一種由廢紙制備燃料乙醇的方法
【專利摘要】本發明公開了一種由廢紙制備燃料乙醇的方法，屬于生物質能領域，包括以下步驟，S1首先，用水浸泡廢紙并將其打碎；然后，用水，以攪拌洗滌、抽濾方法，洗除碎紙中水溶性化學添加劑；最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料；S2對所述初始紙纖維素原料，用稀硫酸對其進行降解處理；之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料；S3將所述低聚合度紙纖維素原料用專用水解酶制劑水解，得到還原糖；S4將所述還原糖發酵后蒸餾，得到燃料乙醇。本發明提供的制備方法大規模拓展燃料乙醇的原料資源量、降低燃料乙醇的生產成本、提高生產效率，能夠帶來諸多良好的社會和經濟效益。
【專利說明】
一種由廢紙制備燃料乙醇的方法
技術領域
[0001]本發明涉及生物質能領域，特別涉及一種由廢紙制備燃料乙醇的方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界人口的增加和各國工業化程度的提高，能源和環境問題已成為全球關注的焦點。石油、煤炭和天然氣等化石能源物質逐漸枯竭，為保護環境和實現人類可持續發展的目標，從可再生資源特別是木質生物質生產高附加值化工產品已成為許多國家的重要發展戰略和科學研究的熱點領域。生物質能是可再生的清潔能源，利用生物質為原料水解并發酵制取燃料乙醇等化工產品正日益受到廣泛關注。
[0003]采用含糖和淀粉等的農作物發酵制取乙醇的技術已日趨成熟，并廣泛應用。然而，隨著世界人口增長，糧食供應緊張，以糧食作物為原料制備燃料乙醇的方法不可能大規模展開，因此采用木質纖維為原料，通過生物質水解制取燃料乙醇具有重要意義。組成木質生物質的三大組分是纖維素、半纖維素和木素等聚合物，其中纖維素和半纖維素都可以被轉化為乙醇，理論得率可以同糧食相仿(大于400L/t)。從總量上看，纖維素、半纖維素和木素才是世界上存在的最廣泛的可再生生物質資源。在生活中，廢紙是困擾人們的污染源之一，常被焚燒和填埋等，這既浪費資源又污染環境。廢紙中纖維素和半纖維素含量較高，加強對廢紙二次纖維回用，不僅可有效減輕木質纖維素資源緊缺影響，還利于環保和可持續發展。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有燃料乙醇制備工藝中原料來源單一和乙醇產率低的缺點，提供一種由廢紙制備燃料乙醇的方法，通過以廢紙天然纖維素替代傳統糧食作物作為原料，可實現對廢紙高值化利用，也有助于降低燃料乙醇生產成本，同時制備工藝還具有乙醇產率高的優點。
[0005]為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案:
[0006]—種由廢紙制備燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]SI首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，以攪拌洗滌、抽濾方法，洗除碎紙中水溶性化學添加劑;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料；
[0008]S2對所述初始紙纖維素原料，用稀硫酸對其進行降解處理;之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料；
[0009]S3將所述低聚合度紙纖維素原料用專用水解酶制劑水解，得到還原糖；
[0010]S4將所述還原糖發酵后蒸餾，得到燃料乙醇。
[0011]本發明的發明思路為，紙中原始纖維素聚合度較大，約600，較難被酶水解。因此，要對其進行適度酸預水解處理，降低其聚合度，提高其酶水解的轉化率。在天然紙纖維素分子結構中有大量羥基，并存在著大量分子內、分子間氫鍵。通常，這些天然分子聚集而呈現不同水平結晶性原纖結構。大部分活性羥基被封閉在晶區內。具體體現為，由于紙纖維素聚合度過高而難溶于一般無機、有機、混合溶劑。用稀硫酸浸漬紙纖維素，可將雜質溶出，使紙纖維素分子中氫鍵受到破壞，提高紙纖維素反應活性。被酸水解后，紙纖維素聚合度有一定程度下降。然而，其分子量仍較大，仍難被一些酶制劑水解。為繼續降低其聚合度，使其在空氣中曝曬、降聚。最終，使其聚合度降至酶水解的要求。此外，研磨目的是使紙纖維素成細小、松散肩狀、甚至粉狀，增大其比表面積，強化其反應均一性、活性，利于后續水解操作。
[0012]進一步地，上述步驟SI中洗滌步驟包括將廢紙漿在離心轉速為4000-6000rpm的離心機中洗滌至中性。
[0013]進一步地，上述步驟S2中降解處理包括將所述初始紙纖維素原料在PH值為3-5的條件下于 120_150°(^蒸煮25-40111；[11
[0014]進一步地，上述步驟S3中所述專用水解酶制劑包括纖維素酶和胰蛋白酶，所述纖維素酶的用量為0.01-0.25g/g纖維素，胰蛋白酶的用量為0.6-0.9g/Kgo
[0015]進一步地，上述纖維素酶包括纖維素內切酶蛋白、纖維素外切酶蛋白和β-葡萄糖苷酶蛋白，其中纖維素內切酶蛋白的濃度為40-80g/L，纖維素外切酶蛋白的濃度為10-30g/L，β_葡萄糖苷酶蛋白的濃度為1-4g/L。進一步地，上述纖維素酶的加入量為1-40FPU/g。
[0016]進一步地，上述步驟S3中酶水解反應在PH值為4-6，溫度為50-70 V的條件下進行，反應時間為5-1 Oh。
[0017]進一步地，上述步驟S4包括將所述還原糖和釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為15-19 °C，時間為9-12h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為20-22 V，發酵時間為12-15h;進入后發酵期，再將溫度調至21-23°C，維持60-72h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，收集其中的燃料乙醇。
[0018]進一步地，上述釀酒酵母加入量占還原糖重量的14-18%。
[0019]進一步地，上述步驟S4中還包括蒸餾后將蒸氣經分子篩樹脂或膜萃取的方式除去水分的處理。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果:
[0021]1、本發明提供的一種以廢紙為原料制備燃料乙醇的方法，可被用以實現對廢紙高效、高值化利用，及同比降低燃料乙醇生產成本。
[0022]2、本發明提供的一種以廢紙為原料制備燃料乙醇的方法，所需工藝條件溫和、操作便捷、安全、環保，所用原料價廉、易得，是一種經濟、綠色、節能工藝，符合國家“節能、減排”發展要求。
[0023]3、本發明提供的一種以廢紙為原料制備燃料乙醇的方法通過在纖維素酶中添加胰蛋白酶，其中胰蛋白酶起到活化作用，可以增強專用水解酶制劑的水解能力，解決了現有技術中廢紙纖維素酶水解轉化率低的問題，提高了最終燃料乙醇的產率。采用本技術可極大拓寬現有燃料乙醇制備技術應用范圍。
【具體實施方式】
[0024]下面結合試驗例及【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本
【發明內容】
所實現的技術均屬于本發明的范圍。
[0025]實施例1
[0026]—種由廢紙制備燃料乙醇的方法，包括以下步驟:SI首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，對其進行多次強力攪拌洗滌、抽濾處理;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料;S2用8.0wt.%稀硫酸浸泡初始紙纖維素原料在130°C下蒸煮30min。之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料;S3將1.5KG所述低聚合度紙纖維素原料在PH值為4的條件下于70°C用50ml纖維素酶和200ml胰蛋白酶水解5h，得到還原性糖。S4將所述還原糖和30g釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為16°C，時間為1h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為20°C，發酵時間為12h;進入后發酵期，再將溫度調至220C，維持65h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，脫水，收集其中的燃料乙醇。
[0027]實施例2
[0028]—種由廢紙制備燃料乙醇的方法，包括以下步驟:SI首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，對其進行多次強力攪拌洗滌、抽濾處理;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料;S2用10.0wt.%稀硫酸浸泡初始紙纖維素原料在120°C下蒸煮25min。之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料;S3將1.6KG所述低聚合度紙纖維素原料在PH值為5的條件下于50 °C用45ml纖維素酶和210ml胰蛋白酶水解5h，得到還原性糖。S4將所述還原糖和30g釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為19°C，時間為1h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為21°C，發酵時間為1h;進入后發酵期，再將溫度調至230C，維持60h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，脫水，收集其中的燃料乙醇。
[0029]實施例3
[0030]—種由廢紙制備燃料乙醇的方法，包括以下步驟:SI首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，對其進行多次強力攪拌洗滌、抽濾處理;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料;S2用12.0wt.%稀硫酸浸泡初始紙纖維素原料在120°C下蒸煮25min。之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料;S3將2KG所述低聚合度紙纖維素原料在PH值為4的條件下于55 °C用60ml纖維素酶和180ml胰蛋白酶水解7h，得到還原性糖。S4將所述還原糖和35g釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為17°C，時間為1h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為22°C，發酵時間為1h;進入后發酵期，再將溫度調至230C，維持60h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，脫水，收集其中的燃料乙醇。
[0031]對比例I
[0032]—種由廢紙制備燃料乙醇的方法，包括以下步驟:SI首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，對其進行多次強力攪拌洗滌、抽濾處理;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料;S2用8.0wt.%稀硫酸浸泡初始紙纖維素原料在130°C下蒸煮30min。之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料;S3將低聚合度紙纖維素原料在PH值為4的條件下于70°C用10ml的纖維素酶水解5h，得到還原性糖。S4將所述還原糖和30g釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為32°C，時間為1h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為38°C，發酵時間為12h;進入后發酵期，再將溫度調至34°C，維持65h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，脫水，收集其中的燃料乙醇。
[0033]對比例2
[0034]—種由廢紙制備燃料乙醇的方法，包括以下步驟:SI首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，對其進行多次強力攪拌洗滌、抽濾處理;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料;S2將1.5KG所述低聚合度紙纖維素原料在PH值為4的條件下于70°C用50ml纖維素酶和200ml胰蛋白酶水解5h，得到還原性糖。S4將所述還原糖和30g釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為16°C，時間為1h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為20°C，發酵時間為12h;進入后發酵期，再將溫度調至22°C，維持65h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，脫水，收集其中的燃料乙醇。
[0035]對實施例1-3及對比例1-2制備工藝中燃料乙醇的產率、還原糖的轉化率和水解速率進行測試對比發現，只加有纖維素酶的酶制劑的對比例I的酶水解轉化率遠低于實施例1組別的酶水解得率，并且在增大用量的基礎上酶水解轉化率仍然保持較低水平，而沒有進行酸預水解、曝曬、老化和研磨處理的對比例2組別的還原糖的轉化率相較對比例I的轉化率更高，酶水解后仍然殘留大量未反應的纖維素。
【主權項】
1.一種由廢紙制備燃料乙醇的方法，其特征在于，包括以下步驟: Si首先，用水浸泡廢紙并將其打碎;然后，用水，以攪拌洗滌、抽濾方法，洗除碎紙中水溶性化學添加劑;最后，將其自然晾干得初始紙纖維素原料； S2對所述初始紙纖維素原料，用稀硫酸對其進行降解處理;之后，對其進行過濾、曝曬、老化和研磨處理，得到低聚合度紙纖維素原料； S3將所述低聚合度紙纖維素原料用專用水解酶制劑水解，得到還原糖； S4將所述還原糖發酵后蒸餾，得到燃料乙醇。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟SI中洗滌步驟包括將廢紙漿在離心轉速為4000-6000rpm的離心機中洗滌至中性。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中降解處理包括將所述初始紙纖維素原料在PH值為3-5的條件下于120-150°C蒸煮25-40min。4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中所述專用水解酶制劑包括纖維素酶和胰蛋白酶，所述纖維素酶的用量為0.01-0.25g/g纖維素，胰蛋白酶的用量為0.6-0.9g/Kg05.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述纖維素酶包括纖維素內切酶蛋白、纖維素外切酶蛋白和β-葡萄糖苷酶蛋白，其中纖維素內切酶蛋白的濃度為40-80g/L，纖維素外切酶蛋白的濃度為10-30g/L，i3-葡萄糖苷酶蛋白的濃度為l-4g/L。6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S3中酶水解反應在PH值為4-6，溫度為50-70°C的條件下進行，反應時間為5-10h。7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S4包括將所述還原糖和釀酒酵母混合均勻，進行前發酵，控制溫度為15-19°C，時間為9-12h;進入主發酵期，此時將發酵溫度控制為20-22°C，發酵時間為12-15h;進入后發酵期，再將溫度調至21-23°C，維持60-72h后得到發酵產物，然后進行蒸餾，收集其中的燃料乙醇。8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述釀酒酵母加入量占所述還原糖重量的 14-18%。9.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S4中還包括蒸餾后將蒸氣經分子篩樹脂或膜萃取的方式除去水分的處理。
【文檔編號】C12R1/865GK106011182SQ201610626956
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月2日
【發明人】不公告發明人
【申請人】四川力久云智知識產權運營有限公司