[发明专利]一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维素乙醇生产的预处理及发酵领域，尤其是涉及一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法。

背景技术

利用木质纤维原料转化燃料乙醇用来部分替代日趋枯竭的化石能源，可以缓解能源危机、环境污染等问题。目前来讲，纤维素乙醇生产工艺包括：原料的预处理、预处理原料的脱毒、酶水解纤维素糖化、乙醇发酵、乙醇精馏提纯等步骤。自然界中的植物在长期的进化过程中形成了由纤维素、半纤维素、木素以及少量的蛋白质等组成的极其复杂的超分子结构，对化学品和酶等具有天然的生物抵抗性。因此，这种生物抵抗性严重影响了生物转化过程中液体的浸润、生物酶的接触及催化活性，最终造成差的生物转化率。纤维素原料的预处理旨在有效分离和破坏纤维素、半纤维素和木素间致密的结合，脱除木素保留半纤维素，减少纤维素的结晶度，提高原料的孔隙率，从而提高原料的酶解效率。

目前，纤维素原料的预处理方法分为物理法、化学法、物理-化学法和生物法。对农业废弃物来说，蒸汽爆破预处理是目前最适合且最有工业化前景的预处理方式。蒸汽爆破预处理是纤维原料在高温(160-270℃)、高压(0.69-4.83Mpa)下蒸煮一段时间，高压蒸汽通过扩散作用进入木质纤维细胞壁内部，使纤维结构的牢固性减弱，并通过快速泻压以达到爆破的效果。此外，研究发现，蒸汽爆破与水、酸、或碱浸渍相结合可大大提高预处理过程中原料的利用率和蒸汽爆破的作用效果。

同步糖化发酵工艺是指木质纤维素糖化和发酵过程同时进行，纤维素原料在纤维素酶的作用下生成葡萄糖的同时，立即被发酵微生物直接转化为乙醇。这种工艺减少了纤维素酶解过程中的产品抑制，从而提高了纤维素酶的效率。因此，SSF与SHF相比，具有更高的乙醇产量。但是，该工艺的缺点在于纤维素酶、木聚糖酶和酵母菌不能同时在各自适宜的温度和pH下工作，酵母菌与部分未糖化生物质混合在一起，削弱了酵母菌的活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：首先对废弃蔗髓进行氨水催化蒸汽爆破预处理，过滤收集固形物，然后进行同步糖化共发酵得到乙醇。本发明利用氨水催化蒸汽爆破预处理是为了有效脱除蔗髓的木质素，从而提高原料的酶解效率。同时，氨水催化蒸汽爆破预处理后的原料保留了大部分的半纤维素，这些半纤维素在酶解过程中转化为可发酵的单糖，从而提高了蔗髓原料的利用率。此外，本发明利用梯度升温、好厌氧交替的SSCF技术使酵母保持了较高的活性从而提高了乙醇的产率。

一种工业废弃蔗髓高效同步糖化共发酵生产乙醇的方法，包括以下步骤：

(1)备料：将工厂废弃的湿蔗髓置于通风处风干，直到干度达到90％以上；

(2)预浸渍：将步骤(1)所得蔗髓和氨水加入带搅拌的密闭广口瓶中预浸渍，得预浸渍液；

(3)蒸汽爆破预处理：将预浸渍液加入移动式蒸汽爆破装置中进行蒸汽爆破预处理；

(4)分离：利用洗浆袋对蒸汽爆破预处理后的固体和液体产物进行分离；

(5)脱气：将分离所得的固形物置于带有风机的通风橱内吹扫，脱除固形物中的氨水残留；

(6)风干：将步骤(5)所得固形物置于露天通风处风干，直到固形物干度达到90％以上；

(7)同步糖化共发酵：将风干后的固形物、缓冲溶液、发酵营养液、纤维素酶、纤维素二糖酶、木聚糖酶和酵母提取物加入发酵罐中混合，得混合液；再在30-50℃下进行同步糖化共发酵，得乙醇。

优选的，步骤(1)所述工业废弃蔗髓来自广西某浆纸厂。

优选的，步骤(2)所述预浸渍的条件为：料液比为1:3-1:5，氨水的浓度为30wt％，温度为常温，时间为6-12h，搅拌转速为150-250r/min。

优选的，步骤(3)所述蒸汽爆破预处理的条件为：料液比为1:3-1:5，反应温度为140-170℃，承载压力为0.4-0.8Mpa,反应时间为5-20min。

优选的，步骤(4)所述洗浆袋的规格为80-120网目。

优选的，步骤(5)所述吹扫的时间为30-60min。

优选的，步骤(7)所述同步糖化共发酵的条件为：固含量为6-12％，pH为4.5-5.5，转速为150-250rpm，发酵时间为72-108h，所述纤维素酶的用量为20-40FPU/g，纤维素二糖酶的用量为40-80CBU/g，木聚糖酶的用量为10-20U/g(“FPU/g”、“CBU/g”、“U/g”中的g是指用于同步糖化共发酵的蔗髓的质量)。