[发明专利]一种提高稻草制燃料乙醇产率的新方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源制备方法的技术领域，具体涉及纤维素物质制燃料乙醇的方法。

背景技术

在全球范围内，世界各国都面临着化石能源日渐枯竭、人口不断增长的危机，寻找新的、可再生的清洁替代能源已成为全人类目前最紧迫的任务之一。生物乙醇被认为是未来20年内最主要的可再生的车用替代燃料，在巴西、美国及一些欧洲国家已经开始大规模使用。生物乙醇具有其它燃料无可比拟的优点，如原料来源广泛，价格低廉，可与汽油以任意比互溶，提高汽油中氧含量从而促进汽油充分燃烧，无毒副作用且可便利的应用在目前的发动机上等。目前的生物乙醇主要是由玉米、小麦等淀粉质原料和蔗糖等糖质原料发酵而成，被称为第一代生物乙醇。我国的生物乙醇产量居世界第三位，仅次于美国和巴西。尽管第一代生物乙醇在生产成本上与汽油具有可比性，但其产量却远远不能满足当今世界的需求；同时在原料供应上存在着粮食危机的问题，这与我国的能源发展战略相悖；在世界范围内，由于第一代生物乙醇所导致的玉米价格大幅上涨等市场因素，生物乙醇在液体车用燃料的份额也已经触顶；此外，第一代生物乙醇所形成的净能源并不高，且使用第一代生物乙醇对减排温室气体的作用也非常有限。纤维素燃料乙醇的原料主要为木质纤维素类生物质，主要包括纤维素、半纤维素和木质素。木质纤维素的原料丰富，植物每年通过光合作用可产生高达1550亿吨纤维素类物质，而每年用于工业过程或燃烧的纤维素仅占2％左右，具有很大利用空间。利用广泛存在的木质纤维素原料通过生物转化和生物炼制的路线生产生物乙醇(即纤维素乙醇)，被称为第二代生物乙醇技术。纤维素乙醇不仅能够解决原材料不足的问题，不与粮食和动物饲料供给相冲突，净产能高(用玉米秸秆等农作物秸秆生产乙醇时，生产玉米等粮食的能耗不计入乙醇的生产能耗)，还可以大大降低温室气体的排放量，有效缓解温室效应及环境污染。此外，纤维素乙醇产业在广大农业产区的大规模实施，对提升农村经济活力和产业水平具有举足轻重的作用。

目前，世界上已有数十套利用木质纤维素原料生产乙醇的中试装置或示范生产线，它们各自采用的生产工艺也不尽相同，最普遍的纤维素乙醇生产工艺包括四个步骤：即木质纤维素原料的预处理、原料的水解、乙醇发酵和分离提纯。涉及到本发明的主要是原料水解(糖化)和乙醇发酵，故其它工艺步骤的研究不再赘述介绍。

预处理后的木质纤维素原料在纤维素酶的催化作用下酶解生成葡萄糖，然后由发酵微生物代谢生成乙醇。要提高发酵液中的乙醇浓度，必须提高酶解结束时体系中葡萄糖浓度，进而提高酶解体系中固体含量。对于该步骤目前主要分为两种工艺，即分步糖化发酵工艺和同步糖化发酵工艺。两种工艺方法均有各自不同的优势与不足。在分步糖化发酵工艺中，由于原料的糖化与葡萄糖的发酵是单独进行的，能够保证纤维素酶和发酵微生物在各自的最佳温度下进行生化反应，能够提高制备效率。另一方面，该工艺至少需要两个不同的反应器，并且随着工艺的进行需要转移反应物，这就给操作上带来了不便；此外，随着固体含量以及酶解结束时葡萄糖浓度的提高，葡萄糖对纤维二糖酶的产物抑制作用逐渐增强，从而大大降低木质纤维素原料的酶解效率。而同步糖化发酵工艺是将纤维素的酶解与微生物的发酵两个有先后顺序的工段整合成一个同步的过程，即在同一个反应器中，木质纤维素原料在纤维素酶的催化下酶解生成葡萄糖的同时，立即被发酵微生物直接转化成终产物乙醇；尽管产物乙醇对纤维二糖酶也会产生抑制作用，但比葡萄糖产生的抑制作用要小得多。这种工艺是目前最常用的木质纤维素原料加工工艺，它不仅有效解除了葡萄糖对纤维二糖酶的抑制，而且提高了反应器的利用效率和整个过程的效率。但是，由于纤维素酶的作用温度一般为45～55℃，发酵微生物的最适生长和发酵温度为30～37℃，因此，进行同步糖化发酵时，采用的温度为35～37℃，保证了纤维素酶和发酵微生物都具有反应活性。在此温度下，纤维素酶的催化活性会有所降低。