[发明专利]一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料乙醇的制备工艺，具体涉及一种碱性预处理植物纤维原料酶解发酵制取乙醇的方法。

背景技术

随着全球资源、能源、环境问题的突出和全球气候变暖趋势的加强，寻找清洁、可再生能源成为人类的必由之路，其中燃料乙醇凭借独特的优势成为首选。由于粮食乙醇的发展受到土地、农业生产、粮食供给和社会经济等各方面的制约，利用丰富的木材、禾草等植物纤维原料，尤其是廉价的农林废弃物经生物转化制取燃料乙醇，即纤维素乙醇，成为解决能源和环境问题的有效途径之一，是当前世界各国研究和开发的热点。

作为人均石油资源相对匮乏的发展中国家，我国对纤维素乙醇的需要更为迫切。我国汽油年消耗量已超过6000万吨，按照10%的添加配额需要燃料乙醇600万吨以上，而现有产能仅100余万吨，市场缺口较大；根据《可再生能源中长期发展规划》，至2020年我国可再生能源开发量在能源供应结构中的比重将提高到15%左右，其中燃料乙醇的年需要量达到2000万吨，且新增产能主要来源于纤维素乙醇。由此可见，我国纤维素乙醇的市场需求巨大，发展纤维素乙醇产业十分紧迫。与此同时，我国具有丰富的植物纤维原料，其中仅农作物秸秆的年产量就达7亿吨，并且产地相对集中，易于收集和运输。利用廉价的农林废弃物制取燃料乙醇，不仅可以变废为宝，代替粮食生产清洁燃料，为解决农村秸秆焚烧所造成的环境污染提供一条新的途径，更为重要的是能够构建出一条基于农林废弃物高值生物利用的新型产业链，为优化我国能源结构、发展农村经济、提高农民收入和促进经济的可持续发展提供技术支撑。因此，研究开发基于植物纤维原料，尤其是廉价农作物秸秆原料的纤维素乙醇生产技术具有重大的理论指导和现实意义。

天然植物纤维原料中，可利用的糖类物质主要是纤维素和半纤维素，它们和木质素之间相互粘合形成紧密的交联结构，必须经过适当的预处理和酶水解后它们可被转化成可发酵性的包括己糖和戊糖在内的单糖，单糖再经酵母发酵即可生成乙醇。原料预处理、纤维素酶水解和水解糖液的高效乙醇发酵是制备纤维素乙醇的三个关键工艺步骤。

植物纤维原料的预处理方法主要有物理法、化学法、生物法及联合法，其中化学法是目前最接近产业化的预处理方法。化学法是利用酸、碱、有机溶液或其它试剂对植物纤维原料进行处理，以除去部分半纤维素和木质素，进而破坏纤维素的结晶结构以增加纤维素的孔隙度及比表面积，提高纤维素酶的可及度和酶解得率。现有的酸、碱和有机溶剂等预处理工艺仍然未能摆脱高化学品消耗和高能耗的弊端，废水处理的压力大。

植物纤维原料中纤维素和半纤维素经预处理和酶水解后可转变成以葡萄糖和戊糖为主的单糖类。戊糖是植物纤维原料第二大糖类物质，尤其是在农作物秸秆中木聚糖占可利用糖类的25～30%，所产乙醇可占原料总糖所产乙醇的25%左右，因此木糖的高效乙醇发酵是提高植物纤维原料利用效率、降低纤维素乙醇生产成本的关键环节之一。自然界能够发酵葡萄糖产乙醇的微生物菌种较多，其中酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）对高浓度糖和乙醇的耐受能力强，工业生产技术十分成熟，但由于它们缺乏戊糖的相关代谢途径，所以不能直接利用戊糖。与之相比，仅有少数几个天然菌种能够发酵戊糖产乙醇，如休哈塔假丝酵母（Candida shehatae）和毕赤树干酵母（Pichia stipitis）等，但是这些菌种发酵戊糖都需要精确的限制性供氧措施，并且对戊糖的利用受葡萄糖的强烈抑制，对高糖、抑制物和乙醇的耐受能力也较差，因而在工业化生产中的调控难度大，乙醇产率低，生产成本高，还难以投入大规模商业化发酵。

目前研究较多的混合糖液发酵技术主要包括以下几种：

1、己糖戊糖共发酵。具体过程为：预处理的植物纤维原料在底物浓度5-15%（w/v）下进行酶水解，水解结束后固液分离，上清糖液直接或浓缩到一定糖浓度，同时利用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和毕赤树干酵母（Pichia stipitis）或单独利用树干毕赤酵母进行发酵制取乙醇。该法的理由是：去除了酶解残渣洗涤和戊糖发酵之前的乙醇蒸馏过程，降低了工艺的复杂性。但该法存在以下缺点：（1）酿酒酵母能耐受70-110g/L的乙醇，而树干毕赤酵母只能耐受30-35g/L的乙醇。乙醇耐受性的不一致大大限制了酵母能利用的总糖浓。（2）树干毕赤酵母总是先利用葡萄糖，再利用木糖，葡萄糖利用速率和乙醇得率低于酿酒酵母，利用木糖的速率和乙醇得率则更低。（3）树干毕赤酵母不能完全利用木糖，在残余木糖浓度为10g/L左右开始利用乙醇。