水或乙醇沉淀再生，从而为离子液体分离木质纤维素原料提供了可能。其溶解机理普遍被认为是，离子液体的阴、阳离子与纤维素的羟基作用，破坏纤维素分子间、分子内的氢键而使其溶解。纤维素经离子液体溶解再生并未发生化学反应，再生纤维素聚合度、结晶度下降，酶解糖化速度提高。从而可设计生物质（如植物秸秆）经离子液体预处理生产乙醇的工艺路线，秸秆在离子液体中溶解，过滤不溶物后，获得离子液体和纤维素的混合溶液；加入沉淀剂水，纤维素再生析出，离子液体可通过旋蒸除水回收；得到的纤维素可通过加酶（或酸）水解成葡萄糖，再加入酵母，厌氧发酵生产乙醇。该过程虽然水解和发酵效率相比未处理原料明显提高。但还有亟待解决的难题:一是离子液体对原料的溶解能力低，处理量小（离子液体对微晶纤维素的溶解度小于25%，对于生物质小于5%）；二是离子液体会造成酶失活，酵母中毒，再生纤维素要充分洗涤，得到的离子液体水溶液，离子液体含量低，回收困难，成本高。
技术实现思路
本专利技术目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，解决离子液体对含有纤维素的生物质的溶解能力低，处理量小，且水解糖与离子液分离困难，离子液体处理量低，回收困难的问题。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，将粉碎的原料与离子液体混合，加入酸进行水解，过滤，在所得水解糖（主要为葡萄糖）和离子液体的混合液体中加入盐溶液，形成两相，进行分相，得到上相液体和下相液体；上相液体为离子液体，处理后再次循环利用；在下相液体中加入酵母菌及营养盐进行发酵，生产乙醇。所述利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，可以采用以下方法进行操作，该方法包括以下步骤：将纤维素粉碎至20-60目，加入其质量6-12倍的1-丁基-3-甲基咪唑氯化盐离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑氯化盐离子液体或1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体中，然后再加入原料质量0.05-0.4倍的质量浓度为70%的硫酸或6mol/L的盐酸，然后置于80-120℃下水解1-2h；水解结束后过滤除去残渣，得到水解糖和离子液体的混合溶液；在所得水解糖和离子液体的混合溶液中，加入混合溶液1-4倍体积的质量浓度为40%-60%的K3PO4溶液或质量浓度为40%-60%的NaOH溶液，经过震荡后静置分相分离，所得上相为离子液体经过旋蒸循环使用，所得下相溶液中加入酵母菌，加入量为每1mL下相溶液中加入0.5-2mg；然后再加入营养盐，混合均匀后调ph值为4-5，在30-37℃下厌氧发酵24-48h，即得到乙醇溶液。所述营养盐的组成成分为酵母膏、蛋白胨、硫酸铵、硫酸镁和氯化钙，其中各成份在下相溶液添加量为，每毫升下相溶液中添加酵母膏0.3mg、蛋白胨0.5mg、硫酸铵2mg、硫酸镁0.4mg、氯化钙0.2mg。所述的酵母菌为酿酒酵母。所述的含有纤维素的生物质为含有纤维素的木质纤维素原料，特别是农业废弃物秸秆，包括玉米秸秆、小麦秸秆等。所述水解的温度优选为90-100℃。所述盐溶液的加入量优选为所得水解糖和离子液体的混合溶液体积的2-3倍。有益效果是：1.本专利技术通过离子液体可打开含有纤维素的生物质分子内和分子间的氢键，生物质高聚、多晶结构部分伸展，容易被酸作用，酸解条件温和，用酸量少。随着溶解在离子液体的生物质被水解成单糖，溶解平衡被打破，新的生物质被溶解，离子液体对生物质的处理量增大。现有技术中，纤维素在离子液体的体系下，可温和、高效的水解纤维素成水解糖，但水解糖如何与离子液体分离是个难题；本专利技术利用含纤维素的生物质在离子液体中糖化生产乙醇的方法，含纤维素的生物质加入离子液体中，并添加酸，进行水解。水解后，过滤残渣，获得水解糖和离子液体的混合液。加入盐溶液形成双水相，富含离子液体相可通过旋蒸回收离子液体，水解糖被萃取到另一水相，可加入酵母发酵生产乙醇；因此，水解糖和离子液体的混合液通过加入盐溶液进行分相分离。富含离子液体相浓度高，回收容易能耗低；另外一相可用于乙醇发酵，工艺过程简单。2、本专利技术原料来源广泛，成本低廉；可将农业及其他行业的含纤维素的物质进行废物利用；本专利技术将水解糖与离子液分离，并进行回收利用，解决了解决离子液体处理量低，回收困难的问题，有利于工业上利用纤维素原料生产乙醇，具有较好的应用前景。本专利技术采用绿色溶剂-离子液体对含有纤维素的生物质进行处理，其具有难挥发，无毒性且无污染等优势，有效的降解了含有纤维素的生物质，减少了后期处理的费用，降低了对设备的要求，安全可靠。同时离子液体能通过双水相重新反复利用，直接降低了处理成本，经济可行性极高。附图说明图1是本专利技术利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法的技术路线图；图2是本专利技术实施例2中[Bmim]Cl离子液与50wt%氢氧化钠形成的两相图。具体实施方式一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，将粉碎的原料与离子液体混合，加入酸进行水解，过滤，在所得水解糖（主要为葡萄糖）和离子液体的混合液体中加入盐溶液，形成两相，进行分相，得到上相液体和下相液体；上相液体为离子液体，处理后再次循环利用；在下相液体中加入酵母菌及营养盐进行发酵，生产乙醇。所述利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，可以采用以下方法进行操作，该方法包括以下步骤：将含有纤维素的生物质粉碎至20-60目，加入其质量6-12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，其特征在于：将粉碎的原料与离子液体混合，加入酸进行水解，过滤，在所得水解糖和离子液体的混合液体中加入盐溶液，形成两相，进行分相，得到上相液体和下相液体；上相液体为离子液体，处理后再次循环利用；在下相液体中加入酵母菌及营养盐进行发酵，生产乙醇。

【技术特征摘要】
1.一种利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，其特征在于：将粉碎的原料与离子液体混合，加入酸进行水解，过滤，在所得水解糖和离子液体的混合液体中加入盐溶液，形成两相，进行分相，得到上相液体和下相液体；上相液体为离子液体，处理后再次循环利用；在下相液体中加入酵母菌及营养盐进行发酵，生产乙醇。
2.如权利要求1所述的利用含有纤维素的生物质生产乙醇的方法，其特征在于：包括以下步骤：将含有纤维素的生物质粉碎至20-60目，加入到其质量6-12倍的1-丁基-3-甲基咪唑氯化盐离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑氯化盐离子液体或1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体中，然后再加入含有纤维素的生物质质量0.05-0.4倍的质量浓度为70%的硫酸或6mol/L的盐酸，然后置于80-120℃下水解1-2h；水解结束后过滤除去残渣，得到水解糖和离子液体的混合溶液；在所得水解糖和离子液体的混合溶液中，加入混合溶液体积1-4倍的质量浓度为40-60%的K3PO4溶液或质量浓度为40%-60%的NaOH溶液，经过震荡后静置分相分离，所得上相为离子液体经过旋蒸循环使用；在所得下相溶液中加入酵母菌，酵母菌的加入量为每1mL下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振，刘程，孙海红，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41