一種木質纖維素連續酶解發酵產乙醇的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物質能源領域，具體涉及一種木質纖維素連續酶解發酵產乙醇的方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界人口增長和各國工業化程度提高，能源消耗持續上升。石油是滿足能源需求的主要資源，但是石油資源是有限的，科學家預測到2050年原油產量將由2009年的258億桶(35.25億噸)下降到50億桶。生物能源作為一種可再生的交通運輸燃料，能夠有效的降低室溫效應，減緩環境污染，同時改變現有不平等的石油供求關系，保持持續供應，比礦質燃料具有明顯優勢。與生物柴油等其它生物能源相比，燃料乙醇的生產已經具有了相當規模(2002年全球大約1700萬噸)，主要以含糖物質為原料通過發酵法生產。在汽油中摻入10%的無水乙醇(ElO)不僅可以緩解能源壓力，還能提高辛烷值，改善尾氣排放質量。在美國和巴西，燃料乙醇作為石油替代品已經廣泛用作交通燃料。
[0003]我國政府十分重視能源多元化和環境污染問題，采取財政補貼和稅收減免等鼓勵措施，大力推進多元化替代石油能源的技術和產業開發。《可再生能源法》和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》的出臺，極大地推進了生物柴油和燃料乙醇等生物液體燃料的開發進程。我國規劃到2020年，生物燃料消費量占到全部交通燃料的15%左右，建立起具有國際競爭力的生物燃料產業，這給我國燃料乙醇產業帶來了良好的發展機遇。目前我國乙醇汽油已經覆蓋全國9個省市，現有燃料乙醇產能152萬噸，2010年實際生產燃料乙醇180萬噸以上，以玉米和小麥為主要原料。我國人多地少，耕地資源緊缺，糧食供應緊張，以玉米、小麥為原料生產燃料乙醇將威脅到國家的糧食安全，導致農產品價格上漲等連鎖反應，所以我國嚴格控制以糧食為原料的燃料乙醇新建和擴能項目。
[0004]相對于糖類和淀粉作物而言，木質纖維素屬于非糧原料，而且資源豐富。它可以來源于農業廢棄物，如麥草、玉米秸桿、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；工業廢棄物，如制漿和造紙廠的纖維渣、鋸末等；林業廢棄物；城市廢棄物，如廢紙、包裝紙等。據估計木質纖維素原料占世界生物量100億-500億噸的50%，我國就農作物秸桿每年產量即可達7億噸，大量被廢棄而未加利用的纖維物(小枝、樹皮、樹葉、屑和廢紙等)約有五億噸/每年，只用其中的I億噸也要年產2000萬噸的燃料乙醇。由此可見，開發木質纖維素生產乙醇的新工藝具有很好的前景。
[0005]纖維素酶水解過程中纖維素酶的成本、乙醇蒸餾過程的能耗，以及酶解工藝的連續性一直是纖維乙醇工業化的制約因素。CN200810189465.0公開了一種纖維素乙醇的生產方法，其中包括如下步驟:(I)將含有纖維素和/或半纖維素原料的培養基加入到發酵反應釜中；(2)向發酵反應釜中加入纖維素酶，并接種葡萄牙假絲酵母；(3)在纖維素酶和葡萄牙假絲酵母的共同作用下進行同步糖化發酵，分離得到纖維素乙醇。CN200810101314.5公開了一種含纖維素的原料制備乙醇的方法，該方法包括蒸汽爆破含纖維素的原料；將得到的蒸汽爆破的產物與酶混合、酶解；發酵酶解得到的產物。為了降低纖維素酶成本，對酶解發酵液中的纖維素酶進行回收再利用是較好的方法。CN200910212693公開了一種木質纖維原料酶水解的方法，用經過預處理的木質纖維作原料，采用分段進行酶解和超濾回用纖維素酶和β_葡萄糖苷酶。但是，利用超濾膜回收纖維素酶成本高，操作過程繁瑣。
[0006]間隙酶解工藝能夠用于生產，但其酶解效率低下，只能進行低干物濃度水解，水解糖濃度偏低，造成最終乙醇濃度低，影響后續蒸餾能耗，而且還有設備利用率低、占地面積大、總電機攪拌功率大等弊端。
【發明內容】
[0007]針對現有技術的不足，本發明提供了一種木質纖維素連續酶解發酵產乙醇的方法。本發明方法可以實現連續化生產，提高了酶的活性和利用率，提高了發酵產物得率，在保證酶得以回用的同時，降低了酶解和發酵成本。
[0008]本發明木質纖維素連續酶解發酵產乙醇的方法，包括如下內容:
(1)對木質纖維素原料進行預處理，獲得預處理原料；
(2)將預處理原料、纖維素酶和水連續加入到酶解罐中進行預酶解，控制酶解體系干物質濃度為18wt%_36wt% ；
(3)預酶解后料液連續進入到發酵罐中，加入耐溫釀酒酵母進行同步糖化發酵；
(4)發酵后的醪液在管道混合器中與非離子表面活性劑充分混合，然后進入沉降罐；
(5)經過沉降罐沉降后的下部濃縮混合液進入產品分離單元，上清液循環回酶解罐中重新參與酶解反應。
[0009]本發明方法中，進一步地步驟(3)所述同步糖化發酵后的醪液首先進行細胞破碎處理，如可以采用高速攪拌珠研磨破碎法、高壓勻漿破碎法、超波聲破碎法和酶溶破碎法等，優選采用酶溶破碎法:如可以采用蝸牛酶和/或溶菌酶，蝸牛酶和/或溶菌酶以連續流加的方式加入，控制蝸牛酶的加入量為l_2mg/g干物質，溶菌酶的加入量為0.2-1.0mg/g干物質。經過細胞破碎處理的料液在管道混合器中與非離子表面活性劑混合，然后進入沉降
幾降。
[0010]本發明步驟(I)中的木質纖維素原料包括一切含纖維素的生物質原料，如秸桿、木屑、能源植物(如柳枝稷)和廢紙等，優選為玉米秸桿。所述預處理方式可以采用一切可提高木質纖維素酶解性能的物理、化學和熱化學技術，包括機械粉碎、輻射、微波、酸處理、堿處理、蒸汽爆破預處理和溶劑預處理，或上述方法的組合預處理等，優選采用稀酸蒸汽爆破組合預處理。
[0011 ] 步驟(2 )中，控制酶解料液的停留時間為8_96h，優選8_24h。根據酶解罐有效體積的大小，控制預處理原料和水的加入速率，使酶解體系的干物質濃度(可溶性固體和不可溶性固體質量之和與體系總質量的百分比，下同)為20wt%_30wt%。所述的纖維素酶采用一切可水解木質纖維素組分的酶蛋白或酶蛋白混合物，可在工廠在線生產纖維素酶，也可采用市售商品纖維素酶，如諾維信酶或者澤生酶。控制纖維素酶的加入量使得纖維素酶與預處理原料中纖維素的比例為5-25IU/g纖維素。控制預酶解的pH為4.5-5.5，優選為4.8-5.2 ；溫度為45-55°C，優選為48-52°C。
[0012]步驟(3)中的同步糖化發酵是指預酶解后殘余纖維素在發酵葡萄糖產乙醇或其它產物的同時繼續被水解的過程。所述的耐溫釀酒酵母采用目前已知的可利用木質纖維素原料發酵產乙醇或其它產物的菌株，優選使用可耐受36-42°C的耐溫釀酒酵母，更優選使用CN200910204295.3 中所述的耐溫釀酒酵母菌 iSaccharomyces cerevisiae )FE_B,該菌株的保藏號為CGMCC N0.2735。采用本領域常規的培養方式制備發酵菌種子液，種子液的接種量為lv%-5v%。本發明中，酶解后不需要調節pH，直接進行同步糖化發酵，控制發酵溫度為35-42°C，發酵停留時間為12-72h。同步糖化發酵體系中加入的氮源可選自酵母膏、蛋白胨、玉米漿、硫酸銨或尿素等中的一種或幾種，優選尿素，加入量為體系總質量的0.02 wt%-0.2wt%。
[0013]步驟(4)所述的非離子表面活性劑為Tween20、Tween80、PEG和SDS等中的一種或幾種，優選為TWeen80或PEG，控制非離子表面活性劑的加入量為2_20mg/g干物質。將發酵醪液首先與非離子表面活性劑在管道混合器中按比例混合，然后進入沉降罐沉降，由于木質素與非離子表面活性劑的結合有助于發酵醪液中吸附在固體表面的纖維素酶脫附到液體中，增加纖維素酶在液相中的含量，并且隨著上清液循環回到酶解罐中重新參與酶解反應，從而提高纖維素酶回用量。
[0014]在纖維乙醇發酵醪液中，纖維素酶同時存在于固液兩相中，無論后續采用何種方式對產品進行分離提純，都會造成纖維素酶一定程度上的流失和失活。為了實現酶的部分回用，發酵醪液通常采用以下3種方式循環:①發酵液直接部分循環回用發酵液經過固液分離后，液相循環回用；③發酵液經過固液分離后，固相循環回用。但是，發酵醪液中的固體殘渣顆粒在幾十個微米以下，大部分僅幾個微米，固液分離非常困難，一般采用板框過濾加離心結合，但是能耗較大；如果直接進行自然沉降，處理周期較長，效果不佳，酶不能有效回用。本發明將發酵醪液與非離子表面活性劑混合，然后進入沉降罐沉降，控制沉降罐的溫度為35-55°C，停留時間為0-72 h。