本发明专利技术公开了一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，先用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理；然后在底物w/v浓度为5-15%下，用纤维素酶批式水解48-72h；水解结束后水解物固液分离，将获得的清液浓缩至糖液中葡萄糖浓度100-200g/L，浓缩糖液由酿酒酵母将己糖转化为乙醇，蒸馏去除乙醇的醪液再由树干毕赤酵母将戊糖转化为乙醇。该法实现了用纸浆工艺已有的成熟工艺和设备回收化学药品、热能，减少了化学品的消耗和热能的损失，降低对环境的污染，实现了乙醇的清洁生产；低底物浓度酶水解和顺序发酵分别保证了酶解和己糖、戊糖发酵的高效进行，尤其将戊糖发酵的进行，提高了吨植物纤维原料的乙醇产量，降低了吨乙醇的原料成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料乙醇的制备工艺，具体涉及。
技术介绍
随着全球资源、能源、环境问题的突出和全球气候变暖趋势的加强，寻找清洁、可再生能源成为人类的必由之路，其中燃料乙醇凭借独特的优势成为首选。由于粮食乙醇的发展受到土地、农业生产、粮食供给和社会经济等各方面的制约，利用丰富的木材、禾草等植物纤维原料，尤其是廉价的农林废弃物经生物转化制取燃料乙醇，即纤维素乙醇，成为解决能源和环境问题的有效途径之一，是当前世界各国研究和开发的热点。作为人均石油资源相对匮乏的发展中国家，我国对纤维素乙醇的需要更为迫切。我国汽油年消耗量已超过6000万吨，按照10%的添加配额需要燃料乙醇600万吨以上，而现有产能仅100余万吨，市场缺口较大；根据《可再生能源中长期发展规划》，至2020年我国可再生能源开发量在能源供应结构中的比重将提高到15%左右，其中燃料乙醇的年需要量达到2000万吨，且新增产能主要来源于纤维素乙醇。由此可见，我国纤维素乙醇的市场需求巨大，发展纤维素乙醇产业十分紧迫。与此同时，我国具有丰富的植物纤维原料，其中仅农作物秸杆的年产量就达7亿吨，并且产地相对集中，易于收集和运输。利用廉价的农林废弃物制取燃料乙醇，不仅可以变废为宝，代替粮食生产清洁燃料，为解决农村秸杆焚烧所造成的环境污染提供一条新的途径，更为重要的是能够构建出一条基于农林废弃物高值生物利用的新型产业链，为优化我国能源结构、发展农村经济、提高农民收入和促进经济的可持续发展提供技术支撑。因此，研究开发基于植物纤维原料，尤其是廉价农作物秸杆原料的纤维素乙醇生产技术具有重大的理论指导和现实意义。天然植物纤维原料中，可利用的糖类物质主要是纤维素和半纤维素，它们和木质素之间相互粘合形成紧密的交联结构，必须经过适当的预处理和酶水解后它们可被转化成可发酵性的包括己糖和戊糖在内的单糖，单糖再经酵母发酵即可生成乙醇。原料预处理、纤维素酶水解和水解糖液的高效乙醇发酵是制备纤维素乙醇的三个关键工艺步骤。植物纤维原料的预处理方法主要有物理法、化学法、生物法及联合法，其中化学法是目前最接近产业化的预处理方法。化学法是利用酸、碱、有机溶液或其它试剂对植物纤维原料进行处理，以除去部分半纤维素和木质素，进而破坏纤维素的结晶结构以增加纤维素的孔隙度及比表面积，提高纤维素酶的可及度和酶解得率。现有的酸、碱和有机溶剂等预处理工艺仍然未能摆脱高化学品消耗和高能耗的弊端，废水处理的压力大。植物纤维原料中纤维素和半纤维素经预处理和酶水解后可转变成以葡萄糖和戊糖为主的单糖类。戊糖是植物纤维原料第二大糖类物质，尤其是在农作物秸杆中木聚糖占可利用糖类的25 30%，所产乙醇可占原料总糖所产乙醇的25%左右，因此木糖的高效乙醇发酵是提高植物纤维原料利用效率、降低纤维素乙醇生产成本的关键环节之一。自然界能够发酵葡萄糖产乙醇的微生物菌种较多，其中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)对高浓度糖和乙醇的耐受能力强，工业生产技术十分成熟，但由于它们缺乏戊糖的相关代谢途径，所以不能直接利用戊糖。与之相比，仅有少数几个天然菌种能够发酵戊糖产乙醇，如休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)和毕赤树干酵母(Pichia stipitis)等,但是这些菌种发酵戊糖都需要精确的限制性供氧措施，并且对戊糖的利用受葡萄糖的强烈抑制，对高糖、抑制物和乙醇的耐受能力也较差，因而在工业化生产中的调控难度大，乙醇产率低，生产成本高，还难以投入大规模商业化发酵。目前研究较多的混合糖液发酵技术主要包括以下几种I、己糖戍糖共发酵。具体过程为预处理的植物纤维原料在底物浓度5-15% (w/v)下进行酶水解，水解结束后固液分离，上清糖液直接或浓缩到一定糖浓度，同时利用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和毕赤树干酵母(Pichia stipitis)或单独利用树干毕赤酵母进行发酵制取乙醇。该法的理由是去除了酶解残渣洗涤和戊糖发酵之前的乙醇蒸馏过程，降低了工艺的复杂性。但该法存在以下缺点(1)酿酒酵母能耐受70-110g/L的乙醇，而树干毕赤酵母只能耐受30-35g/L的乙醇。乙醇耐受性的不一致大大限制了酵母能利用的总糖浓。(2)树干毕赤酵母总是先利用葡萄糖，再利用木糖，葡萄糖利用速率和乙醇得率 低于酿酒酵母，利用木糖的速率和乙醇得率则更低。(3)树干毕赤酵母不能完全利用木糖，在残余木糖浓度为10g/L左右开始利用乙醇。2、此外，还可以利用基因工程对酿酒酵母进行基因改造，使之能同时发酵己糖和戊糖，然而基因工程菌对植物纤维原料酶解液的发酵效果不稳定，并受抑制物抑制作用明显。
技术实现思路
专利技术目的针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供，通过绿液预处理植物纤维原料，在低底物浓度下进行高效水解，水解结束固液分离后清液浓缩到较高糖浓度进行己糖戊糖顺序发酵的工艺，以期实现用已有的成熟工艺和设备回收化学药品、热能，又减少了对环境的污染，低底物浓度酶水解和顺序发酵保证了酶解和己糖、戊糖发酵的高效进行，减少原料成本，实现了乙醇的清洁生产。技术方案为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下，先用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理；然后在底物w/v浓度为5-15%下，用纤维素酶批式水解48-72h ;水解结束后水解物固液分离，将获得的清液浓缩至糖液中葡萄糖浓度100-200g/L，浓缩糖液由酿酒酵母将己糖转化为乙醇，蒸馏制取乙醇的醪液再由树干毕赤酵母将戊糖转化为乙醇。具体步骤如下(1)用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理，碱用量8%，处理温度140°C，保温时间lh，硫化度40%，经处理的植物纤维原料用水洗涤；(2)将绿液预处理的植物纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物w/v浓度5-15%，控制pH值在4. 0-6. O,反应体系中纤维素酶用量为8_15FPIU/g绿液预处理植物纤维原料，于45-55 °C条件下酶解反应48-72h ；(3)酶水解反应结束后将水解物离心固液分离，清液经减压蒸发浓缩至糖液中葡萄糖浓度为100-200g/L，浓缩糖液中添加适量营养盐后，用酿酒酵母于28-35°C条件下厌氧发酵12-48h，将己糖转化为乙醇，减压蒸馏制取乙醇；再用树干毕赤酵母于28-35°C条件下限制性供氧发酵醪液24-80h，将戊糖转化为乙醇。所述的纤维素酶是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。所述的底物w/v浓度优选为5%。预处理指以提高纤维质原料中纤维素对纤维素酶的可及度所采用的物理、化学、生物或以上几种方法联合应用的方法。绿液，指由硫酸盐法制浆碱回收系统中回收的熔融物溶解在水中所成的药液。主要成分是碳酸钠和硫化钠，可用石灰苛化，回收氢氧化钠。因成分中有少量的氢氧化铁，呈绿色，故称为绿液。相对于其它的预处理方法，用绿液预处理的方法，尤其是用制浆过程回收的绿液来预处理植物纤维原料具有以下的优点(1)预处理采用的基本工艺及设备在造 纸工业上均已成熟应用，可降低投资和运行风险。(2)预处理产生的废液经蒸发浓缩后可与酶解残渣一起燃烧回收热能和碱，整个预处理过程没有废液排放，没有污染。(3)相对缓和的条件不仅可减少预处理过程中聚糖的溶出，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法，具体步骤如下：（1）用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理，碱用量8%，处理温度140℃，保温时间1h，硫化度40%，经绿液预处理的植物纤维原料用水洗涤、磨浆、过滤；（2）将绿液预处理的植物纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物w/v浓度5？15%，控制pH值在4.0？6.0，反应体系中纤维素酶用量为8？15FPIU/g绿液预处理植物纤维原料，于45？55℃条件下酶解反应48？72h；（3）酶水解反应结束后将水解物离心固液分离，清液经减压蒸发浓缩至糖液中葡萄糖浓度为100？200g/L，浓缩糖液中添加适量营养盐后，用酿酒酵母于28？35℃条件下厌氧发酵12？48h，将己糖转化为乙醇，减压蒸馏出乙醇；再用树干毕赤酵母于28？35℃条件下限制性供氧发酵醪液24？80h，将戊糖转化为乙醇。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：勇强，余世袁，储秋露，杨德良，黄阳，徐勇，朱均均，李鑫，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：
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