由木質纖維原料生產乙醇的方法技術

本發明專利技術涉及一種由木質纖維原料生產乙醇的方法，主要解決現有技術存在總糖得率低的問題。本發明專利技術通過采用包括以下步驟：1)將木質纖維原料粉碎，在20～80℃條件下用稀酸有效連續浸漬，停留時間1～15分鐘，然后脫水；2)脫水后的物料在溫度80～200℃、壓力0.4～10MPa條件下處理1～35分鐘；3)步驟2)處理后的物料經瞬間減壓爆破，得到的含戊糖的多孔蓬松濕物料；4)含戊糖的多孔蓬松濕物料經水洗得到戊糖溶液，以及含纖維素和木質素的物料；5)含纖維素和木質素的物料中加入水，配成所需的干物濃度，經纖維素酶水解得到含己糖的酶解液；6)含己糖的酶解液發酵得到含乙醇的發酵醪液A；7)戊糖溶液發酵得到含乙醇的發酵醪液B；8)發酵醪液A和發酵醪液B混合后經提濃得到純度為95％的乙醇的技術方案較好地解決了該問題，可用于木質纖維原料生產乙醇的工業生產中。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種。
技術介紹
21世紀所面臨的能源、資源、環境等危機，已成為人類文明發展的主要障礙。人們正在努力尋找替代化石燃料的新能源，以降低對不可再生能源的依賴、控制二氧化碳的排放、保護生態環境。木質纖維原料是地球上產量最大的可再生資源，包括林木、農作物秸桿、農副產品加工下腳料等。目前這些資源中，除少數用于紙漿造紙、建筑、紡織、飼料等行業夕卜，大部分被白白地浪費掉。因此，開發木質纖維素原料制備乙醇的工藝是未來乙醇生產的發展方向。木質纖維素原料制備乙醇的工藝主要包括四個步驟預處理、酶水解、微生物發酵和乙醇分離。其中，預處理技術作為木質纖維素轉化為能源的關鍵步驟，已成為科研工作者關注的焦點。木質纖維素原料含有纖維素、半纖維素和木質素，當采用纖維素酶水解木質生物資源制備乙醇時，纖維素酶必須接觸吸附到纖維素底物上才能使反應進行，因此，纖維素對纖維素酶的可及性是決定水解速度的關鍵因素。纖維素的結晶區、木質生物資源的表面狀態、木質生物資源的多組分結構、木質素對纖維素的保護作用以及纖維素被半纖維素覆蓋等結構與化學成分的因素致使木質生物資源難以降解。總的來講，未經預處理的天然狀態的木質生物資源的酶解率小于20%。因此，必須對原料進行預處理，將纖維素、半纖維素和木質素進行分離，打破纖維素的結晶結構，提高纖維素對酶的可及性，使纖維素酶滲透進入纖維素，從而有效地酶解纖維素。木質纖維原料的預處理有多種方法，較常用的是酸處理法。CN101705255A公開了一種利用作物秸桿發酵生產乙醇的方法，在120 150°C，絕對壓力為0.2 0.6MPa的條件下，用0.5% 1%稀酸對秸桿進行預處理反應I 3小時，然后通過60°C的溫水洗滌后經酶解發酵得到乙醇。CN101696419A將植物或植物廢棄物于160 300°C的溫度下用0.1 3%的酸溶液進行浸泡處理，分解得到木質素，并分離出纖維素、D-木糖和L-阿拉伯糖；再應用所構建的釀酒酵母工程菌于28 30°C進行發酵生產乙醇。這種酸處理方法雖然可以水解半纖維素，但產生的副產物多，總糖的損失大，而且部分副產物對發酵產生抑制作用，造成后續的總糖利用率較低。目前文獻報道的最有工業應用前景的是物理化學法-蒸汽爆破法。蒸汽爆破法主要是在中性或堿性條件下，利用高溫高壓水蒸氣處理的纖維原料，并通過瞬間泄壓過程實現原料的組分分離和結構變化。文獻CN101693905A公開了將成熟的玉米秸桿切段，然后在溫度為220 240°C、壓力為1.6 1.8MPa的條件下蒸汽爆破預處理4 6分鐘，得汽爆秸桿。文獻CN1786340A公開了以秸桿為原料，經粗切后進行蒸汽爆破，按秸桿原料的絕干重量的0.5 2 %加入燒堿，在145 180°C汽相蒸煮溫度、0.9 2.0MPa壓力下處理12 18分鐘，瞬間減壓釋放得到汽爆秸桿。中性或堿性條件下蒸汽爆破雖然具有處理時間短、化學藥品用量少、無污染的優點，但是一方面由于半纖維素、纖維素和木質素三者纏繞結構未被充分打開，纖維素對纖維素酶的可及性低，造成后續纖維素水解效率較低；另一方面，由于中性條件下，半纖維素無法被有效降解成戊糖，戊糖未能充分利用；這都使得總糖得率較低。此外，由于是把原料裝在汽爆罐中，只能一罐一罐地間歇處理，不能連續化操作，生產效率低。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是現有技術存在總糖得率低的問題，提供一種新的。該方法具有總糖得率高的特點。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案如下一種，包括以下步驟I)將木質纖維原料粉碎，在20 80°C條件下用稀酸有效連續浸潰，停留時間I 15分鐘，然后脫水；2)脫水后的物料在溫度80 200°C、壓力O. 4 IOMPa條件下處理I 35分鐘；3)步驟2)處理后的物料經瞬間減壓爆破，得到的含戊糖的多孔蓬松濕物料；4)含戊糖的多孔蓬松濕物料在10 100°C經水洗得到戊糖溶液，以及含纖維素和木質素的物料； 5)步驟4)得到的含纖維素和木質素的物料中加入水，配成所需的干物濃度，在30 70°C、pH = I 7的條件下經纖維素酶水解8 120小時，得到含己糖的酶解液；6)步驟5)得到的含己糖的酶解液在20 45°C、pH = 3 8的厭氧條件下進行發酵菌發酵12 144小時，得到含乙醇的發酵醪液A ;7)步驟4)得到的戊糖溶液在20 45°C、pH = 3 8、通氣比為O.1 I的好氧條件下進行發酵菌發酵12 144小時，得到含乙醇的發酵醪液B ;8)發酵醪液A和發酵醪液B混合后經提濃得到純度為95 %的乙醇。上述技術方案中，步驟I)稀酸浸潰溫度優選范圍為30°C 70°C，浸潰停留時間優選范圍為3 11分鐘。步驟2)處理溫度優選范圍為120 190°C，處理壓力優選范圍為O. 5 2MPa，處理時間優選范圍為8 30分鐘。步驟4)水洗溫度優選范圍為20 80°C。步驟5)酶解溫度優選范圍為40 60°C，pH值優選范圍為3 6，酶解時間優選范圍為12 96小時。步驟6)己糖發酵溫度優選范圍為25 40°C，pH值優選范圍為4 7，發酵時間優選范圍為24 120小時。步驟7)戊糖發酵溫度優選范圍為25 40°C，pH值優選范圍為4 7，通氣比優選范圍為O. 3 O. 5，發酵時間優選范圍為24 120小時。步驟I)中所述稀酸選自硫酸、草酸或磷酸中的至少一種，其重量百分比濃度為0.3 3%。步驟I)木質纖維原料經稀酸浸潰后，干物含量為10 80%，優選范圍為20 75%。步驟3)中所述含戊糖的多孔蓬松濕物料中干物含量為20 45%，其中戊糖含量占干物總量的8 20%。步驟4)中所述水洗的液固比為(1:1) (20 :1)。步驟5)中所述所需的干物濃度為10 35 %。生產纖維素酶的菌種選自里氏木霉或黑曲霉中的至少一種，優選方案為選自里氏木霉；纖維素酶的用量為O. 02 O. 20克/克纖維素。所述己糖發酵菌選自運動發酵單孢菌或釀酒酵母中的至少一種，優選方案為選自釀酒酵母，其用量為O.1 10克/升。所述戊糖發酵菌選自樹干畢赤酵母或假絲酵母中的至少一種，優選方案為選自樹干畢赤酵母，其用量為O. 2 20克/升。步驟7)中所述戊糖溶液發酵前先提濃至含戊糖40 120克/升。木質纖維原料優選方案為選自玉米秸桿、稻秸桿、麥秸桿、植物草或豆秸。本專利技術方法中，步驟I)中脫除的含酸溶液可以循環使用。步驟5)纖維素酶解、步驟6)含己糖的酶解液發酵和步驟7)戊糖溶液發酵時，可以加入抗生素，抗生素選自青霉素或氨芐青霉素中的至少一種，其用量為IX 10_4 IOX 10_4克/升。步驟6)含己糖的酶解液發酵和步驟7)戊糖溶液發酵時，還可以加入可發酵的氮源，可發酵的氮源選自氯化銨、硝酸銨、硫酸銨、磷酸氫二銨、磷酸二氫銨、尿素、玉米漿或大豆餅粉中的至少一種，其用量為O. 02 I克/升。發酵醪液A和B混合后經精餾提濃，塔頂得到純度為95%的乙醇，塔底分離得到木質素。木質素可綜合利用，用于制備水泥減水劑、無醛人造板、木塑復合材料及調制浙青、裂解制芳烴或燃料燃燒調制浙青、燃燒的燃料或裂解制芳烴，使得固體廢棄物幾乎為零。其中制備無醛人造板方法是木質素作為膠黏劑可以合成不含甲醛的環保型復合材料。本專利技術方法中，步驟6)中發酵前，所述己糖本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種由木質纖維原料生產乙醇的方法，包括以下步驟：1)將木質纖維原料粉碎，在20～80℃條件下用稀酸有效連續浸漬，停留時間1～15分鐘，然后脫水；2)脫水后的物料在溫度80～200℃、壓力0.4～10MPa條件下處理1～35分鐘；3)步驟2)處理后的物料經瞬間減壓爆破，得到的含戊糖的多孔蓬松濕物料；4)含戊糖的多孔蓬松濕物料在10～100℃經水洗得到戊糖溶液，以及含纖維素和木質素的物料；5)步驟4)得到的含纖維素和木質素的物料中加入水，配成所需的干物濃度，在30～70℃、pH＝1～7的條件下經纖維素酶水解8～120小時，得到含己糖的酶解液；6)步驟5)得到的含己糖的酶解液在20～45℃、pH＝3～8的厭氧條件下進行發酵菌發酵12～144小時，得到含乙醇的發酵醪液A；7)步驟4)得到的戊糖溶液在20～45℃、pH＝3～8、通氣比為0.1～1的好氧條件下進行發酵菌發酵12～144小時，得到含乙醇的發酵醪液B；8)發酵醪液A和發酵醪液B混合后經提濃得到純度為95％的乙醇。

【技術特征摘要】
1.一種由木質纖維原料生產乙醇的方法，包括以下步驟1)將木質纖維原料粉碎，在20 80°C條件下用稀酸有效連續浸潰，停留時間I 15分鐘，然后脫水；2)脫水后的物料在溫度80 200°C、壓力O.4 IOMPa條件下處理I 35分鐘；3)步驟2)處理后的物料經瞬間減壓爆破，得到的含戊糖的多孔蓬松濕物料；4)含戊糖的多孔蓬松濕物料在10 100°C經水洗得到戊糖溶液，以及含纖維素和木質素的物料；5)步驟4)得到的含纖維素和木質素的物料中加入水，配成所需的干物濃度，在30 70°C、pH = I 7的條件下經纖維素酶水解8 120小時，得到含己糖的酶解液；6)步驟5)得到的含己糖的酶解液在20 45°C、pH= 3 8的厭氧條件下進行發酵菌發酵12 144小時，得到含乙醇的發酵醪液A ;7)步驟4)得到的戊糖溶液在20 45°C、pH= 3 8、通氣比為O.1 I的好氧條件下進行發酵菌發酵12 144小時，得到含乙醇的發酵醪液B ;8)發酵醪液A和發酵醪液B混合后經提濃得到純度為95%的乙醇。2.根據權利要求1所述由木質纖維原料生產乙醇的方法，其特征在于步驟I)稀酸浸潰溫度為30 70°C，連續浸潰，停留時間3 11分鐘；步驟2)處理溫度為120 190°C，處理壓力為O. 5 2MPa，處理時間為8 30分鐘。3.根據權利要求1所述由木質纖維原料生產乙醇的方法，其特征在于步驟4)水洗溫度為20 80°C ;步驟5)酶解溫度為40 60°C，pH = 3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳棟，繆晡，丁偉軍，羅翔明，杜軍，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，中石化上海工程有限公司，
類型：發明
國別省市：