一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法

一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法
【專利摘要】本發明屬于生物質能源【技術領域】，具體涉及一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法。該方法包括以下步驟：預浸漬步驟，蒸汽爆破預處理步驟，同步糖化發酵步驟，其特征在于，在同步糖化發酵步驟中用到的菌種是經馴化培養的菌種，所述的馴化培養是將菌種在經蒸汽爆破預處理后的水解液中馴化培養。該方法工藝簡單、避免了加入更多的化學試劑或其它高能耗操作，縮短了生產周期，同時降低了纖維素乙醇生產成本。
【專利說明】一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物質能源【技術領域】，具體涉及一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法。
【背景技術】
[0002]纖維素乙醇屬于生物質能的一種，是清潔可再生能源，具有污染小，容易運輸和貯藏的特點，是可以替代石油的一種新燃料。木質纖維素是生產纖維素乙醇的原料，其在地球上含量大，分布廣，可再生。因此，以木質纖維素生產燃料乙醇逐漸成為研究的熱點。
[0003]木質纖維素主要由纖維素、半纖維素以及木質素構成。這三種主要成分并不是自成一系、單獨分開的，而是通過基團間的化學作用力相互結合在一起的，纖維素被木質素與半纖維素包裹在內部，從而阻礙了纖維素的水解糖化。木質纖維素的結構特點決定了其必須經過預處理來改變其完整有序的物理結構，從而達到提高纖維素水解性的目的。蒸汽爆破法(STEX)是當下最常用的預處理方法之一，該法通過高壓水蒸汽的瞬間釋放從內部破壞木質纖維素的物理結構，使纖維素暴露出來。同時，水在高溫下作為酸性催化劑會使部分纖維素和半纖維素水解為單糖。但由于一定溫度下水能提供的H+有限，通常需要較高的汽爆溫度(210°C以上)，而葡萄糖、木糖等單糖在高溫下會進一步分解為羥甲基糠醛、糠醛、乙酸和甲酸等副產物，一方面，由于單糖的大量分解，降低了原料的利用率；另一方面，生成的副產物會對之后的乙醇發酵產生強烈的抑制作用。因此，在進行乙醇發酵前需要對其進行脫毒處理。
[0004]脫毒方法包括 生物法、物理及化學法等，或者將上述不同措施組合使用。Mussatto等[1]用只能利用乙酸生長的釀酒酵母突變株處理水解液，使其中的乙酸濃度由6.8g/L降低至0.4g/L。物理方法有真空干燥濃縮、蒸煮、離子交換吸附及溶劑萃取等，真空濃縮及蒸煮可以使揮發性抑制物大量減少，離子交換及溶劑萃取可有效降低乙酸、呋喃醛及酚類化合物含量[2_3];化學方法包括利用各種堿(例如NH40H、Na0H、Ca(OH)2等)及過量石灰法等對水解液處理，其中NH4OH能有效去除呋喃醛類物質，過量石灰處理可以有效提高水解液中單糖利用率[2_3]。另外，水洗預處理原料也是一種簡單的脫毒過程。將兩種或多種方法聯合使用可以達到更好的脫毒效果。但是，脫毒步驟無疑使纖維素乙醇生產工藝更加復雜，并且脫毒過程中往往會加入化學試劑或其它高能耗操作，增加了乙醇生產周期和生產成本。
[0005]本發明的目的是為了簡化纖維素乙醇生產工藝，解決羥甲基糠醛、糠醛抑制乙醇發酵的問題，實現木質纖維素原料的最大化利用。

【發明內容】

[0006]本發明提供一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法，包括以下步驟:預浸潰步驟，蒸汽爆破預處理步驟，同步糖化發酵步驟，其特征在于，在同步糖化發酵步驟中用到的菌種是經馴化培養的菌種，所述的馴化培養是將菌種在經蒸汽爆破預處理后的水解液中馴化培養;
[0007]優選地,該方法的原料為稻桿(例如玉米稻桿、稻草稻桿、麥稻桿、聞粱稻桿、大S.稻桿、棉花稻桿等);
[0008]優選地，所述的菌種為釀酒酵母；
[0009]優選地，所述的水解液中含有選自糠醛、羥甲基糠醛和乙酸中的一種或多種發酵抑制劑；進一步優選地，水解液中含有2~2.5g/L (例如2.2g/L)的糠醛、0.2~0.5g/L (例如0.3g/L)的輕甲基糠醒和6~8g/L (例如7.6g/L)的乙酸；更進一步優選地,所述的水解液中還含有葡萄糖、(NH4) 2S04、KH2P04& MgSO4 ;更優選地，所述的水解液中還含有60~75g/L (例如 68.0g/L)葡萄糖、8 ~13g/L (例如 11.3g/L)的(NH4)2SO4>4 ~6g/L (例如 5.3g/L)的 KH2PO4 及 0.8 ~1.5g/L (例如 1.lg/L)的 MgSO4 ；
[0010]優選地，所述的馴化培養的溫度為25~35°C，進一步優選的馴化培養溫度為28~32°C，更優選的馴化培養溫度為30°C ；
[0011]優選地，所述的馴化培養的時間為16~24h ；
[0012]優選地，所述的馴化培養的pH值為4~6，進一步優選的pH值為5。
[0013]在本發明的一個具體的實施方案中，所述的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的同步糖化發酵步驟中，所述的經馴化培養的菌種的添加量為每升草漿添加2~5g，優選每升草漿添加3g ；
[0014]優選地，所述的同步糖化發酵步驟中，酶的添加量為8~12FPU/g固形物，優選添加10FPU/g固形物；進一步優選地,所述的酶為纖維素酶(例如購自諾維信(Novozymes)公司，商品名為Cellic Ctec2的纖維素酶)；
[0015]優選地，所述的同步糖化發酵步驟中，草漿中固形物的濃度為10%~20% ；
[0016]優選地，所述的同步糖化發酵步驟中，草漿中還添加有(NH4)2S04、MgSO4 ;更優選地，草漿中添加 0.3 ~0.8g/L(例如 0.5g/L)的(NH4)2SO4 和 0.02 ~0.03g/L(例如 0.025g/L)的 MgSO4 ；
[0017]優選地，同步糖化發酵的溫度為30°C~35°C溫度，發酵時間為72~120h ；
[0018]優選地，發酵結束后通過蒸餾得到乙醇，回收發酵產生的C02。
[0019]在本發明的一個具體的實施方案中，所述的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的菌種在所述的水解液中馴化培養前還有在培養液中培養的步驟，所述的培養液中含有葡萄糖、KH2PO4, MgSO4、微量元素溶液及維生素溶液；
[0020]優選地，所述的培養液中含有20~25g/L (例如23.8g/L)的葡萄糖、8~12g/L(例如 10.8g/L)的(NH4) 2S04、4 ~6g/L (例如 5.0g/L)的 ΚΗ2Ρ04、0.8 ~1.2g/L (例如 1.1g/L)的MgSO4U2~16ml/L (例如14.4ml/L)微量元素溶液及I~2ml/L (例如1.4ml/L)維生素溶液；
[0021]優選地，菌種在培養液中的培養溫度為25~35°C，進一步優選的馴化培養溫度為28~32°C，更優選的馴化培養溫度為30°C ；
[0022]優選地，所述的馴化培養的時間為18~24h。
[0023]在本發明的一個具體的實施方案中，所述的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的預浸潰步驟是將玉米秸桿原料粉碎至I~5cm，然后用有機酸在常溫常壓下浸潰一定時間；
[0024]優選地，粉碎方式為錘式粉碎機粉碎；[0025]優選地，所述的有機酸為乙酸；
[0026]優選地，浸潰時間為24~48h。
[0027]在本發明的一個具體的實施方案中，所述的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的蒸汽爆破預處理步驟是將經預浸潰過的木質纖維素原料置于蒸汽爆破反應器中，于180°C~200°C的溫度下反應5~lOmin，反應結束時，瞬間打開閥門，將木質纖維素原料經預處理后形成的草漿沖入閃蒸罐中。
[0028]在本發明的一個具體的實施方案中，所述的纖維素乙醇生產方法，該方法還包括固體殘渣燃燒發電的步驟:將同步糖化發酵結束后得到的發酵產物分離為固體殘渣和發酵液，固體殘渣自然干燥后送入生物質發電廠燃燒發電；優選地，將生產的電和剩余的蒸汽再用于補充纖維素乙醇生產過程中所需的能耗；
[0029]優選地，分離發酵產物的方式為板框壓濾機分離。
[0030]在本發明的一個具體的實施方案中，所述的纖維素乙醇生產方法，該方法還包括厭氧發酵的步驟:將同步糖化發酵結束后得到的發酵產物分離為固體殘渣和發酵液，發酵液經乙醇提取后，置于厭氧發酵罐中進行沼氣發酵，收集產生的沼氣。
[0031]本發明中所述的“水解液”是經蒸汽爆破預處理后的水解液，實施例中步驟②中原料經蒸汽爆破預處理后形成的草漿可分離為液體和固體兩部分，所述的水解液即為經蒸汽爆破預處理后形成的草漿中的液體部分。
[0032]本發明中所述的酵母的添加量均為干酵母的重量，即經過水解液馴化的干酵母的重量。發酵前，會對酵母 進行培養，使酵母的細胞數量得到增殖。然后通過離心將酵母細胞分離出來，繼續對分離出來的酵母細胞進行含水量測定，計算出干酵母的實際含量。最后以此為基準計算發酵中添加酵母的量。
[0033]發明的有益效果
[0034]為避免糠醛等發酵抑制物對乙醇發酵的影響，我們發明了一種新的纖維素乙醇生產方法，可以不用對預處理后的木質纖維素進行脫毒處理。首先，在乙醇發酵前，將發酵菌種用木質纖維素原料經蒸汽爆破預處理后的水解液進行馴化培養后再用于同步糖化發酵生產乙醇。經預處理水解液馴化培養后的酵母能夠在有糠醛、乙酸等抑制物的環境中正常進行發酵，并對抑制物有吸收分解作用，從而無需對預處理后的木質纖維素原料進行任何的脫毒處理，簡化了生產工藝，避免了脫毒過程中加入化學試劑或其它高能耗操作，縮短了生產周期，同時降低了纖維素乙醇生產成本。
[0035]其次，本發明的方法在蒸汽爆破預處理前用低濃度的乙酸對木質纖維素原料進行預浸，使木質纖維素原料處于酸性環境中，可以降低蒸汽爆破預處理的溫度。更低的汽爆溫度有利于減少糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸等發酵抑制物的生成，提高原料利用率。
[0036]第三，由于本發明的方法中采用乙酸對木質纖維素原料預浸，其自身可以被沼氣發酵微生物群利用，從而不用對剩余預處理水解液和提取完乙醇的發酵殘渣進行任何處理(例如中和處理)，直接用于沼氣發酵生產沼氣，降低了工藝復雜程度和生產成本。
[0037]總之，本發明的方法工藝簡單、避免了加入更多的化學試劑或其它高能耗操作，縮短了生產周期，同時降低了纖維素乙醇生產成本。
【專利附圖】

【附圖說明】[0038]圖1本發明的一個具體實施例的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0039]下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發明，而不應視為限定本發明的范圍。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市購獲得的常規產品。
[0040]實施例1:
[0041]如圖1所示的流程圖所示，用以下方法處理玉米秸桿，生產乙醇。
[0042]①預浸潰:用錘式粉碎機將玉米秸桿粉碎至I~5cm，然后用1.0%的乙酸在常溫常壓下浸潰24h。
[0043]本領域技術人員可以預見預浸潰時間在24~48h均可實現本發明。
[0044]②蒸汽爆破預處理:將預浸潰過的玉米秸桿置于1L的蒸汽爆破反應器中，于200°C的溫度下反應lOmin。反應結束時，瞬間(小于0.5s)打開閥門，將玉米秸桿經預處理后形成的草漿沖入閃蒸罐中。
[0045]本領域技術人員可以預見蒸氣爆破預預處理步驟中原料在反應器中于180~200°C的溫度下反應5~1min均可實現本發明。
[0046]③酵母培養與馴化:第一步，用接種環從平板培養基上的酵母菌落挑取一環
釀酒酵母(由JSstbolaget AB公司提供)至滅菌過的培養液中，在30°C的條件下培育
24h。培養液中含有 23.8g/L 的葡萄糖、10.8g/L 的(NH4)2SO4,5.0g/L 的 KH2PO4U.1g/L 的 MgSO4' 14.4ml/L 微量元素溶液(其中含有 9mg/L CaCl2.2H20,9mg/L ZnSO4.7H20，6mg/LFeS04.7H20, 2mg/L H3BO3,1.55mg/L MnCl.2H20,0.6mg/LNaMo04.2H20,0.6mg/LCoCl.2H20，0.6mg/L CuSO4.5H20，0.2mg/LKI)及 1.4ml/L 維生素溶液(其中含有 50g/L 生物素，0.2mg/L氨基苯甲酸，1.0mg/L煙酸，1.0mg/L泛酸韓，1.0mg/L鹽酸維生素B6,1.0mg/L鹽酸維生素Bl，25mg/L肌醇)。第二步，在葡萄糖幾乎耗盡時流加(此處流加是指每隔一段時間加入部分水解液，而不是一次性將所有水解液加入)原料經蒸汽爆破預處理后的水解液(即步驟②中原料經蒸汽爆破預處理后形成的草漿中的液體部分)。水解液成分更加復雜，除含有 68.0g/L 葡萄糖、11.3g/L 的(NH4)2SO4,5.3g/L 的 KH2PO4 及 1.lg/L 的 MgSO4 外，還含有發酵抑制物糠醛2.2g/L、羥甲基糠醛0.3g/L、乙酸7.6g/L。馴化培養過程中的溫度為30°C，培養時間為20h，pH值為5。
[0047]本領域技術人員可以預見該步驟中馴化培養溫度在25~35°C之間，培養時間在16~24小時之間均可實現本發明。
[0048]④同步糖化發酵:在發酵罐中加入固形物濃度為10%的玉米秸桿草漿，并加入(NH4)2SO4和MgSO4,使其濃度分別達到0.5g/L和0.025g/L，馴化后的釀酒酵母的添加量為3g/L (即每升草漿中添加3g酵母)，纖維素酶(購自諾維信(Novozymes)公司，商品名為Cellic Ctec2)的用量為10FPU/g固形物(即每克固形物添加10FPU酶)，發酵于35°C溫度下進行96h ;發酵結束后通過蒸餾得到乙醇，并回收發酵產生的C02。
[0049]本領域技術人員可以預見該步驟中固形物濃度為10%~20%的玉米秸桿草漿，發酵溫度在30~35°C之間，培養時間在72~120小時之間均可實現本發明。[0050]⑤固體殘渣燃燒發電:發酵結束后的固體殘渣主要為木質素，將其自然干燥后送入生物質發電廠燃燒發電，將生產的電和剩余的蒸汽再用于補充纖維素乙醇生產過程中所需的能耗。
[0051]⑥厭氧發酵:提取完乙醇后的發酵殘液置于厭氧發酵罐中進行沼氣發酵，收集產生的沼氣。
[0052]相關技術指標如下:
[0053]發酵前后糠醛的濃度:2.2g/L (前)，0 (后)；
[0054]發酵前后羥甲基糠醛的濃度:0.3g/L (|ir),O (后)；
[0055]發酵前后乙酸的濃度:7.6g/L (前)，8.3g/L (后)；
[0056]發酵獲得的乙醇濃度和得率:26.6g/L，每百克干原料產14.2克乙醇；
[0057]木質素固體燃料熱值:22MJ/kg ；
[0058]甲烷產量:455ml/g VS (揮發性固體)。
[0059]對比實施例1:①預浸潰:用錘式粉碎機將玉米秸桿粉碎至I~5cm，然后用1.0%的乙酸在常溫常壓下浸潰24h。
[0060]②蒸汽爆破預處理:將預浸過的玉米秸桿置于1L的蒸汽爆破反應器中，于200°C的溫度下反應lOmin。反應 結束時，瞬間(小于0.5s)打開閥門，將玉米秸桿經預處理后形成的草漿沖入閃蒸罐中。
[0061]本領域技術人員可以預見蒸氣爆破預預處理步驟中原料在反應器中于180~200°C的溫度下反應5~1min均可實現本發明。
[0062]③酵母培養:用接種環從平板培養基上的菌落挑取一環釀酒酵母(由
Jastbolaget AB公司提供)至滅菌過的培養液中。培養液中含有23.8g/L的葡萄糖、
10.8g/L 的(NH4)2SO4,5.0g/L 的 KH2PO4U.lg/L 的 MgSO4'14.4ml/L 微量元素溶液(其中含有 9mg/L CaC12.2H20,9mg/LZnS04.7H20,6mg/L FeS04.7H20,2mg/L H3B03,1.55mg/LMnCl.2H20，0.6mg/L NaMo04.2H20，0.6mg/L CoCl.2H20，0.6mg/LCuS04.5H20，0.2mg/L KI)及1.4ml/L維生素溶液(其中含有50g/L生物素，0.2mg/L氨基苯甲酸，1.0mg/L煙酸，1.0mg/L泛酸韓，1.0mg/L鹽酸維生素B6,1.0mg/L鹽酸維生素BI, 25mg/L肌醇),菌種在30°C的條件下培育24h后不經過馴化直接用于發酵。
[0063]④同步糖化發酵:在發酵罐中加入固形物濃度為10%的玉米秸桿草漿，并加入(NH4)2SO4和MgSO4,使其濃度分別達到0.5和0.025g/L，釀酒酵母的添加量為3g/L (即每升草衆中添加3g酵母),纖維素酶(購自諾維信(Novozymes)公司，商品名為Cellic Ctec2)的用量為10FPU/g固形物(即每克固形物添加10FPU酶)，發酵于35°C溫度下進行96h ;發酵結束后通過蒸餾得到乙醇，回收發酵產生的C02。
[0064]⑤固體殘渣燃燒發電:發酵結束后的固體殘渣主要為木質素，將其自然干燥后送入生物質發電廠燃燒發電，將生產的電和剩余的蒸汽再用于補充纖維素乙醇生產過程中所需的能耗。
[0065]⑥厭氧發酵:經③步驟壓濾得到的液體部分直接與提取完乙醇后的發酵殘液置于厭氧發酵罐中進行沼氣發酵，收集產生的沼氣。
[0066]相關技術指標如下:
[0067]發酵前后糠醛的濃度:2.2g/L (前)，0.5g/L (后)；[0068]發酵前后羥甲基糠醛的濃度:0.3g/L (fir),O (后)；
[0069]發酵前后乙酸的濃度:7.6g/L (前)，13.lg/L (后)；
[0070]發酵后乙醇的濃度和得率:18.9g/L，每百克干原料產10.1克乙醇；
[0071]木質素固體燃料熱值:22MJ/kg ;
[0072]甲烷得率:428ml/g VS (揮發性固體)。
[0073]實施例2:①預浸潰:用錘式粉碎機將玉米秸桿粉碎至I~5cm，然后用1.0%的乙酸在常溫常壓下浸潰24h。
[0074]本領域技術人員可以預見預浸潰時間在24~48h均可實現本發明。
[0075]②蒸汽爆破預處理:將預浸潰過的玉米秸桿置于1L的蒸汽爆破反應器中，于200°C的溫度下反應lOmin。反應結束時，瞬間(小于0.5s)打開閥門，將玉米秸桿經預處理后形成的草漿沖入閃蒸罐中。
[0076]③酵母培養與馴化:第一步，取釀酒酵母(由安琪酵母公司提供，商品名稱為安琪超級釀酒活性干酵母)至滅菌過的培養液中。培養液中含有23.8g/L的葡萄糖、10.8g/L的(NH4)2SO4,5.0g/L 的 KH2PO4U.lg/L 的 MgSO4'14.4ml/L 微量元素溶液(其中含有 9mg/LCaCl2 *2H20,9mg/L ZnS04 *7H20,6mg/L FeS04.7H20，2mg/L H3B03,1.55mg/LMnCl.2Η20，
0.6mg/L NaMo04.2Η20，0.6mg/L CoCl.2Η20，0.6mg/LCuS04.5H20，0.2mg/L KI)及 1.4ml/L維生素溶液(其中含有50g/L生物素,0.2mg/L氨基苯甲酸，1.0mg/L煙酸，1.0mg/L泛酸鈣，1.0mg/L鹽酸維生素B6，1.0mg/L鹽酸維生素BI，25mg/L肌醇)，菌種在30°C的條件下培育20h。第二步，在葡萄糖幾乎耗盡時開始加入原料經蒸汽爆破預處理后的水解液繼續進行。水解液成分更加復雜，除含有68.0g/L葡萄糖、11.3g/L的(NH4)2SO4,5.3g/L的KH2PO4及1.lg/L的MgSO4外，還含有發酵抑制物糠醛2.2g/L、羥甲基糠醛0.3g/L、乙酸7.6g/L ；馴化培養過程中的溫度為30°C，pH值為5，時間為20h。
[0077]本領域技術人員可以預見該步驟中馴化培養溫度在25~35°C之間，培養時間在16~24小時之間均可實現本發明。
[0078]④同步糖化發酵:在發酵罐中加入固形物濃度為10%的玉米秸桿草漿，加入(NH4)2SO4和MgSO4,使其濃度分別達到0.5g/L和0.025g/L，馴化后的釀酒酵母的添加量為3g/L (即每升草漿中添加3g酵母)，纖維素酶(購自諾維信(Novozymes)公司，商品名為Cellic Ctec2)的用量為10FPU/g固形物(即每克固形物添加10FPU酶)，發酵于35°C溫度下進行96h ;發酵結束后通過蒸餾得到乙醇，回收發酵產生的C02。
[0079]本領域技術人員可以預見該步驟中固形物濃度為10%~20%的玉米秸桿草漿，發酵溫度在30~35°C之間，培養時間在72~120小時之間均可實現本發明。
[0080]⑤固體殘渣燃燒發電:發酵結束后的固體殘渣主要為木質素，將其自然干燥后送入生物質發電廠燃燒發電，將生產的電和剩余的蒸汽再用于補充纖維素乙醇生產過程中所需的能耗。
[0081]⑥厭氧發酵:經③步驟壓濾得到的液體部分直接與提取完乙醇后的發酵殘液置于厭氧發酵罐中進行沼氣發酵，收集產生的沼氣。
[0082]相關技術指標如下:
[0083]發酵前后糠醛的濃度:2.2g/L (前)，0 (后)；
[0084]發酵前后羥甲基糠醛的濃度:0.3g/L (Itr),O (后)；[0085]發酵前后乙酸的濃度-J.6g/L (前)，7.8g/L (后)；
[0086]發酵后乙醇的濃度和得率:26.9g/L，每百克干原料產14.3克乙醇；
[0087]木質素固體燃料熱值:22MJ/kg ；
[0088]甲烷產量:460ml/g VS (揮發性固體)。
[0089]對比實施例2:①預浸潰:用錘式粉碎機將玉米秸桿粉碎至I~5cm，然后用1.0%的乙酸在常溫常壓下浸潰24h。
[0090]②蒸汽爆破預處理:將預浸過的玉米秸桿置于1L的蒸汽爆破反應器中，于200°C的溫度下反應lOmin。反應結束時，瞬間(小于0.5s)打開閥門，將玉米秸桿經預處理后形成的草漿沖入閃蒸罐中。
[0091]③酵母培養:取釀酒酵母(由安琪酵母公司提供，商品名稱為安琪超級釀酒活性干酵母)至滅菌過的培養液中。培養液中含有23.8g/L的葡萄糖、10.8g/L的(NH4)2S04、
5.0g/L 的 KH2PO4' 1.lg/L 的 MgSO4' 14.4ml/L 微量元素溶液(其中含有 9mg/L CaCl2.2H20，9mg/LZnS04.7H20，6mg/L FeS04.7H20，2mg/L H3B03,1.55mg/LMnCl.2H20,0.6mg/LNaMo04.2H20,0.6mg/L CoCl.2H20,0.6mg/LCuS04.5H20,0.2mg/L KI)及 1.4ml/L 維生素溶液(其中含有50g/L生物素,0.2mg/L氨基苯甲酸，1.0mg/L煙酸，1.0mg/L泛酸鈣，1.0mg/L鹽酸維生素B6，1.0mg/L鹽酸維生素BI，25mg/L肌醇)，菌種在30°C的條件下培育24h后不經過馴化直接用于發酵。 [0092]④同步糖化發酵:在發酵罐中加入固形物濃度為10%的玉米秸桿草漿，并加入(NH4)2SO4和MgSO4,使其濃度分別達到0.5和0.025g/L，釀酒酵母的添加量為3g/L (即每升草衆中添加3g酵母),纖維素酶(購自諾維信(Novozymes)公司，商品名為Cellic Ctec2)的用量為10FPU/g固形物(即每克固形物添加10FPU酶)，發酵于35°C溫度下進行96h ;發酵結束后通過蒸餾得到乙醇，回收發酵產生的C02。
[0093]⑤固體殘渣燃燒發電:發酵結束后的固體殘渣主要為木質素，將其自然干燥后送入生物質發電廠燃燒發電，將生產的電和剩余的蒸汽再用于補充纖維素乙醇生產過程中所需的能耗。
[0094]⑥厭氧發酵:經③步驟壓濾得到的液體部分直接與提取完乙醇后的發酵殘液置于厭氧發酵罐中進行沼氣發酵，收集產生的沼氣。
[0095]相關技術指標如下:
[0096]發酵前后糠醛的濃度:2.2g/L (前)，0.3g/L (后)；
[0097]發酵前后羥甲基糠醛的濃度:0.3g/L (|ir),O (后)；
[0098]發酵前后乙酸的濃度:7.6g/L (前)，14.5g/L (后)；
[0099]發酵后乙醇的濃度和得率:19.8g/L，每百克干原料產10.9克乙醇；
[0100]木質素固體燃料熱值:22MJ/kg ；
[0101]甲烷得率:448ml/g VS (揮發性固體)。
[0102]從實施例1-2和對比實施例1-2的對比結果可以看出，經過馴化培養步驟，能夠有效抑制糠醛、甲基糠醛、乙酸等副產物的產生，并獲得的乙醇的濃度和得率均比未經馴化培養的聞，甲燒得率也得到提聞。
[0103]本發明提供的方法能夠在有糠醛、乙酸等抑制物的環境中正常進行發酵，并對抑制物有吸收分解作用，從而無需對預處理后的木質纖維素原料進行任何的脫毒處理，簡化了生產工藝，避免了脫毒過程中加入化學試劑或其它高能耗操作，縮短了生產周期，同時降低了纖維素乙醇生產成本，并且提高了原料的利用率，同時提高了乙醇的濃度和得率。
[0104]參考文獻 [0105][l]Mussatto SI, Roberto IC.Alternatives fordetoxificat1nofdiluted-acid lignocellulosichydrolyzates for useinfermentativeprocesses:a review[J].B1resourTechnolj2004，93(1):1-10.[0106][2]Almeida JRMj Bertilsson Mj Gorwa-Grauslund MF，etal.Metabolic effectsof furaldehydes and impactsonb1technological processes[J].ApplMicrob1lB1technol, 2009, 82(4):625-638.[0107][3]Palmqvist E，Hahn-Hagerdal B.Fermentat1noflignocellulosichydrolysates.1:1nhibit1n anddetoxificat1n.B1resourTechnolj2000，74 (I):17-24。
【權利要求】
1.一種免脫毒處理的纖維素乙醇生產方法，包括以下步驟:預浸潰步驟，蒸汽爆破預處理步驟，同步糖化發酵步驟，其特征在于，在同步糖化發酵步驟中用到的菌種是經馴化培養的菌種，所述的馴化培養是將菌種在經蒸汽爆破預處理后的水解液中馴化培養； 優選地，該方法的原料為秸桿(例如玉米秸桿、稻草秸桿、麥秸桿、高粱秸桿、大豆秸桿、棉花稻桿等); 優選地，所述的菌種為釀酒酵母； 優選地，所述的水解液中含有選自糠醛、羥甲基糠醛和乙酸中的一種或多種發酵抑制劑；進一步優選地，水解液中含有2~2.5g/L (例如2.2g/L)的糠醛、0.2~0.5g/L (例如0.3g/L)的羥甲基糠醛和6~8g/L (例如7.6g/L)的乙酸；更進一步優選地，所述的水解液中還含有 葡萄糖、(NH4)2SO4^KH2PO4及MgSO4 ;更優選地，所述的水解液中還含有60~75g/L(例如 68.0g/L)葡萄糖、8 ~13g/L (例如 11.3g/L)的(NH4)2SO4>4 ~6g/L (例如 5.3g/L)的 KH2PO4 及 0.8 ~1.5g/L (例如 1.1) g/L 的 MgSO4 ； 優選地，所述的馴化培養的溫度為25~35°C，進一步優選的馴化培養溫度為28~32°C，更優選的馴化培養溫度為30°C ； 優選地，所述的馴化培養的時間為16~24h ; 優選地，所述的馴化培養的pH值為4~6，進一步優選的pH值為5。
2.權利要求1的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的同步糖化發酵步驟中，所述的經馴化培養的菌種的添加量為每升草衆添加2~5g,優選每升草衆添加3g ； 優選地，所述的同步糖化發酵步驟中，酶的添加量為8~12FPU/g固形物，優選添加10FPU/g固形物；進一步優選地，所述的酶為纖維素酶； 優選地，所述的同步糖化發酵步驟中，草漿中固形物的濃度為10%~20% ； 優選地，所述的同步糖化發酵步驟中，草漿中還添加有(NH4)2SCV MgSO4 ;更優選地，草漿中添加 0.3 ~0.8g/L (例如 0.5g/L)的(NH4)2SO4 和 0.02 ~0.03g/L (例如 0.025g/L)的 MgSO4 ； 優選地，同步糖化發酵的溫度為30°C~35°C溫度，發酵時間為72~120h ； 優選地，發酵結束后通過蒸餾得到乙醇，回收發酵產生的C02。
3.權利要求1的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的菌種在所述的水解液中馴化培養前還有在培養液中培養的步驟，所述的培養液中含有葡萄糖、KH2PO4, MgSO4、微量元素溶液及維生素溶液； 優選地，所述的培養液中含有20~25g/L (例如23.8g/L)的葡萄糖、8~12g/L (例如10.8g/L)的(NH4)2SO4,4 ~6g/L (例如 5.0g/L)的 ΚΗ2Ρ04、0.8 ~1.2g/L (例如 1.1 g/L)的MgSO4U2~16ml/L (例如14.4ml/L)微量元素溶液及I~2ml/L (例如1.4ml/L)維生素溶液； 優選地，菌種在培養液中的培養溫度為25~35°C，進一步優選的馴化培養溫度為28~32°C，更優選的馴化培養溫度為30°C ； 優選地，所述的馴化培養的時間為18~24h。
4.權利要求1的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的預浸潰步驟是將木質纖維素原料粉碎至I~5cm，然后用有機酸在常溫常壓下浸潰一定時間； 優選地，粉碎方式為錘式粉碎機粉碎；優選地，所述的有機酸為乙酸； 優選地，浸潰時間為24~48h。
5.權利要求1的纖維素乙醇生產方法，其中，所述的蒸汽爆破預處理步驟是將經預浸潰過的木質纖維素原料置于蒸汽爆破反應器中，于180°C~200°C的溫度下反應5~lOmin，反應結束時，瞬間打開閥門，將木質纖維素原料經預處理后形成的草漿沖入閃蒸罐中。
6.權利要求1的纖維素乙醇生產方法，該方法還包括固體殘渣燃燒發電的步驟:將同步糖化發酵結束后得到的發酵產物分離為固體殘渣和發酵液，固體殘渣自然干燥后送入生物質發電廠燃燒發電；優選地，將生產的電和剩余的蒸汽再用于補充纖維素乙醇生產過程中所需的能耗； 優選地，分離發酵產物的方式為板框壓濾機分離。
7.權利要求1的纖維素乙醇生產方法，該方法還包括厭氧發酵的步驟:將同步糖化發酵結束后得到的發酵產物分離為固體殘渣和發酵液，發酵液經乙醇提取后，置于厭氧發酵罐中進行沼氣發酵，收集產生的沼氣。
【文檔編號】C12R1/865GK104031946SQ201310070462
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月6日 優先權日:2013年3月6日
【發明者】高蘇杰, 吳毅, 趙鵬翔, 趙承宇, 趙正凱 申請人:國網新源控股有限公司北京非糧醇電聯產技術研發中心, 國家電網公司