[发明专利]一种生物‑物理联合处理稻草生产乙醇及挥发性脂肪酸的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物-物理联合处理稻草生产乙醇及挥发性脂肪酸的方法，属于生物技术可再生能源领域。

背景技术

近年来，在全球范围内随着人口数量的增加和生活质量提高，导致对能源的需求急剧上升。已超过84％全球总能源来自不可再生的化石能源，例如：煤、石油、天然气。这些化石能源物质燃烧时不可避免往大气层中的排放温室气体和有害气体，污染环境。生物燃料被公认为是可以取代化石燃料的一种可再生能源，已成为当今的研究热点。木质纤维素生物质(稻草)以其可再生，廉价的优点成为生产生物燃料理想的原材料。木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维和木质素组成，木质素和半纤维素结合的共价键将纤维素分子包埋其中，木质素中醚键和碳-碳键形成的具有三维结构高分子芳香类化合物，这些强的键会形成一种天然屏障，进而阻碍碳水化合物转变为生物能源。因此，适当的预处理显得尤为重要。目前所用的预处理主要包括物理(球磨、超声)，热(蒸汽爆破、热液)，化学(酸、碱、氧化剂)，生物(真菌、酶、发酵)以及联合处理(生物+化学，生物+物理)。生物预处理是一种安全，耗能少，环境友好型的预处理方法，因此受到广泛关注。

本专利提出了以高固瘤胃液发酵(总固体浓度≥20％)作为一种新颖的生物预处理方法。瘤胃液中约含有10⁶个细菌，10⁶纤毛原生动物和10³-10⁶真菌，这些微生物通过相互作用能够有效降解木质纤维素生物质，短时间会产生大量的挥发性脂肪酸。通过控制底物和接种物的比例或添加甲烷菌抑制剂可使反应器内长期保持酸化状态。这些有机酸和瘤胃微生物共同作用可被视为一种木质纤维素的预处理方法。生物质经长期酸和微生物作用下，晶体结构易遭到破坏，半纤维素被降解，表面孔隙度增大，使其内部纤维素更容易被酶接触。长期的厌氧发酵还可以使木质纤维素生物质颗粒变小，从而增大了比表面积，增加了酶对纤维素的可触及性。高固瘤胃液发酵具有高的处理能力，节省了能源，无有害代谢产物排放，无需用水冲洗发酵产物，产生的挥发性脂肪酸可以被回收作为生产甲烷、氢气，电，生物柴油及生物塑料(PHAs)的底物。此外，瘤胃液得以合理的利用，还可以减少了屠宰场处理牛羊瘤胃内容物的负担。

物理预处理主要是通过降低颗粒大小，增加其比表面积，降低纤维素结晶度促进酶水解效率。本专利提出生物与物理联合预处理稻草生产乙醇及挥发性脂肪酸的方法，无有害副产物生成，是一种环境友好型的预处理方法。增加了生物能源产量和产物多样性，提高了物质转化效率，突破了传统单一预处理方法的瓶颈。

发明内容

本发明目的在于填补现有相关技术的空白，提供一种生物-物理联合处理稻草生产乙醇及挥发性脂肪酸的方法。该方法解决了稻草水解效率低的问题，提高了稻草的转化效率，增加了生物能源产量和产物多样性，是一种环境友好型的预处理方法。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种生物-物理联合处理稻草生产乙醇及挥发性脂肪酸的方法，其特征在于：首先将稻草进行高固瘤胃液发酵处理，即生物预处理，得到发酵产物，挤压固液分离得到挥发性脂肪酸。将干燥后固体产物再进行物理预处理，得到联合预处理产物。将预处理后的产物进行同步糖化发酵得到乙醇。

所述稻草是指：经清洗并在自然风干后磨碎至2-10mm长度的稻草。

所述的生物预处理是指：采用瘤胃液高固发酵稻草，按照稻草的质量和瘤胃液的体积以40g:200ml混合，并密封置于25-40℃的温度下，运行时间为 20-40d。

所述生物预处理，为避免酸转化为甲烷，瘤胃液中加入5-15mM甲烷抑制剂(2-溴乙烷磺酸钠，BES)。

所述生物预处理，瘤胃液中加入30g/L NaHCO₃缓冲剂和3g/L CO(NH₂)₂氮源。

所述物理预处理是指：采用超声波或球磨预处理发酵固体产物。

所述超声波预处理是指：将5g干燥发酵固体加入到50mL醋酸钠缓冲液 (pH＝4.8)中，超声功率设为300-500W,频率为45kH，处理时间为30-90min。预处理后的固体经过滤后烘干至恒重，进行同步糖化发酵产乙醇。

所述球磨预处理是指：将4g干燥发酵固体直接加入到行星式球磨装置中，转速为600-800rpm，处理时间为60-180min。将产物直接进行同步糖化发酵产乙醇。