[发明专利]以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺

说明书

本发明公开了一种以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺。所述工艺包括纤维素预处理、纤维素水解、糖类原料液化、原料混合和加入发酵菌种进行发酵。本发明使用纤维素原料和糖类原料共同发酵生产乙醇，发酵时纤维素原料预处理过程中产生的抑制物被稀释，抑制物对发酵的抑制效果降低，提升纤维素产乙醇的产率。同时本发明使用纤维素原料替代一部分糖类原料，减少发酵行业对糖类原料的需求，避免乙醇行业占用大量的粮食资源。本发明将纤维素原料和糖类原料进行共发酵，可以提升总的乙醇产量，提升纤维素原料的利用率。

技术领域

本发明属于可再生能源和生物工程技术领域，涉及一种以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺。

背景技术

乙醇因为具有清洁、安全的特点，是一种代表性的可再生能源。目前，乙醇主要有两种生产工艺：第一代和第二代乙醇生产工艺。第一代乙醇的原料主要是糖类，如玉米、木薯、高粱、甘蔗等。糖类原料主要由通过α-糖苷键连接的葡萄糖多糖组成，其易于水解成单糖并被微生物利用。此外，这些原料中还存在一定量的脂肪，蛋白质，微量元素和其他成分，可以促进微生物进行发酵。经过几十年的发展，第一代乙醇生产技术已经十分成熟，并且大规模应用于工业化生产。然而，糖类物质也是人类的食物和动物的饲料，大量使用其生产乙醇将占用大量的耕地，最终可能会导致原料价格上涨，影响其他农作物的生产，减少粮食供应，造成“与民争粮，与粮争地”的窘境(Niphadkar,Bagade et al.2017)。

第二代乙醇生产技术利用纤维素原料生物质生产乙醇。其中纤维素原料的来源十分广泛，包括木材、作物秸秆、甘蔗渣等一系列富含纤维素、半纤维素、木质素的物质。使用纤维素原料炼制乙醇不仅解决了乙醇原料来源问题，而且解决了农林废弃物的处理问题，达到双赢的效果。纤维素原料生物质主要由纤维素，半纤维素和木质素组成，其具有复杂的三维结构，结构致密，很难被微生物利用。DDGS为玉米乙醇发酵的主要副产品，包含纤维素和残留淀粉，主要作为动物饲料使用。使用DDGS炼制乙醇可以利用其中的纤维素和残留淀粉，提高利用价值。纤维素复杂的结构会导致DDGS酶解效率低。因此，木质纤维素、DDGS首先需要进行预处理，改变其结构，使水解过程中酶可以和底物充分接触，促进水解效率。但是预处理过程需要消耗大量的能量，并且产生很多的抑制物，例如乙酸、糠醛、5-羟甲基糠酸、香草酸、香草醛等。这些抑制物达到一定浓度后会对后续的纤维素原料水解和发酵过程产生不利影响。之后，在纤维素原料水解过程中将纤维素酶加入预处理后的底物中，将其水解成相应的单糖。在此过程中需要消耗大量的纤维素酶，大量酶的使用增加了二代乙醇的生产成本。最后，微生物利用水解得到的单糖进行发酵生产乙醇。二代乙醇生产技术可以将纤维素原料生物质直接转化为乙醇，具有广泛的应用前景。但是，由于高昂的酶成本，抑制物的负面影响，乙醇产量较低等因素，使得第二代乙醇技术仍难以实现大规模应用(Niphadkar,S.,P.Bagade and S.Ahmed(2017).Bioethanol production:insight intopast,present and future perspectives.Biofuels:1-10.)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以联合使用纤维素原料和糖类原料共同发酵生产乙醇的工艺，将第二代燃料乙醇生产工艺和现有的第一代乙醇工艺进行联合。该工艺不仅可以利用纤维素原料高效地生产乙醇，同时可以利用纤维素原料部分替代淀粉、糖类原料生产乙醇，减少乙醇行业对淀粉、糖类原料的需求。

实现本发明目的的技术方案如下：

以纤维素和糖类为原料共同发酵生产乙醇的工艺，包括以下步骤：

步骤1，木质纤维素原料的预处理：

将木质纤维素原料进行预处理，得到易于水解的木质纤维素；

步骤2，糖类原料的液化：

向糖类原料中加入水和α-淀粉酶，调节pH，进行液化，得到糖类原料液化液；

步骤3，水解：