[发明专利]一种蔗渣高效同步糖化共发酵产乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工、发酵工程与生物质能源领域，具体地是涉及到一种蔗渣高效同步糖化共发酵产乙醇的方法。

技术背景

木质纤维素是地球上最丰富而廉价的可再生资源，年生成量高达2×10¹¹t。木质纤维素的生物转化对解决能源问题、缓解环境污染具有重要的现实意义。我国每年可利用的木质纤维素在7亿吨左右，主要来源于农林废弃物、工业废弃物和城市废弃物。蔗渣是甘蔗制糖工业主要的纤维性残渣副产品，干蔗渣产率一般为11.5％～13％，我国年总产蔗量7000多万吨，蔗渣将达到700万吨以上。蔗渣生产燃料乙醇被给予厚望，其综合利用受到国内外越来越广泛的重视。

随着化石资源的日益枯竭，石油储量的日益减少，世界能源问题面临着严峻的考验。据预测，2020年我国石油供需缺口将达到3.6亿吨，届时石油对外依存度将达到60％。加之化石资源的利用产生的环境污染与气候变暖，绿色新能源尤其是生物质能源的开发利用愈发受到重视。燃料乙醇是生物质液体能源物质的主要形式，也是化石燃料尤其是石油最可能的理想替代品，与传统能源相比，它既是一种清洁能源，又是一种可再生能源。使用E10车用乙醇汽油(即变性燃料乙醇含量为10％的汽油)可使辛烷值提高3％，燃烧更加充分、彻底，减少一氧化碳排放25％-30％，减少二氧化碳排放约10％。目前，乙醇主要以粮食作物为生产原料，由于粮食紧缺问题日益突出，开发由木质纤维素等非粮作物原料生产第二代燃料乙醇的技术受到各国的巨大重视。

目前，木质纤维资源转化液体燃料主要通过热转化和生物转化两条途径。其中，乙醇的生物转化及发酵生产具有产物得率高、品质好等优势，是开发的主要方向。经多年努力，以纤维素类资源酸法或酶法转化生产乙醇或其他化学品的技术研究已取得了重大进展，但仍面临几个主要困难：(1)木质纤维难以直接被生物降解，需要先进行预处理，显著增加了投资和成本。(2)与酸水解相比，酶水解具有条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高等优点，但目前纤维素酶的比活力较低，酶用量大，成本较高。(3)半纤维素水解产物主要是戊糖，不能被一般的酿酒酵母发酵成乙醇，使得率较低。世界各国研究利用木质纤维素生产乙醇也都围绕预处理工艺、水解工艺、发酵工艺几个关键技术进行。美国(NREL、马斯科马、波伊特、杜邦丹尼斯克等)、加拿大(Iogen、SunOpta等)、巴西(Dedini等)以及欧洲(Abengoa、Inbicon等)在纤维素乙醇的研究及产业化方面取得了较大进展，我国(中粮集团、河南天冠集团、安徽丰原集团、山东泽生等)虽然取得了一定的成果，但存在的差距还较大。但纤维素乙醇至今未能完全进入工业化生产，主要原因有三：一是纤维原料预处理的成本较高；二是纤维素酶解成本高；三是缺乏成熟、高效的戊糖发酵技术。

木质纤维素原料的水解工艺主要有酸法和酶法两种。酸法消耗大量的酸，对设备腐蚀严重，且酸回收困难，造成环境污染。另外，酸水解过程产生的副产物对发酵存在强烈的抑制作用，因而酸法的应用受到一定限制。酶法具有条件温和、不生成抑制性有毒降解产物、糖得率高等优点，但成本相对较高。然而，随着纤维素酶生产技术的不断革新，酶法成为非常具有应用前景的水解方法，得到了广泛的研究应用。分步水解发酵工艺(SHF)是纤维素水解和水解液的乙醇发酵分别在不同的容器内进行，但由于纤维二糖和葡萄糖对水解过程的抑制大大增加了纤维素酶的成本，于是同步糖化发酵工艺(SSF)愈来愈受到重视。同步糖化发酵工艺即纤维素水解和水解液的乙醇发酵在同一个容器中进行，水解产生的葡萄糖马上被酵母利用，消除了葡萄糖和纤维二糖浓度的增加对纤维素酶的抑制作用。与分步水解发酵工艺相比，同步糖化发酵工艺可以显著提高乙醇产量，而且减少了反应所需的设备，同步糖化发酵工艺还具有简化反应设备、降低设备投资、提高生产效率、减少染菌几率等优点。但这种工艺存在的主要问题是纤维素酶解和乙醇发酵的最适温度不一致，因此只能折中选取二者中间某一温度作为实际操作温度，对酶水解效果和乙醇产率带来了负面影响，但总的来说，具有比分步水解发酵更好的乙醇产率。

同步糖化发酵仍需较高的纤维素酶用量和较长的反应时间，这是由于纤维素酶不可逆地吸附在底物的木素表面，使酶活性逐渐降低，造成水解速率及反应速率逐渐下降。同步糖化发酵转化乙醇的反应速度主要取决于水解反应的速度，纤维素酶的“钝化”是瓶颈，减少纤维素酶的失活和提高纤维素酶的稳定性成为近年来研究的热点。

本发明提供的同步糖化共发酵工艺，将预处理的原料(参见申请人的专利申请2011100522690)在反应器中酶解的同时进行可发酵糖的发酵，减弱了酶水解产物对酶的反馈抑制。