一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法技术

本发明专利技术涉及一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法，是将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为120‑180℃，停留时间为3‑30min；然后进入到等径螺杆装置中进行二次蒸煮，控制温度为180‑220℃，停留时间为4‑40min；最后进行蒸汽爆破，得到预处理原料；第一段蒸煮挤出液用于纤维素酶发酵菌发酵产纤维素酶，并对发酵液进行浓缩；浓缩液对预处理原料进行酶解，酶解糖液用于发酵生产乙醇。本发明专利技术以两段双温中性蒸汽爆破处理中第一段蒸煮后的挤出液作为诱导物发酵生产纤维素酶，具有酶解效果好、乙醇得率高、经济环保等特点。

A method for producing ethanol by enzymatic hydrolysis and fermentation of lignocellulose

【技术实现步骤摘要】
一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法
本专利技术属于生物质能源
，具体涉及一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法。
技术介绍
全球每年经光合作用产生的生物质约1700亿吨，其能量相当于全球能量年消耗总量的10倍，作为能源的利用量还不到总量的l%。2017年9月，国家发展改革委、国家能源局、财政部等十五部门联合印发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》。根据方案，到2020年，全国范围内将基本实现车用乙醇汽油全覆盖。到2025年，力争纤维素乙醇实现规模化生产，先进生物液体燃料技术、装备和产业整体达到国际领先水平，形成更加完善的市场化运行机制。我国每年农作物秸秆产量达到7亿吨，除部分作为造纸原料、炊事燃料、饲料肥料和秸秆还田之外，可作为能源用途的秸秆约3.5亿吨，折合1.8亿吨标准煤，可以转化为1亿吨燃料酒精。目前，木质纤维素原料的主要利用途径为半纤维素或/和纤维素水解产生水解糖，水解糖经过发酵产生乙醇和丁醇等生物能源产品，或/和乳酸、柠檬酸和丁二酸等。木质纤维素原料制备燃料过程主要包括预处理、纤维素酶制备、酶解、发酵和乙醇分离等步骤。木质纤维素原料预处理最常采用的方法为稀酸预处理或蒸汽爆破预处理。纤维素酶成本一直是纤维素乙醇商业化的主要瓶颈之一，同时木质纤维素原料在预处理过程中产生的有机废水的处理也占用了生产成本。CN104611963A公开了一种木质纤维素原料的预处理方法，包括：（1）将粉碎好的木质纤维素原料与浸渍液混合，连续输送到锥形螺杆装置中；（2）原料与浸渍液在锥形螺杆装置中进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为120-180℃，停留时间为3-30min；（3）原料连续进入到等径螺杆装置中进行二次蒸煮，控制温度为180-220℃，停留时间为4-40min；（4）原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破；（5）蒸汽爆破后的原料进入到旋风分离器进行分离。该专利技术采用分段控温蒸煮和蒸汽爆破组合的工艺，在蒸爆处理前脱除部分酶解和发酵的抑制物，在水解木糖时也可以减少抑制物的产酸，并提高蒸爆预处理和酶解的可及度；同时实现预处理的连续进料，浸渍、挤压、脱水、蒸煮、蒸爆和分离的一体化过程。但该过程存在以下问题：第一段蒸煮后挤压脱水产生的废水中含有少量糖，以及丰富的有机含氮化合物，直接进入废水处理单元造成资源浪费，同时废水处理还需额外的成本。CN105647813A公开了一株绿色木霉F4及其应用，该菌株在以预处理木质纤维素作为碳源和诱导物生产纤维素酶的过程中，能够耐受预处理木质纤维素引入的多种抑制物，分泌的纤维素酶成分全，活性高，对预处理木质纤维素底物的酶解适应性强。该专利技术培养基中加入的有机氮源酵母膏和诱导碳源微晶纤维素都比较昂贵，增加了产酶成本。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法。本专利技术以两段双温中性蒸汽爆破处理中第一段蒸煮后的挤出液作为诱导物发酵生产纤维素酶，产酶液经浓缩用于木质纤维素酶解，酶解糖液再用于发酵乙醇，具有酶解效果好、乙醇得率高、经济环保等特点。本专利技术提供的木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：（1）将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为120-180℃，停留时间为3-30min；然后原料连续进入到等径螺杆装置中进行二次蒸煮，控制温度为180-220℃，停留时间为4-40min；最后原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，蒸汽爆破后的原料进入到旋风分离器进行分离，得到预处理原料；（2）步骤（1）挤出液用于纤维素酶发酵菌发酵产纤维素酶，并对发酵液进行浓缩；（3）利用步骤（2）发酵浓缩液对步骤（1）预处理原料进行酶解，酶解糖液用于发酵生产乙醇。本专利技术中，步骤（1）所述的木质纤维素原料是指含纤维素、半纤维素和木质素的生物质原料，如秸秆、木屑和能源作物等，优选玉米秸秆。将木质纤维素原料机械粉碎到粒径为0.1-30mm，优选粒径为0.12-1.0mm。本专利技术中，步骤（1）所述水的温度为60-99℃，水与原料的液固质量比为10:1-2:1，优选为5:1-3:1。本专利技术中，步骤（1）第二次蒸煮按照水与木质纤维素原料的液固质量比为1:20-1:2，优选1:4-1:2，木质纤维素原料在等径螺杆装置中停留时间为4-40min，优选为10-20min。本专利技术中，步骤（1）蒸汽爆破的自动泄压阀门的一端连接等径螺杆装置出料口，另一端连接旋风分离器。自动泄压阀门的开启时间间隔为5-50s，每次开启时间为2-20s。所述的旋风分离器采用现有任何可实现气固分离用旋风分离器。本专利技术中，步骤（1）使用的锥形螺杆、等径螺杆、蒸汽爆破、旋风分离器的连接方式及结构采用CN104611963A所述装置。本专利技术中，步骤（2）挤出液中添加以下营养物质作为纤维素酶发酵的培养基，麦麸10-60g/L，磷酸二氢钾0.1-10g/L，硫酸铵1-10g/L，氯化钙0.01-3g/L，硫酸镁0.01-3g/L，ZnSO4·7H2O0.01-50mg/L，MnSO4·4H2O0.01-20mg/mL，CoCl20.01-50mg/L，调节pH4.0-7.0。本专利技术中，步骤（2）所述纤维素酶发酵菌采用可以产纤维素酶的菌株，优选专利CN105647813A所提供的绿色木霉（Trichodermaviride）F4、CN101899398A所提供的黑曲霉（Aspergillusniger）T2等，更进一步，优选两株菌的产酶发酵液复配得到的纤维素酶液，复配比例2:1-8:1。本专利技术中，步骤（2）纤维素酶发酵菌的接种体积比为10%-20%，发酵温度为23-35℃，pH3.0-6.0，搅拌速率为100-800r/min，发酵时间为48-144h。本专利技术中，步骤（2）对纤维素酶发酵液进行浓缩，将固液分离后液相采用2-50kD超滤膜进行浓缩，浓缩10-200倍。本专利技术中，步骤（3）浓缩液与预处理原料的配比为0.02-0.2g/g纤维素，酶解体系的干物质浓度为5wt%-30wt%，pH值为4.8-5.2，温度为48-52℃，搅拌速率为100-500r/min，酶解时间72h。本专利技术中，步骤（3）所述酶解糖液加入发酵罐中，接入乙醇发酵菌进行发酵。乙醇发酵菌为能够把葡萄糖或/和木糖发酵成乙醇的菌株，优选CN102041235A所述酿酒酵母菌（Saccharomycescerevisiae）FE-B，该菌株的保藏号为CGMCCNo.2735。本专利技术中，步骤（3）发酵体系中酵母菌接种量为0.1wt‰-1wt‰，发酵温度为28-36℃，pH值为4.8-7.2，搅拌速率为100-500r/min，发酵时间72h。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）利用两段双温中性蒸汽爆破过程中第一段蒸煮挤出液作为纤维素酶发酵培养基的组成成分，可以作为诱导物促进产酶发酵菌的生长并诱导分泌纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法，其特征在于包括以下步骤：/n（1）将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为120-180℃，停留时间为3-30min；然后原料连续进入到等径螺杆装置中进行二次蒸煮，控制温度为180-220℃，停留时间为4-40min；最后原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，蒸汽爆破后的原料进入到旋风分离器进行分离，得到预处理原料；/n（2）步骤（1）挤出液用于纤维素酶发酵菌发酵产纤维素酶，并对发酵液进行浓缩；/n（3）利用步骤（2）发酵浓缩液对步骤（1）预处理原料进行酶解，酶解糖液用于发酵生产乙醇。/n

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素酶解发酵生产乙醇的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将粉碎的木质纤维素原料与水混合，连续输送到锥形螺杆装置中，进行连续搓揉、浸渍、蒸煮、挤压和脱水，控制温度为120-180℃，停留时间为3-30min；然后原料连续进入到等径螺杆装置中进行二次蒸煮，控制温度为180-220℃，停留时间为4-40min；最后原料在螺杆推力作用下移动到出料口进行蒸汽爆破，蒸汽爆破后的原料进入到旋风分离器进行分离，得到预处理原料；
（2）步骤（1）挤出液用于纤维素酶发酵菌发酵产纤维素酶，并对发酵液进行浓缩；
（3）利用步骤（2）发酵浓缩液对步骤（1）预处理原料进行酶解，酶解糖液用于发酵生产乙醇。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的木质纤维素原料是指含纤维素、半纤维素和木质素的生物质原料，优选玉米秸秆；将木质纤维素原料机械粉碎到粒径为0.1-30mm，优选粒径为0.12-1.0mm。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述水的温度为60-99℃，水与原料的液固质量比为10:1-2:1，优选为5:1-3:1。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）第二次蒸煮按照水与木质纤维素原料的液固质量比为1:20-1:2，优选1:4-1:2，木质纤维素原料在等径螺杆装置中停留时间为为10-20min。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）蒸汽爆破的自动泄压阀门的一端连接等径螺杆装置出料口，另一端连接旋风分离器，自动泄压阀门的开启时间间隔为5-50s，每次开启时间为2-20s。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）挤出液中添加以下营养物质作为纤维素酶发酵的培养基，麦麸10-60g/L，磷酸二氢钾0.1-10g/L，硫酸铵1-10g/L，氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔凯，张全，高慧鹏，关浩，王蒙，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司大连石油化工研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11