專利名稱：竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于工業生物技術領域，涉及的是一種生產燃料乙醇的工藝方法，尤其涉及一種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝。
背景技術：
現在已有的利用生物質資源生產燃料乙醇的原料有淀粉類原料、糖類原料、薯類 原料、農作物秸稈類原料等。例如，中國專利號“200480011192.0”公開了一種從植物材料 生產乙醇的方法，其申請日為2004年03月10日，
公開日為2006年05月31，包括將植物材 料粉碎以產生包含淀粉的材料；粉碎的植物材料具有使至少約50%的顆粒大小合適通過 具有0. 1-0. 5mm網孔的篩子的粒徑；用酶組合物不經蒸煮而糖化該淀粉；發酵該經孵育的 淀粉以產生包含至少15體積％乙醇的組合物；發酵包括降低發酵混合物的溫度；以及從發 酵物回收乙醇和聯產品。再如，中國專利號“02151719. 3”公開了一種甜高粱秸稈生產乙醇 工藝方法其申請日為2002年12月27日，
公開日為2004年07月14日，包括甜高粱秸稈 清理-秸稈破碎榨汁-過濾加酸澄清-發酵-離心分離_提取乙醇_乙醇精制，采用新鮮 甜高粱秸稈為原料，經破碎榨汁、或不榨汁發酵等工序生產乙醇。上述諸類原料及生產工藝方法存在如下缺點一、淀粉類原料生產燃料乙醇，一般 采用玉米、小麥、薯類等糧食作物或非糧作物等為原料，易受耕地和產量限制，同時我國已 禁止采用糧食作物生產燃料乙醇，限制了淀粉類原料的能源化利用。二、糖質類生產燃料乙 醇，主要采用甘蔗、甜菜和甜高粱等，種植成本較高，且區域性較為明顯，如甘蔗主要適用于 我國南方地區，甜菜和甜高粱主要適用于北方地區。這些能源作物均需要大量的耕地方能 滿足燃料乙醇規模化生產需求。三、農作物秸稈類原料生產乙醇，已有研究主要集中在玉米 秸稈上，但還存在運輸收集成本高和轉化效率低等問題，目前我國還處于研究階段。四、目 前纖維素前一般采用H2SO4和氣爆等處理工藝，其條件較為激烈，動力消耗較大，其處理成 本較高。五、纖維素降解產物較為復雜，尤其是含有較多的五碳糖(如木糖)，而目前大多數 乙醇發酵菌株不能利用木糖或產生較多的副產物(如木糖醇等)，因此，乙醇發酵效率低。
發明內容
本發明的目的在于克服現有燃料乙醇的生產原料及工藝存在的上述問題，提供一 種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，本發明采用竹子生物質廢棄物為原料，可以大 量、低成本地生產燃料乙醇，提高乙醇發酵率，降低乙醇的生產成本，并且生產工藝簡單，產 值高；同時，本發明采用溫和的處理條件實現原料分級處理工藝，一方面可實現原料的全利 用，同時采用的發酵菌株葡萄糖利用效率和乙醇產率高。為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下一種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于，包括如下步驟對竹子 生物質廢棄物預處理后，再經水解發酵制得燃料乙醇。所述預處理包括a、將竹子生物質廢棄物在50°C的H3PO4溶液中，在90rpm的轉速下處理0. 5-1小時，竹子生物質廢棄物與H3PO4溶液的固液體積比為1 8 ；b、加入2.5倍 H3PO4溶液體積的預冷丙酮，攪拌混合均勻，再固液分離；C、將固液分離后的固體殘渣用5倍 H3PO4溶液體積的丙酮洗滌，再固液分離，收集沉淀；d、水洗沉淀，得到纖維素組分。所述a步驟中，所使用設備為常規恒溫振蕩培養搖床。所述b和c步驟中，固液分離后收集上清，得到木質素、乙酸、丙酮和H3PO4的混合 液。所述d步驟中，水洗沉淀，并收集上清，得到沉淀的纖維素組分和上清的半纖維。所述水解為，將預處理后的纖維素組分加入pH4.8、0. IM檸檬酸鈉緩沖液中，再加 入2. 0% -4. 0%的纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理6-12小時。所述發酵為，將水解后的水解液用NaOH調整至pH 6. 5，在30°C下靜置發酵24小 時制得燃料乙醇。所述發酵為，將水解后的水解液在30°C下發酵24小時制得燃料乙醇。所述竹子生物質廢棄物經自然干燥5-10天后，粉碎過20-80目篩，貯存于-20 °C備用。所述竹子生物質廢棄物為竹葉和/或筍殼。所述H3PO4溶液中的H3PO4含量為83-98 %。所述發酵采用在水解后的水解液中接種活化的乙醇發酵菌株運動發酵單胞菌 ATCC29191。采用本發明的優點在于一、本發明采用竹子生物質廢棄物為原料，可以大量、低成本地生產燃料乙醇，降 低乙醇的生產成本，生產工藝簡單，并且可實現原料的分級利用，產值高。同時采用種植容 易，不和糧食作物爭地，生長速度快，生物量高的竹子加工產業的大量廢棄物為原料生產燃 料乙醇，使乙醇生產成本降低，從而為大量而廉價地生產乙醇提供新的原料來源。二、本發明中預處理所采用的H3PO4和丙酮等溶液可實現循環利用，并且對設備的 腐蝕性較H2SO4處理等方法小。同時，所采用溫度為50°C，處理時間為0. 5-1小時，條件更 為溫和，動力消耗更少。三、本發明中預處理時還可以得到附產物木質素和乙酸等，可以作為新的工業原 料來源而加以利用。四、本發明發酵過程所采用菌株為兼性厭氧菌株，不需要額外供氧，發酵過程動力 消耗更小，發酵時間更短。五、本發明固液分離后收集上清，可以得到木質素、乙酸、丙酮和H3PO4的混合液， 其中丙酮和H3PO4可通過回收重復利用，而產生的乙酸和木質素等可作為工業原料而加以 利用，從而降低生產成本。六、本發明水洗沉淀，并收集上清，可以得到沉淀的纖維素組分和上清的半纖維， 其中纖維素組分用于乙醇發酵，而半纖維素組分可作為生產木糖醇或其他產品的原料，從 而降低生產成本。七、本發明預處理中，將竹子生物質廢棄物在50°C的H3PO4溶液中，在90rpm的轉 速下處理0. 5-1小時，具有處理條件溫和，對設備要求簡單，成本低等優點，竹子生物質廢 棄物與H3PO4溶液的固液體積比為1 8，達到對竹子生物質廢棄物最佳的處理效果。預處理中，加入2. 5倍氏 04溶液體積的預冷丙酮，攪拌混合均勻，再固 液分離，將固液分離后的固體殘渣用5倍H3P04溶液體積的丙酮洗滌，具有操作簡單，成本低 廉等優點。九、本發明水解中，將預處理后的纖維素組分加入pH4.8、0. 1M檸檬酸鈉緩沖液 中，具有成本低廉的優點，再加入2. 0-4. 0%的纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理6_12 小時，具有酶解條件溫和，對設備要求低等優點。十、本發明發酵中，將水解后的水解液用NaOH調整至pH 6. 5，在30°C下靜置發酵 24小時制得燃料乙醇，處理后的竹子生物質廢棄物在30°C下靜置發酵24小時，發酵周期 短，且不需要額外動力消耗，可大大搞高燃料乙醇的產率。十一、本發明中，竹子生物質廢棄物經自然干燥5-10天后，粉碎過20-80目篩。
圖1竹葉和筍殼組分比較分析2為酶解時間和樣品量對纖維素酶水解的影響3pH4. 8時水解物乙醇發酵分析圖( ■)為筍殼；( )為竹葉圖4pH6. 5時水解物乙醇發酵分析圖( ■)為筍殼；( )為竹葉
具體實施例方式實施例1一種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，包括如下步驟對竹子生物質廢棄 物預處理后，再經水解發酵制得燃料乙醇。預處理包括a、將竹子生物質廢棄物在50°C的H3P04溶液中，采用常規恒溫振蕩培 養搖床在90rpm的轉速下處理0. 5小時，竹子生物質廢棄物與H3P04溶液的固液體積比為 1 8 ;b、加入2.5倍氏 04溶液體積的預冷丙酮，攪拌混合均勻，再固液分離；c、將固液分 離后的固體殘渣用5倍113 04溶液體積的丙酮洗滌，再固液分離，收集沉淀；d、水洗沉淀，得 到纖維素組分。在b和c步驟中，固液分離后收集上清，得到木質素、乙酸、丙酮和H3P04的混合液， 其中丙酮和迅 04可通過回收重復利用，而產生的乙酸和木質素等可作為工業原料而加以 利用。在d步驟中，水洗沉淀，并收集上清，得到沉淀的纖維素組分和上清的半纖維，其 中纖維素組分用于乙醇發酵，而半纖維素組分可作為生產木糖醇或其他產品的原料。水解為，將預處理后的纖維素組分加入pH4.8、0. 1M檸檬酸鈉緩沖液中，相對于纖 維素組分的量，再加入2. 0-4. 0%的纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理6小時。發酵為，將水解后的水解液用NaOH調整至pH 6. 5，在30°C下靜置發酵24小時制 得燃料乙醇。竹子生物質廢棄物經自然干燥5天后，粉碎過20目篩，貯存于-20°C備用。本發明中，竹子生物質廢棄物為竹葉。H3P04溶液中的H3P04含量為83%。
發酵采用在水解后的水解液中接種活化的乙醇發酵菌株運動發酵單胞菌 ATCC29191，購自國內菌種保藏機構——廣東省微生物菌種保藏中心。本發明中，還可以利用竹子植株全株采用本專利中的工藝生產燃料乙醇，燃料乙 醇的產率高于現有技術。實施例2一種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，包括如下步驟對竹子生物質廢棄 物預處理后，再經水解發酵制得燃料乙醇。預處理包括a、將竹子生物質廢棄物在50°C的H3P04溶液中，采用常規恒溫振蕩 培養搖床在90rpm的轉速下處理1小時，竹子生物質廢棄物與H3P04溶液的固液體積比為 1 8 ;b、加入2.5倍氏 04溶液體積的預冷丙酮，攪拌混合均勻，再固液分離；c、將固液分 離后的固體殘渣用5倍113 04溶液體積的丙酮洗滌，再固液分離，收集沉淀；d、水洗沉淀，得 到纖維素組分。水解為，將預處理后的纖維素組分加入pH4.8、0. 1M檸檬酸鈉緩沖液中，再加入 2. 0-4. 0%的纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理12小時。纖維素酶的加入量是相對于 纖維素組分的質量而加入的2. 0-4. 0%。發酵為，將水解后的水解液在30°C下發酵24小時制得燃料乙醇。竹子生物質廢棄物經自然干燥10天后，粉碎過80目篩，貯存于-20°C備用。本發明中的竹子生物質廢棄物為筍殼。H3P04溶液中的H3P04含量為98%。發酵采用在水解后的水解液中接種活化的乙醇發酵菌株運動發酵單胞菌 ATCC29191。實施例3一種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，包括如下步驟對竹子生物質廢棄 物預處理后，再經水解發酵制得燃料乙醇。預處理包括a、將竹子生物質廢棄物在50°C的H3P04溶液中，在90rpm的轉速下處 理0. 8小時，竹子生物質廢棄物與H3P04溶液的固液體積比為1 8 ；b、加入2. 5倍H3P04溶 液體積的預冷丙酮，攪拌混合均勻，再固液分離；c、將固液分離后的固體殘渣用5倍H3P04溶 液體積的丙酮洗滌，再固液分離，收集沉淀；d、水洗沉淀，得到纖維素組分。在b和c步驟中，固液分離后收集上清，得到木質素、乙酸、丙酮和H3P04的混合液。在d步驟中，水洗沉淀，并收集上清，得到沉淀的纖維素組分和上清的半纖維。水解為，將預處理后的纖維素組分加入pH4. 8、0. 1M檸檬酸鈉緩沖液中，再加入纖 維素酶在50°C，120rpm的條件下處理8小時。發酵為，將水解后的水解液用NaOH調整至pH 6. 5，在30°C下靜置發酵24小時制 得燃料乙醇。竹子生物質廢棄物經自然干燥7天后，粉碎過50目篩，貯存于-20°C備用。本發明中，竹子生物質廢棄物為竹葉和筍殼。H3P04溶液中&H3P04含量為90%。發酵采用在水解后的水解液中接種活化的乙醇發酵菌株運動發酵單胞菌 ATCC29191。實施例4竹子生物質廢棄物組分分析
本工藝方法所使用的原料包括竹葉和筍殼。樣品經自然干燥后，粉碎過20-80目 篩，貯存于-20°C備用。組分分析樣品按NREL-LAP001制備，按標準方法分別測定不同原料 的纖維素、半纖維素、木質素組分和水分含量，其組分測定結果如表1和圖1所示。表1竹葉和筍殼組分分析 竹子生物質廢棄物H3PO4預處理工藝先將竹子生物質廢棄物在H3PO4溶液中處理，竹子生物質廢棄物與H3PO4溶液的固 液體積比為1 8，H3PO4質量分數為83%，采用常規恒溫振蕩培養搖床在50°C，90rpm條件 下處理1小時；再加入2. 5倍H3PO4溶液體積的預冷丙酮，攪拌混合均勻，固液分離，收集上清，上 清是木質素、乙酸、丙酮和H3PO4的混合液；將固液分離后的固體殘渣用5倍H3PO4溶液體積的丙酮洗滌，再固液分離，上清黑 液為木質素、乙酸、丙酮和H3PO4混合組分，收集沉淀；水洗固液分離后的沉淀，收集上清，上清主要為半纖維素組分，沉淀部分為纖維素 組分，用于纖維素酶水解。竹子生物質廢棄物纖維素酶水解工藝預處理后的纖維素組分加入pH4.8、0. IM檸檬酸鈉緩沖液中，再加入纖維素酶，采 用常規恒溫振蕩培養搖在50°C，120rpm的條件下處理6_12小時表2酶解時間對纖維素酶水解的影響分析 從表2可以看出，20g不同生物質原料經處理后，再經過12小時酶水解，70. 6%的 竹葉纖維素被水解，糖濃度為13. 71g/L ；77. 6%的筍殼纖維素被水解，糖濃度為16. 14g/L ； 而玉米秸稈纖維水解效率為48. 4%，糖濃度為13. 16g/L。這說明酶解時間對水解液糖濃度 影響較大。而在使用4. Og不同生物質原料經處理后，再經過12小時酶水解，其糖濃度最高 為5. 48g/L，表明水解效率與樣品量影響較小。高效乙醇發酵菌種發酵酶解結束后，水解液用NaOH調整至pH 6. 5或者不調整，接種活化的乙醇發酵菌株 ATCC29191，30°C靜置培養96小時。
結 果表明不同來源的原料在經29191發酵24小時左右后，乙醇濃度達最高值 (圖3圖4所示)，并且在未調整水解液pH條件下，乙醇濃度較低。調整pH至6. 5后，乙醇 濃度提高，其中筍殼為4. 72g/L，竹葉為2. 70g/L。
權利要求
一種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于，包括如下步驟對竹子生物質廢棄物預處理后，再經水解發酵制得燃料乙醇。
2.根據權利要求1所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于所述 預處理包括a、將竹子生物質廢棄物在50°C的H3P04溶液中，在90rpm的轉速下處理0. 5-1 小時，竹子生物質廢棄物與H3P04溶液的固液體積比為1 8 ；b、加入2. 5倍H3P04溶液體積 的預冷丙酮，攪拌混合均勻，再固液分離；c、將固液分離后的固體殘渣用5倍H3P04溶液體積 的丙酮洗滌，再固液分離，收集沉淀；d、水洗沉淀，得到纖維素組分。
3.根據權利要求2所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于所述b 和c步驟中，固液分離后收集上清，得到木質素、乙酸、丙酮和H3P04的混合液。
4.根據權利要求2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于 所述d步驟中，水洗沉淀，并收集上清，得到沉淀的纖維素組分和上清的半纖維。
5.根據權利要求2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在 于所述水解為，將預處理后的纖維素組分加入PH4.8、0. 1M檸檬酸鈉緩沖液中，再加入 2. 0-4. 0%的纖維素酶在50°C，120rpm的條件下處理6_12小時。
6.根據權利要求2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于 所述發酵為，將水解后的水解液用NaOH調整至pH 6. 5，在30°C下靜置發酵24小時制得燃 料乙醇。
7.根據權利要求2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于 所述發酵為，將水解后的水解液在30°C下發酵24小時制得燃料乙醇。
8.根據權利要求1、2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于 所述竹子生物質廢棄物經自然干燥5-10天后，粉碎過20-80目篩。
9.根據權利要求1、2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于 所述竹子生物質廢棄物為竹葉和/或筍殼。
10.根據權利要求2或3所述的竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，其特征在于 所述H3P04溶液中的H3P04含量為83-98 %。
全文摘要
本發明公開了—種竹子生物質廢棄物生產燃料乙醇的工藝，包括如下步驟對竹子生物質廢棄物預處理后，再經水解發酵制得燃料乙醇。本發明采用竹子生物質廢棄物為原料，可以大量、低成本地生產燃料乙醇，提高乙醇發酵率，降低乙醇的生產成本，并且生產工藝簡單，產值高；同時，本發明采用溫和的處理條件實現原料分級處理工藝，一方面可實現原料的全利用，同時采用的發酵菌株葡萄糖利用效率和乙醇產率高。
文檔編號C12P7/10GK101857885SQ20101018706
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者何明雄, 潘科, 祝其麗, 胡啟春 申請人:農業部沼氣科學研究所