專利名稱：一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物能源工業(yè)，采用纖維素酶和木聚糖酶水解糖化苧麻韌皮纖維，水解產(chǎn)物經(jīng)過(guò)酵母發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的新工藝。
背景技術(shù)：
1、生物能源將成為石油的替代產(chǎn)品石油作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略物資在經(jīng)過(guò)人類近二百年的開采后，面臨全球枯竭的局面。上世紀(jì)七十年代中期，歷經(jīng)連續(xù)四次的“石油危機(jī)”的重創(chuàng)后，生物能源利用成為了重要課題。美國(guó)、巴西大力推薦燃料乙醇，已形成規(guī)模生產(chǎn)和使用。同時(shí)也刺激農(nóng)業(yè)、維護(hù)糧價(jià)、減少對(duì)石油依賴、增加就業(yè)、改善大氣環(huán)境質(zhì)量等，均為世界所共認(rèn)。目前，許多農(nóng)業(yè)資源國(guó)如英國(guó)、荷蘭、泰國(guó)、南非等國(guó)政府均已制定規(guī)劃，積極發(fā)展燃料乙醇工業(yè)。
我國(guó)是能源消耗大國(guó)，僅次于美國(guó)。隨著石油和煤炭等不可再生能源的過(guò)度開采，能源危機(jī)已成為社會(huì)持續(xù)發(fā)展的障礙。而經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平的提高，對(duì)能源的需求卻在與日俱增。因此開發(fā)利用可再生能源，確?，F(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求，已成為當(dāng)今時(shí)代最緊迫的任務(wù)。全國(guó)九屆人大四次會(huì)議通過(guò)的《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年計(jì)劃綱要》提出，要“開發(fā)燃料乙醇等石油替代品，采取措施節(jié)約石油資源”?！笆濉逼陂g，國(guó)家批準(zhǔn)河南天冠、黑龍江華潤(rùn)、吉林和安徽豐原4家燃料乙醇企業(yè)產(chǎn)能122萬(wàn)噸，東北三省被列為全國(guó)燃料乙醇應(yīng)用試點(diǎn)推廣省份。
2、苧麻富含木質(zhì)纖維素，是極為重要的能源載體目前，我國(guó)生產(chǎn)燃料乙醇的主要原料是玉米。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)燃料乙醇生產(chǎn)能力和需求均有提高，玉米工業(yè)消費(fèi)量將持續(xù)增加，國(guó)內(nèi)玉米供求極有可能重新出現(xiàn)缺口，并將進(jìn)一步加大和威脅到我國(guó)的糧食安全。因此，燃料乙醇原料的多樣化是國(guó)家生物能源戰(zhàn)略發(fā)展的需要。將天然木質(zhì)纖維素原料如玉米秸稈、苧麻、蘆葦、甘蔗渣、檸檬酸渣、酒糟、谷殼等通過(guò)生物轉(zhuǎn)化得到酒精等能源物質(zhì)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
苧麻是具中國(guó)特色的經(jīng)濟(jì)作物，常年種植面積近20萬(wàn)公頃，主要種植在長(zhǎng)江流域山坡地和平原沖積土壤上，主栽區(qū)為湖南、四川、湖北、江西和重慶等省(市)。苧麻年收三季，生物學(xué)產(chǎn)量高，每公頃干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)23噸，比玉米桿產(chǎn)量高出42％；苧麻木質(zhì)纖維素含量高，為68-75％，木質(zhì)素含量低，僅為2-8％。按苧麻木質(zhì)纖維素含量為68％計(jì)算，每公頃可產(chǎn)木質(zhì)纖維素13.7噸，若按每噸纖維素生產(chǎn)1.2噸工業(yè)酒精計(jì)，可生產(chǎn)16.5噸工業(yè)用酒精。另外，苧麻抗逆能力強(qiáng)，各種逆境土壤和山坡地均可種植，不與糧食、棉花等主要作物爭(zhēng)地，為能源植物的發(fā)展提供了重要的選擇。
3、酶糖化技術(shù)是生產(chǎn)燃料乙醇的核心苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇包括脫膠、纖維素水解糖化和酵母發(fā)酵等環(huán)節(jié)。其中，纖維素水解糖化技術(shù)是制約苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，生產(chǎn)上普遍采用的纖維素糖化方法為高溫高壓條件下的硫酸水解法，但該方法存在著成本高、污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題，制約天然木質(zhì)纖維素的開發(fā)利用。為此，國(guó)內(nèi)外廣泛開展高活性纖維素酶菌種的選育和天然木質(zhì)纖維素酶水解工藝研究，并取得了一定的進(jìn)展。國(guó)外，Zomed等(1991)利用純化的β-葡萄糖苷酶和纖維素酶同時(shí)酶解纖維素，大大提高了糖化速率，幾乎使所有的纖維素都能轉(zhuǎn)化為葡萄糖；Han等(2000)利用模式菌種里氏木霉QM29414產(chǎn)生的纖維素酶對(duì)香蕉葉子進(jìn)行降解，獲得了較高的糖化率。國(guó)內(nèi)，主要在降低酶的成本，超濾膜的酶回收技術(shù)、高產(chǎn)纖維素酶菌株選育及酶的后處理技術(shù)等方面做了大量工作。張發(fā)群等(1991)糖化蔗髓時(shí)，先用10％的CaO在120℃下攪拌處理70min，再經(jīng)Trichoderma Uoningji P2菌株所產(chǎn)生的酶液進(jìn)行降解，24h后得糖率為45.3％-54.5％，全纖維素轉(zhuǎn)化率平均為73.8％；沈金龍等(2004)利用纖維素酶高產(chǎn)菌株里氏木霉突變株813A所產(chǎn)生的纖維素酶，對(duì)天然木質(zhì)纖維素的水解糖化過(guò)程進(jìn)行了研究，玉米葉和楊樹葉的水解糖化率分別達(dá)到86.12％和56.10％，酒精轉(zhuǎn)化率79.14％-72.11％。這些研究表明，利用酶法技術(shù)降解木質(zhì)纖維素，具有環(huán)境污染輕、提高糖化率和酒精轉(zhuǎn)化率等特點(diǎn)，開發(fā)前景廣闊。但有關(guān)苧麻韌皮纖維降解糖化生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)報(bào)道。
三、擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題本發(fā)明針對(duì)生產(chǎn)上采用的纖維素硫酸水解糖化方法存在的問(wèn)題，采用微生物發(fā)酵和酶催化技術(shù)，提供一種微生物提取、酶催化水解糖化和酵母發(fā)酵的燃料乙醇生產(chǎn)方法。即通過(guò)脫膠微生物的發(fā)酵，除去纖維束間的果膠、木質(zhì)素和半纖維素等非纖維素物質(zhì)；纖維素酶和木聚糖酶的共同催化水解作用，可將纖維素和半纖維素降解糖化為單糖或寡糖；然后酵母發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有處理時(shí)間短、轉(zhuǎn)化率高和環(huán)境污染輕等特點(diǎn)。苧麻木質(zhì)纖維素提取率高達(dá)70-75％、木聚糖酶活性＞5000IU/ml、酸性纖維素酶活性＞2000IU/ml、纖維素糖化率為80％-85％、乙醇轉(zhuǎn)化率＞70％。
四、技術(shù)方案本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括備料、生物脫膠、洗麻、混合酶水解糖化、過(guò)濾、酸性纖維素酶水解糖化、發(fā)酵液配制與滅菌、發(fā)酵、分餾等工序。
(一)備料 原麻除雜，剪成5cm±0.5cm的片斷，備用。
(二)生物脫膠 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國(guó)家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
(三)洗麻 用自來(lái)水沖洗已脫膠的苧麻韌皮纖維，以除盡粘附在纖維上的脫膠產(chǎn)物。
(四)混合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合配比為1∶2-3，木聚糖酶濃度5％，酸性纖維素酶濃度10％-15％，浴比1∶8-10，pH值5.0-6.0，溫度為45℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間2.0h±0.5h。
(五)過(guò)濾 用四層紗布過(guò)濾，分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化纖維素。
(六)酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度10％±2％，浴比1∶8-10，pH值5.0±0.5，酶催化反應(yīng)的溫度45℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h±0.5h。
(七)發(fā)酵液配制與滅菌 分別按發(fā)酵液體積(濃縮體積，其含糖率約為15％)的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制溫度121℃±5℃，滅菌15-20分鐘。
(八)發(fā)酵 酵母菌接種量為糖液重量的2％±0.5％，發(fā)酵溫度30℃±2℃，通氣量0.02m3.m-3.min-1±0.002m3.m-3.min-1，發(fā)酵時(shí)間66h±6h。
(九)分餾 多級(jí)分餾獲得燃料級(jí)乙醇。
五、實(shí)施例(一)技術(shù)方案本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括備料、生物脫膠、洗麻、混合酶水解糖化、過(guò)濾、酸性纖維素酶水解糖化、發(fā)酵液配制與滅菌、發(fā)酵、分餾等工序。
實(shí)施例11、備料 原麻除雜，剪成5cm±0.5cm的片斷，備用。
2、生物脫膠 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國(guó)家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
3、洗麻 用自來(lái)水沖洗已脫膠的苧麻韌皮纖維，以除盡粘附在纖維上的脫膠產(chǎn)物。
4、混合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合的配比1∶2，木聚糖酶濃度5％，酸性纖維素酶濃度10％，浴比1∶8，pH值5.0-6.0，溫度為45℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間1.5h。
5、過(guò)濾 用四層紗布過(guò)濾，分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化纖維素。
6、酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度8％，浴比1∶8，pH值5.0±0.5，酶催化反應(yīng)的溫度45℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間2.5h。
7、發(fā)酵液配制與滅菌 分別按發(fā)酵液體積(濃縮體積，其含糖率約為15％)的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制溫度121℃±5℃，滅菌15-20分鐘。
8、發(fā)酵 酵母菌接種量為糖液重量的1.5％，發(fā)酵溫度28℃，通氣量0.02m3.m-3.min-1±0.002m3.m-3.min-1，發(fā)酵時(shí)間60h。
9、分餾 多級(jí)分餾獲得燃料級(jí)乙醇。
實(shí)施例21、備料 原麻除雜，剪成5cm±0.5cm的片斷，備用。
2、生物脫膠 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國(guó)家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
3、洗麻 用自來(lái)水沖洗已脫膠的苧麻韌皮纖維，以除盡粘附在纖維上的脫膠產(chǎn)物。
4、混合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合的配比1∶2.5，木聚糖酶濃度5％，酸性纖維素酶濃度12.5％，浴比1∶9，pH值5.0-6.0，溫度為45℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間2.0。
5、過(guò)濾 用四層紗布過(guò)濾，分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化纖維素。
6、酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度10％，浴比1∶9，pH值5.0±0.5，酶催化反應(yīng)的溫度45℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h。
7、發(fā)酵液配制與滅菌 分別按發(fā)酵液體積(濃縮體積，其含糖率約為15％)的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制溫度121℃±5℃，滅菌15-20分鐘。
8、發(fā)酵 酵母菌接種量為糖液重量的2％，發(fā)酵溫度30℃，通氣量0.02m3.m-3.min-1±0.002m3.m-3.min-1，發(fā)酵時(shí)間66h。
9、分餾 多級(jí)分餾獲得燃料級(jí)乙醇。
實(shí)施例31、備料 原麻除雜，剪成5cm±0.5cm的片斷，備用。
2、生物脫膠 按“苧麻生物脫膠工藝技術(shù)與設(shè)備”—國(guó)家發(fā)明專利技術(shù)(專利號(hào)ZL95112564.8)要求進(jìn)行，濕潤(rùn)發(fā)酵6-8小時(shí)。
3、洗麻 用自來(lái)水沖洗已脫膠的苧麻韌皮纖維，以除盡粘附在纖維上的脫膠產(chǎn)物。
4、混合酶水解糖化 木聚糖酶與酸性纖維素酶混合的配比1∶3，木聚糖酶濃度5％，酸性纖維素酶濃度15％，浴比1∶10，pH值5.0-6.0，溫度為45℃±5℃，酶解時(shí)間2.5h。
5、過(guò)濾 用四層紗布過(guò)濾，分離糖化酶解產(chǎn)物和未糖化纖維素。
6、酸性纖維素酶水解糖化 完全徹底糖化纖維素，酸性纖維素酶濃度12％，浴比1∶10，pH值5.0±0.5，酶催化反應(yīng)的溫度45℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.5h。
7、發(fā)酵液配制與滅菌 分別按發(fā)酵液體積(濃縮體積，其含糖率約為15％)的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制溫度121℃±5℃，滅菌15-20分鐘。
8、發(fā)酵 酵母菌接種量為糖液重量的2.5％，發(fā)酵溫度32℃，通氣量0.02m3.m-3.min-1±0.002m3.m-3.min-1，發(fā)酵時(shí)間72h。
9、分餾 多級(jí)分餾獲得燃料級(jí)乙醇。
(二)實(shí)施效果本發(fā)明以1kg、2kg和10kg的苧麻韌皮纖維為實(shí)驗(yàn)原料，經(jīng)本發(fā)明技術(shù)實(shí)施處理后的苧麻木質(zhì)纖維素提取率高達(dá)70-75％、纖維素水解糖化率為80％-85％、乙醇轉(zhuǎn)化率＞70％。
權(quán)利要求
1.一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于經(jīng)生物脫膠后的苧麻韌皮纖維，采用木聚糖酶和酸性纖維素酶進(jìn)行降解糖化后，利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于工藝流程包括備料、生物脫膠、洗麻、混合酶降解糖化、過(guò)濾、酸性纖維素酶降解糖化、發(fā)酵液配制與滅菌、發(fā)酵、分餾等工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于混合酶配制時(shí)，木聚糖酶與酸性纖維素酶的配比1∶2-3，木聚糖酶濃度5％，酸性纖維素酶濃度10％-15％，浴比1∶8-10，pH值5.0-6.0，溫度為45℃±5℃，酶催化反應(yīng)時(shí)間2.0h±0.5h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于纖維素酶降解糖化時(shí)，酸性纖維素酶濃度10％±2％，浴比1∶8-10，pH值5.0±0.5，溫度45℃±5℃，反應(yīng)時(shí)間3.0h±0.5h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于配制發(fā)酵液時(shí)，分別按糖液體積的0.5％和0.3％加入酵母汁和蛋白胨，控制溫度121℃±5℃，滅菌15-20分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于乙醇發(fā)酵時(shí)酵母菌接種量為發(fā)酵液的1％±0.5％，發(fā)酵溫度30℃±2℃，通氣量0.02m3.m-3.min-1±0.002m3.m-3.min-1，發(fā)酵時(shí)間66h±6h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3和4所述的酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)，其特征在于加入的木聚糖酶活性＞5000IU/ml，酸性纖維素酶活性＞2000IU/ml。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種酶法降解苧麻韌皮纖維生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其特征在于經(jīng)生物脫膠后的苧麻韌皮纖維，采用木聚糖酶和酸性纖維素酶進(jìn)行降解糖化后，利用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括備料、生物脫膠、洗麻、混合酶降解糖化、過(guò)濾、酸性纖維素酶降解糖化、發(fā)酵液配制與滅菌、發(fā)酵、分餾等工序。苧麻韌皮纖維的酶水解糖化分二步進(jìn)行。糖化液經(jīng)過(guò)酵母發(fā)酵后，多級(jí)分餾獲得燃料級(jí)乙醇。加入的木聚糖酶活性＞5000IU/ml，酸性纖維素酶活性＞2000IU/ml。采用本發(fā)明技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇，具有處理時(shí)間短、轉(zhuǎn)化率高、污染輕等特點(diǎn)。本技術(shù)對(duì)解決常規(guī)化學(xué)生產(chǎn)工藝存在的環(huán)境污染重、轉(zhuǎn)化率低等問(wèn)題具有重要作用。
文檔編號(hào)C10L1/02GK1966693SQ20051012449
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月15日
發(fā)明者熊和平, 彭源德, 唐守偉, 楊喜愛(ài), 嚴(yán)理, 喻春明, 朱愛(ài)國(guó), 王延周, 胡陵 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所