[发明专利]一种利用木质纤维素生物质生产乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用木质纤维素生物质生产乙醇的方法。

背景技术

当今世界上使用的主要能源煤、石油和天然气均为不可再生且储量有限，这些化石燃料的燃烧也导致了空气污染、全球变暖等诸多环境问题。乙醇已经被证实可以作为汽车燃料，并表现出燃烧效率高、污染小、碳零排放等优点。木质纤维素生物质(林木、杂草、农业废弃物等)是由纤维素、半纤维素和木质素等构成的植物体生物质，其中纤维素和半纤维素由还原糖聚合而成。通过将纤维素、半纤维素水解为单糖，再利用单糖进行发酵可以得到乙醇。

木质纤维素生物质结构复杂且各组分连接紧密，为提高原料中聚糖的水解效率需要对其进行一定的预处理，目前对于木质纤维素的预处理方法多采用酸预处理或碱预处理，这两种预处理条件要求低，效果好，酸可以将原料中的半纤维素水解为单糖，碱可以溶解原料中的木质素并溶胀纤维素，这都有利于纤维素的酶解。但在预处理过程中会产生一些副产物，影响后续的酒精发酵，因此，只有将预处理、酶解、发酵过程协调进行才能将木质纤维素生物质高效转化成乙醇。

公开号为CN103627735A的专利公开了一种纤维素燃料乙醇联产多种糖酸的方法，专利中原料经稀酸水解或稀酸蒸汽爆破预处理，水解液中和后用于发酵生产糖酸，固体用于发酵生产乙醇，这种纤维素原料转化乙醇的方法预处理过程没有除去木质素，半纤维素没有用于转化乙醇。公开号为CN101041836A的专利公开了一种木质纤维素水解液发酵产酒精联产核酸的方法，专利中原料利用酸碱并行水解，将两种水解液按50:7的体积比混合，蒸发浓缩后利用酵母发酵产酒精，此方法中原料的纤维素未被利用，两种预处理方法分开进行的酸、碱并行处理方式并不是两者效果的叠加。公开号为CN102443659A的专利公开了一种秸秆高效糖化的酸碱组合预处理方法，专利中对原料进行高温酸、过氧化物、无机金属盐处理和碱浸泡处理，得到的固体酶解糖化；公开号为CN102153763A的专利公开了一种木质纤维素酸碱耦合预处理方法，原料经酸、碱处理后酶解得到单糖；上述两专利中没有涉及将糖液进一步处理去除发酵抑制物并转化乙醇的方法。公开号为CN102517341A的专利公开了一种采用秸秆类木质纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺，专利中将原料粉碎至过80目筛粉末后烘干，利用1％的氢氧化钠对原料进行预处理，预处理后的固体进行酶解糖化，糖化液利用酵母进行发酵得到乙醇，但该专利对原料颗粒度要求高，直接碱处理造成半纤维素水解浪费，糖化、发酵分步进行会导致纤维二糖或葡萄糖等中间产物对纤维素酶抑制且容易染菌。程旺开等发表在纤维素科学与技术2009年17卷第1期上的“麦秸秆的氢氧化钙预处理及酶解试验研究”，文中只利用氢氧化钙对麦秸秆进行预处理造成半纤维素水解浪费，没有将糖液进一步处理、发酵转化乙醇。杨娟等发表在2013年32卷第1期上的“纤维素乙醇的原料预处理方法及工艺流程研究进展”，文中提及将原料稀酸预处理、碱中和后同步糖化发酵生产乙醇，其中酸处理温度为160℃～220℃，这会产生大量酶解、发酵抑制物，碱仅被用来中和酸水解液造成碱的浪费。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种利用木质纤维素生物质生产乙醇的方法，通过协调生物质转化成乙醇的过程中的预处理、酶解、发酵等步骤，有效降低了预处理过程中产生的发酵抑制物的含量，提高了乙醇的转化产率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用木质纤维素生物质生产乙醇的方法，步骤如下：

(1)将木质纤维素生物质原料粉碎，加入质量分数为0.5％～2％的硫酸溶液进行常压热处理，将原料中的半纤维素水解为单糖或低聚糖，离心或过滤使酸水解液和残渣分离；

(2)将步骤(1)中的残渣置于水中，按每克残渣加入0.08～0.15g氢氧化钙或氧化钙，常压热处理溶解残渣中的木质素并溶胀纤维素，得到混合物A；

(3)将步骤(1)中的酸水解液,加入到混合物A中，酸水解液和混合物A的质量比为0.5-1:1，得到混合物B，50℃～100℃保温处理0.5～2h，混合过程中氢氧化钙和硫酸反应生成硫酸钙沉淀，随着混合液pH变化，溶液中的木质素析出，酸解过程中产生的发酵抑制物含量降低，待混合物B降温至25-40℃后，此时混合物B的pH为3.5～5.5；

(4)向步骤(3)中降温后的混合物B中加入纤维素酶，纤维素酶的加入量为：每克混合物B中的固体质量加入5～20FPU纤维素酶，同时加入氮源，按混合物B的体积接入2～8％(v/v)活化好的木糖发酵菌和1～4％(v/v)葡萄糖发酵酵母，进行同步糖化发酵生产乙醇。