[发明专利]一种碱蒸馏制备乙醇并联产纤维素纳米纤维的方法

说明书

本发明属于绿色生物制造技术领域，公开了一种糖质原料固体发酵碱蒸馏制备乙醇并联产纤维素纳米纤维的方法。所述方法为以甜高粱或甘蔗糖类作物同时作为制备乙醇和纤维素纳米纤维的原料，先在无自由水条件下青贮发酵，将糖类作物中的可发酵糖转化为乙醇，植物细胞壁结构在酸性环境下长期保存过程中被初步破坏，减少两产物制备过程中的化学试剂用量，进而减少漂洗黑液产生。然后利用碱蒸馏法汽提乙醇，同时打开木质纤维素结构；前述乙醇的制备方法，同时作为后续制备纤维素纳米纤维的原料预处理过程；本发明能大幅降低纤维素纳米纤维生产能耗、减少污水排放和化学试剂用量，适合大规模工业化生产，具有较好的经济效益和应用前景。

技术领域

本发明属于绿色生物制造技术领域，尤其涉及一种碱蒸馏制备乙醇并联产纤维素纳米纤维的方法。

背景技术

以糖类作物为原料通过固态发酵方法生产乙醇，相比于液态发酵具有废水产量少、能耗低、糖利用率高、预处理及后处理工艺简单等特点，目前固态发酵多为连续式(CN102071222A)，存在原料在保存过程中发霉变质和糖分水分流失等系列问题。其中，专利CN104919991A提出了一种高效保存农作物秸秆的方法，在该保存方法的基础上进一步加入酵母菌，将糖在保存过程中转变为乙醇，进一步降低了生产能耗和用水量。从固态发酵产物中提取乙醇，通常采用固态蒸馏的方法，使用蒸汽汽提其中的乙醇而剩余的酒糟中的主要干物质成分为木质纤维素，常用于牲畜饲料(CN106387390A)或改良盐碱土地(CN107325819A)，但由于其中的纤维素成分未能被有效利用导致经济性相对较差。

木质纤维素广泛存在于植物细胞壁中，在木质纤维素结构中，纤维素、半纤维素及木质素素通过氢键、醚键以及酯键等形式结合成紧密的网状结构。纤维素是网状结构的骨架，半纤维素及木质素以物理及化学方式填充包裹于纤维素骨架中，起到粘合及填充的作用。木质纤维素的网状结构使其具有较高的机械强度但给纤维素成分的分离带来了困难。

为获得制备纤维素纳米纤维的原料，对木质纤维素的预处理方法包括稀酸法、水热法、有机溶剂法和碱法等一系列方法，其中碱预处理法所需温度为90～110℃，与水热法相比，更适合与固态蒸馏相结合。专利CN102586339A提出了一种甜高粱秆联产乙醇和木质素的方法，利用碱蒸馏获得乙醇，再将蒸馏料水洗提取木质素，去木质素残渣用于生产纤维素乙醇，提高乙醇产量。但一方面，该方法在连续固态发酵和喷淋过程加入的新鲜水，会使碱蒸馏过程产生黑液，难以处理；另一方面，目前纤维素乙醇生产受制于高昂酶水解成本和低效五、六碳糖共发酵技术，产业化困难。而改善固态发酵过程，在保存过程中无游离水的条件下使糖发酵为乙醇，能实现细胞壁结构的破坏，减少碱蒸馏过程能耗，同时，生产纤维素纳米纤维相比于纤维素乙醇，工艺更为简单，且具有更好的应用前景。

纤维素纳米纤维(CNFs)是一种具有高长径比的新型纳米材料，具有可利用性广、无毒、可降解、生物相容性好等优点。由于其表面体积比大、反应活性高、结晶度高、热稳定性和机械稳定性好等特点，作为复合材料应用于造纸、食品、电子、医药等行业。传统的纤维素提取制浆工艺需要加入水分，同时碱用量大，加热时间长，如发明专利CN 101748633 A提出的碱预处理植物原料的方法，需要加入2～10倍10％浓度碱液进行制浆，蒸汽加热2小时获得粗纤维。预处理过程产生大量黑液，难以通过常规废水回收系统进行处理，同时，碱用量大、加热时间长和生产过程的高能耗也限制了纳米纤维素产业的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种碱蒸馏制备乙醇并联产纤维素纳米纤维的方法，所述方法为以糖类作物同时作为制备乙醇和纤维素纳米纤维的原料，将糖类作物中的可发酵糖先经青贮发酵转变为乙醇，植物细胞壁结构在酸性环境下长期保存过程中被初步破坏，减少两产物制备过程中的化学试剂用量，进而减少漂洗黑液产生量；再利用碱蒸馏法汽提乙醇，同时预处理木质纤维素，进一步生产纤维素纳米纤维；

具体包括以下步骤：

1)在糖类作物粉碎料中加入二氧化硫防腐剂杀灭杂菌，加入酿酒酵母并混合均匀，在无游离水的条件下置于发酵袋内保存；