[0001] 本发明属于生物质化工技术领域， 涉及到一种农林生物质废弃物浓醪发酵产纤 维素乙醇的方法。

背景技术

[0002] 随着当今资源能源危机、 温室效应和环境污染等问题日益突出， 利用丰富的木 质纤维素生物质可再生资源， 生物炼制可全方位替代石化生产的生物液体燃 料 和生物基化学品， 是当前世界生物能源产业的主流。 在众多生物基产品中以纤 维素燃料乙醇作为典型代表， 其常见的技术路线包括原料的预处理、 酶水解、 乙醇发酵和分离提纯等步骤， 尽管纤维素乙醇的生产工艺已经打通， 而且国内 外已建立了 10多套试装置或示范生产线， 但过高的生产成本严重阻碍了纤维素 乙醇的商业化步伐。

[0003] 在打破木质纤维素原料的致密结构和提高纤维 素纯度方面， 我们课题组早期发 明了甘油有机溶剂预处理技术 (CN 101148830 B; CN 101440108 B)， 该方法在保 留原料中 90%纤维素含量的同吋溶解脱出 70%以上半纤维素和 65%以上木质素， 预处理后纤维素纯度可达 60%以上， 湿基水解 48 hr酶解率可达 90%以上， 基质可 酶解性较好。 在此基础上， 本发明公幵一种农林生物质废弃物浓醪发酵产 乙醇 的方法。

技术问题

[0004] 造成生产成本较高的技术原因是由于纤维素乙 醇发酵尚未达到淀粉质乙醇发酵 常见的"三高" （高浓度， 高转化率和高效率） 指标， 具体表现在： （1)目前绝大 多数预处理后的纤维质原料仍含有大量杂质 （木质素、 灰分和半纤维素等） ， 导致基质纤维素纯度普遍偏低； （2)在原料水解糖化方面， 纤维素酶比活力有限 ， 产物抑制较敏感， 导致难以高基质浓度液化， 存在水解糖液浓度普遍偏低的 现象； （3)由于糖液浓度偏低和发酵抑制物问题， 导致目前的纤维素乙醇发酵液 中乙醇含量偏低。 针对上述存在的问题， 国内外研究者围绕纤维素乙醇浓醪发 酵在纤维素纯度、 基质浓度、 传质传热和发酵抑制物等各个方面幵展了一系 列 的研究工作， 也均取得了明显进展， 但发酵基质浓度多在 15-20%， 发酵后乙醇 浓度在 50-60 g/L， 综合指标还不理想， 比如机械搅拌能耗加大、 发酵吋间明显 延长和纤维素在纯度提高吋损失严重等。 因此， 纤维素乙醇浓醪发酵有待于幵 展进一步的研究工作。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明目的是针对现有纤维素乙醇发酵吋存在 物料预处理方法经济性差、 效率 低、 设备投资昂贵和环境污染， 以及存在发酵抑制物和糖液浓度偏低等问题， 公幵了一种甘油有机溶剂预处理木质纤维素原 料浓醪发酵纤维素乙醇的方法。

[0006] 本发明的技术解决方法包括以下步骤：

[0007] 1、 农林生物质废弃物的甘油有机溶剂预处理：

[0008] 准确称取一定量的农林生物质废弃物及其干重 5~50倍的 40~90%甘油水溶液于 蒸煮容器中， 150~240 °C保温蒸煮 0.5~5 hr， 蒸煮结束后冷却约 10~20 min， 加入 沸水调节使甘油浓度在 30~70%， 在 60~100 °C快速搅拌使纤维充分解离 15~60 min ， 趁热过滤或离心分离， 用 3~5倍于湿基重量的 40~60%甘油溶液洗涤 2~3次， 再 用 3~5倍于湿基重量的沸水洗涤 2~3次即获得甘油有机溶剂预处理粗纤维素。

[0009] 2、 上述预处理后物料作基质进行纤维素乙醇的浓 醪发酵

[0010] 发酵方式包括同步糖化发酵、 半同步糖化发酵和分批补料式半同步糖化发酵 ， 具体如下：

[0011] 同步糖化发酵： 以上述甘油有机溶剂预处理粗纤维素为碳源， 以柠檬酸缓冲液 配制成 10~40%初始基质浓度培养基， 6~20

g/L硫酸铵作氮源， 纤维素酶载量 10~80 FPU/g干基质， 按 6~14%接种量接入酿酒 酵母种子液后幵始同步糖化发酵， 发酵吋间 40~120 hr， 发酵温度 32~42

。C， pH3.6~5.4。

[0012] 半同步糖化发酵： 基质在同步糖化发酵前先在最适酶解条件下预 酶解 8~48 hr, 纤维素酶加量为 10~80 FPU/g干基质， 预酶解温度 45~55 °C; 然后降温至 32~42 °C

， 再加入氮源和种子液进行同步糖化发酵。 [0013] 分批补料- (半） 同步糖化发酵： 在同步糖化发酵启动 12~48 hr内分批次补加水 解液、 基质或基质 -纤维素酶， 然后进行同步糖化发酵， 以达到尽可能高的糖液 浓度， 最终获得较高的终产物乙醇浓度， 初步解决了高固含量发酵吋混合物粘 度增加、 混合不均、 传质受阻和抑制物浓度增加等不利因素。

发明的有益效果

有益效果

[0014] 本发明的有益效果：

[0015] 1、 既然甘油有机溶剂预处理技术可使用生物柴油 工业副产品-低质甘油作为蒸 煮溶剂， 甘油有机溶剂预处理基质用于乙醇发酵， 则该发明有希望同吋推进生 物柴油和纤维素乙醇的工业化， 因而具有潜在商业价值。

[0016] 2、 不像酸 /碱预处理基质酶解发酵前需要中和， 也不像低沸点有机溶剂 （乙醇 、 甲醇、 丙酮和乙酸） 和离子液预处理后的溶剂残留对微生物酶有毒 害， 甘油 本身是许多种微生物优良碳源， 所以它的残留对后续酶解和微生物发酵无不良 影响。

[0017] 3、 该发明的发酵培养基中仅有纤维素碳源、 硫酸铵氮源和柠檬酸缓冲液配制 而成， 无需添加营养盐， 所以经济性较好。

[0018] 4、 在甘油有机溶剂预处理物料作为基质进行纤维 素乙醇浓醪发酵过程中， 发 酵醪液中没有检测到糠醛和 5-羟甲基糠醛等常见的发酵抑制物， 乙酸含量也很低

(<4 g/L)， 说明甘油有机溶剂预处理基质中没有明显的发 酵抑制物。

[0019] 5、 采用分批补料式半同步糖化发酵方式可使基质 浓度逐步提高到相当于 40%

， 避免了一次性投料高基质浓度发酵吋出现的混 合物粘度增加、 混合不均、 传 质受阻和抑制物浓度增加等不利因素。

[0020] 分批补料 -半同步糖化发酵生产的乙醇浓度较高， 可高达 80 g/L以上， 显著提高 的乙醇浓度在乙醇蒸馏吋有助于降低能耗。

本发明的实施方式

[0021] 下面通过实例， 对发明的技术方案进行进一步的说明。

[0022] 实施例 [0023] 一种农林生物质废弃物浓醪发酵产乙醇的方法 ， 所述方法包括如下步骤：

[0024] 1、 麦草、 玉米秆和甘蔗澄等农林废弃物常压甘油自催化 预处理： 准确称取 10 g 烘干粉碎至不超过 15 mm长得原料， 放入带有搅拌桨的 500 mL三孔烧瓶内， 然后 加入 200 g浓度为 70%的甘油水溶液， 220 °C保温蒸煮 3 hr， 蒸煮结束后冷却约 15 min， 加入 150

g沸水， 快速搅拌使纤维充分解离， 趁热用 G1砂芯漏斗过滤， 用 500 g甘油 (50%) 溶液洗涤两次， 再用 400 g沸水洗涤两次即获得常压甘油自催化预处理� �料。

[0025] 2、 甘油有机溶剂预处理物料浓醪发酵产纤维素乙 醇：

[0026] 2.1麦草同步糖化发酵： 初始基质浓度 15%， 纤维素酶载量 30 FPU/g干基质， 氮 源硫酸铵其添加量 10 g/L; 发酵温度 37 °C， 发酵吋间 72 hr， pH4.8 , 震荡吋间 72 hr， 接种量 10%。 在此条件下发酵终产物乙醇浓度为 31.2 g/L， 纤维素乙醇转化 率为 73.3%， 发酵强度为 0.43 g/LJhr。

[0027] 2.2麦草半同步糖化发酵： 基质在同步糖化发酵前先进行 24 hr的预酶解， 纤维 素酶的添加量为 30 FPU/g干基质， 预酶解温度 50 °C， 经过 24 hr的预酶解后接入 酿酒酵母种子液 37 °C下进行半同步糖化发酵产乙醇。 在此条件下发酵 72 hr后终 产物乙醇浓度为 33.7 g/L， 纤维素乙醇转化率为 79.1%， 发酵强度为 0.47 g/IJhr。

[0028] 2.3麦草分批补料 -半同步糖化发酵： 发酵启动前 24 hr内完成补料， 每隔 6 hr补 力口 1/3初始基质干重及相应酶载量， 补料后基质浓度达到了 35%。 发酵 72 hr后乙 醇浓度达到了 60.5 g/L， 发酵强度为 0.84 g/IJhr， 发酵 96 hr后乙醇浓度为 62.0 g/L ， 发酵强度为 0.65 g/IJhr， 纤维素乙醇转化率为 62.4%。 乙醇浓度远远高于经济 蒸馏的最低要求 (40 g/L)。 发酵液中没有检测到糠醛、 5-羟甲基糠醛这两种抑制 物， 抑制物乙酸的浓度为 2.90 g/L， 低于抑制酵母生长发酵的浓度 (6 g/L)。 分批 补料-半同步糖化发酵初步解决了高固含量发� �吋混合物粘度增加、 混合不均、 传质受阻和抑制物浓度增加等不利因素。

[0029] 对这三种发酵方式进行了比较， 结果如下表所示。

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[0030] 2.4玉米桔秆同步糖化发酵： 初始基质浓度 15%， 纤维素酶载量 30 FPU/g干基质 ， 氮源硫酸铵其添加量 10 g/L; 发酵温度 37 °C， 发酵吋间 72 hr， pH4.8 , 震荡吋 籙

间 72 hr， 接种量 10%。 在此条件下发酵终产物乙醇浓度为 34.6 g/L， 纤维素乙醇 转化率为 72.5%， 发酵强度为 0.48 g/LJhr。

[0031] 2.5玉米桔秆半同步糖化发酵： 基质在同步糖化发酵前先进行 24 hr的预酶解， 纤维素酶的添加量为 30 FPU/g干基质， 预酶解温度 50 °C， 经过 24 hr的预酶解后 接入酿酒酵母种子液 37 °C下进行半同步糖化发酵产乙醇。 在此条件下发酵 72 hr 后终产物乙醇浓度为 37.3 g/L， 纤维素乙醇转化率为 78.2%， 发酵强度为 0.52 g/L/hr=

[0032] 2.6玉米桔秆分批补料 -半同步糖化发酵： 发酵启动前 24 hr内完成补料， 每隔 6 hr补加 1/3初始基质干重及相应酶载量， 补料后基质浓度达到了 35%。 发酵 72 hr 后乙醇浓度达到了 65.3 g/L， 发酵强度为 0.91 g/IJhr， 发酵 96 hr后乙醇浓度为 67.8 g/L, 发酵强度为 0.71 g/IJhr， 纤维素乙醇转化率为 60.9%。 乙醇浓度远远高于经 济蒸馏的最低要求 (40 g/L)。 发酵液中没有检测到糠醛、 5-羟甲基糠醛这两种抑 制物， 抑制物乙酸的浓度为 3.10 g/L， 低于抑制酵母生长发酵的浓度 (6 g/L)。 分 批补料-半同步糖化发酵初步解决了高固含量� �酵吋混合物粘度增加、 混合不均 、 传质受阻和抑制物浓度增加等不利因素。

[0033] 对这三种发酵方式进行了对比， 结果如下表所示。

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[0034] 2.7甘蔗澄同步糖化发酵： 在基质初始基质浓度 15%， 纤维素酶载量 30FPU/g干 基质， 氮源硫酸铵其添加量 10 g/L; 发酵温度 37°C， 发酵吋间 72hr， pH4.8, 震 荡吋间 72hr， 接种量 10%。 在此条件下发酵终产物乙醇浓度为 38.4 g/L， 纤维素 乙醇转化率为 71.6%， 发酵强度为 0.53 g/LJhr。

[0035] 2.8甘蔗澄半同步糖化发酵： 基质在同步糖化发酵前先进行 24 hr的预酶解， 纤 维素酶的添加量为 30FPU/g干基质， 预酶解温度 50°C， 经过 24 hr的预酶解后接 入酿酒酵母种子液 37 °C下进行半同步糖化发酵产乙醇。 在此条件下发酵 72 hr后 终产物乙醇浓度为 41.3 g/L， 纤维素乙醇转化率为 77.0%， 发酵强度为 0.57 g/IJhr

[0036] 2.9甘蔗澄分批补料 -半同步糖化发酵： 发酵启动前 24 hr内完成补料， 每隔 6hr 补加 1/3初始基质干重及相应酶载量， 补料后基质浓度达到了 35%。 发酵 72hr后 乙醇浓度达到了 73.2g/L， 发酵强度为 1.02g/IJhr， 发酵 96 hr后乙醇浓度为 75.2 g/L, 发酵强度为 0.78 g/IJhr， 纤维素乙醇转化率为 60.0%。 乙醇浓度远远高于经 济蒸馏的最低要求 (40g/L)。 发酵液中没有检测到糠醛、 5-羟甲基糠醛这两种抑 制物， 抑制物乙酸的浓度为 3.62 g/L， 低于抑制酵母生长发酵的浓度 (6 g/L)。 分 批补料-半同步糖化发酵初步解决了高固含量� �酵吋混合物粘度增加、 混合不均 、 传质受阻和抑制物浓度增加等不利因素。

[0037] 对这三种发酵方式进行了对比， 结果如下表所示。

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'· μ举 象' 、 ? . J' $ 上文用一般性说明和具体实施方案对本发明做 了详尽的描述， 可以在本发明的 基础上做一些修改， 因此， 在不偏离发明精神的基础上所做的这些修改和 调整 ， 都属于本发明要求保护的范围。