[发明专利]一种利用芦苇生产高浓度生物乙醇的方法

说明书

本发明属于生物质乙醇制备领域，具体公开了一种利用芦苇生产高浓度生物乙醇的方法，通过LHW–NHsubgt;3/subgt;·Hsubgt;2/subgt;O/Osubgt;2/subgt;预处理，在低酶负荷(9FPU/g–PSs)和PEG 6000添加剂下，酶消化率可达97.13％。在加入PS生物表面活性剂的分批S‑SSF后，在PEG 6000和鼠李糖脂的组合下，生物乙醇浓度达到71.50g/L，生物乙醇产率为78.40％。这种LHW–NHsubgt;3/subgt;·Hsubgt;2/subgt;O/Osubgt;2/subgt;预处理方法可以有效分离芦苇的三种主要成分，实现高价值利用。因此，该方法是一种低成本、绿色、高效的可发酵糖、半纤维素和改性木质素生产方法。

技术领域

本发明涉及生物质乙醇制备领域，特别是一种利用芦苇生产高浓度生物乙醇的方法。

背景技术

芦苇(Phragmitescommunis.)，多年生禾本科芦苇属植物，具极强的抗逆性和生存竞争能力，广泛分布于全国各地，在水资源丰富的地区，如河边滩涂，芦苇生长旺盛，具有“第二森林”的美誉，自然条件下芦苇也很少受到病虫害的侵袭，因此推测其体内含有并释放出高活性的他感物质，可以控制侵袭它的病菌、害虫，并能抑制其他植物对其生存空间等的争夺。芦苇的快速生长已成为制约相应地区发展的一大难题，无法使它变为具有高附加值、高科技含量的工业原料。除用作编织和造纸材料外，大多被直接烧掉，既浪费资源又污染环境。对富含纤维素生物质的芦苇茎叶残渣进行相应的预处理后，用于生物燃料乙醇的研制，以芦苇代替粮食进行乙醇的生产。

然而，木质纤维素成分的综合利用是生物乙醇工业化生产降低成本的关键。生物乙醇生产通常包括几个顺序步骤，即预处理、酶水解、发酵和蒸馏。在这些程序中，预处理是最昂贵的处理操作之一。木质纤维素生物质中的木质素、纤维素和半纤维素的结合产生了一种顽强的三维结构，能够抵抗酶和微生物的攻击。预处理用于打破木质纤维素生物质的顽固结构，从而提高木质纤维素生物质酶水解效率。研究已经调查并提出了许多预处理方法，如碱性、稀酸、液态热水(LHW)、蒸汽爆炸和有机酸。在这些方法中，LHW再处理作为一种实用但有效的无试剂预处理系统已被大量研究。LHW预处理可以去除高达90％的半纤维素，并提高预处理木质纤维素生物质的酶消化率。然而，LHW预处理对葡聚糖和木质素的影响最小。碱预处理可以有效去除木质素，酶水解效率也会显著提高。先前的研究表明，用氢氧化钠和碳酸钠预处理可以获得良好的酶消化率。然而，回收上述碱预处理过程中产生的黑液是困难的，这会造成环境污染。最近的研究发现，当使用氨水代替氢氧化钠和碳酸钠进行碱性预处理时，从黑液中提取的氨化木质素可以直接用作锂离子电池的正极材料。从氨化木质素黑液中获得的具有末端含氧官能团的富碳层可以装饰Li3V2(PO4)3，这可以提高锂离子电池的容量和寿命。然而，由于氨水预处理的弱碱性，木质素的去除率非常低，这可能导致酶消化率低。单一的预处理方法不能满足多种需求，在碱预处理中使用氧气有助于提高木质素的去除率，从而获得高的酶水解消化率。氧-碱预处理具有良好的效果，并已证明可以减少抑制化合物的产生。氧脱木素是一种绿色无污染的预处理方法，已被广泛用于去除木质素。氨水和氧气预处理的组合可具有良好的酶消化率。

传统的生物乙醇发酵方法包括分离水解发酵(SHF)和同时糖化发酵(SSF)。在生物乙醇生产过程中，通过SHF和SSF的最大底物浓度几乎不超过15％(w/v)。提高生物乙醇浓度的方法包括在高固体负荷下应用补料分批半同步糖化发酵(fed-batch S-SSF)。Fed-batchS-SSF包括SSF和预水解阶段，一些底物可以在预水解阶段液化。Fed-batch S-SSF可以生产高浓度生物乙醇，这可以降低蒸馏成本。然而，高酶成本仍然是生物乙醇生产的主要障碍之一。在酶水解过程中，木质素会使一些酶失活，从而增加酶水解的成本。聚乙二醇(PEG)和鼠李糖脂可以有效地抵抗木质素在酶上的非生产性吸附。PEG 6000是环氧乙烷和水缩合物的混合物，鼠李糖脂是一种由假单胞菌或伯克霍尔德菌产生的具有生物代谢特性的生物表面活性剂。它们可以提高酶水解的消化率并降低整个过程的成本。然而，鼠李糖脂对生物乙醇发酵的影响鲜有报道。

发明内容