專利名稱：天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于乙醇發(fā)酵工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用天然纖維素原料經(jīng)離子 液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇的方法。
(二)
背景技術(shù)：
乙醇是生物質(zhì)液體能源材料的主要代表，也是石化燃料最可能的替代品。 隨著社會(huì)的進(jìn)步，環(huán)境污染、能源短缺問(wèn)題越來(lái)越困擾人類的生存與發(fā)展，乙 醇作為清潔可再生能源，具有愈益重要的現(xiàn)實(shí)意義。以淀粉類和糖類化合物為 原料，采用微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但其原料成本高昂且消耗 并不富余的糧食，難以滿足當(dāng)今社會(huì)大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用。
纖維素是地球上貯量最豐富的有機(jī)物質(zhì)，植物每年通過(guò)光合作用能產(chǎn)生高
達(dá)1550億噸纖維素類物質(zhì)。它成本低廉，來(lái)源廣泛，目前每年用于工業(yè)過(guò)程 或燃燒的纖維素約占2%左右，還有很大一部分未凈皮利用，因此以纖維素作為發(fā) 酵原料制備乙醇成為必然的趨勢(shì)。以天然纖維素原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇主要以釀酒 酵母為菌種，通過(guò)纖維素水解生成葡萄糖后，發(fā)酵制得乙醇。該工藝需要解決 兩大技術(shù)問(wèn)題(1)天然纖維素的水解產(chǎn)物對(duì)發(fā)酵的抑制作用；(2)木質(zhì)纖維 素水解產(chǎn)物五碳糖(木糖)、六碳糖(主要是葡萄糖)等混合糖的高效發(fā)酵問(wèn) 題。
纖維素水解的方法主要包括酸解和酶解。前者工藝繁瑣，對(duì)設(shè)備有腐蝕， 更重要的是產(chǎn)生大量的對(duì)發(fā)酵產(chǎn)生抑制的物質(zhì)(如乳糖醛、酚類化合物等)。 酶解較為理想，但纖維素酶價(jià)格昂貴，不能循環(huán)利用；且由于纖維素是復(fù)雜的 晶狀結(jié)構(gòu)，周圍附著半纖維素和木質(zhì)素，必須經(jīng)預(yù)處理后，纖維素酶才能發(fā)生 作用。常見(jiàn)的預(yù)處理方法有物理法(如機(jī)械粉碎、蒸汽爆裂法等)和化學(xué)法(如 臭氧法、酸法、堿法等)，但都不令人滿意。其中蒸汽爆破被認(rèn)為有應(yīng)用前景， 但它破壞了木聚糖的結(jié)構(gòu)，還可能積累對(duì)微生物生長(zhǎng)起抑制作用的物質(zhì)，且需要消耗大量蒸氣，另外木質(zhì)素還不能被除去。出現(xiàn)混合糖發(fā)酵的問(wèn)題是由于半 纖維素水解生成了木糖。對(duì)于酵母來(lái)講，木糖不能被發(fā)酵生成乙醇，且其存在 對(duì)纖維素酶水解纖維素有抑制作用，隨著底物中木糖濃度的增加，乙醇的收率 將會(huì)下降。
木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法中目前比較流行的是同步糖化發(fā)酵，該方 法優(yōu)點(diǎn)在于解除了葡萄糖對(duì)纖維素酶的抑制作用，提高了酶解效率，減少了纖 維素酶的用量，所需要的反應(yīng)設(shè)備減少，污染的可能性降低。但隨著發(fā)酵的進(jìn) 行，乙醇的大量積累會(huì)對(duì)微生物的活性產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)也對(duì)纖維素酶產(chǎn) 生抑制作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā) 酵制備乙醇的方法，解決混合糖發(fā)酵以及其引起的一系列問(wèn)題，最終解決乙醇 生產(chǎn)效率低的問(wèn)題。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇的方法，其中將天 然纖維素原料先依次用離子液體A和B處理分別除去半纖維素、木質(zhì)素，再以 得到的纖維素為底物發(fā)酵制備乙醇，所述的離子液體A為酸性或堿性離子液體， 其中酸性離子液體優(yōu)選帶磺酸根基團(tuán)的離子液體；所述的離子液體B為鹵化咪 唑類離子液體。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于先將天然纖維素原料中含有的對(duì)發(fā)酵過(guò)程有影響的半 纖維素和木質(zhì)素分別去除，采用的手段是分別使用離子液體A和離子液體B， 酸性或堿性的離子液體A要求對(duì)天然纖維素原料中的半纖維素有很好的溶解 性，但是不溶解纖維素和木質(zhì)素；卣化咪唑類離子液體B對(duì)纖維素和木質(zhì)素的 溶解度要有較大差別。相比較于物理或者化學(xué)的預(yù)處理方法，本處理方法簡(jiǎn)單， 且分離效果好；相較于無(wú)機(jī)或有機(jī)類的溶劑，使用離子液體不僅環(huán)保，且經(jīng)簡(jiǎn) 單處理后即可循環(huán)使用，降低成本。較好的，天然纖維素原料用離子液體處理的過(guò)程可如下進(jìn)行將天然纖維 素原料粉碎至20 ~ 200目，加入天然纖維素原料質(zhì)量2-20倍的離子液體A在 60-16(TC下浸泡2 - 10小時(shí)，分離出固形物，得到除去半纖維素的天然纖維素； 將除去半纖維素的天然纖維素再與離子液體B按照質(zhì)量比1:2-20混合，于 60-130。C加熱0. 5-4h,將固形物分離除去，得除去木質(zhì)素的纖維素溶液，處理 后得纖維素。
以上過(guò)程中用離子液體A處理后分離出固形物后的溶液即為半纖維素的離 子液體溶液，加入水或乙醇后半纖維素即可沉淀出來(lái)，離心后半纖維素可作他 用，離子液體A可通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后再生并循環(huán)使用。囟化咪唑類離子液體B是 可以溶解半纖維素和纖維素的，而對(duì)木質(zhì)素溶解度極小，在半纖維素已經(jīng)除去 的情況下，離子液體B中溶解的只有纖維素，而木質(zhì)素作為固形物在分離時(shí)被 除去。具體的，溶解有纖維素的離子液體可以通過(guò)加入乙醇或水使纖維素沉淀 出來(lái)，而離子液體通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后再生并循環(huán)使用。
天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理后，木質(zhì)素與半纖維素已被分離除 去，這就避免了后續(xù)糖化發(fā)酵過(guò)程中水解產(chǎn)物的混合糖發(fā)酵問(wèn)題，以及分解不 完全對(duì)纖維素酶的抑制作用，提高了酶活以及發(fā)酵效率，另外發(fā)酵過(guò)程中累積 的不發(fā)酵物質(zhì)減少，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)酵。
纖維素酶發(fā)酵生產(chǎn)乙醇已經(jīng)是較為成熟的技術(shù)，本發(fā)明根據(jù)具體情況又進(jìn) 一步提供了較為優(yōu)選的方法將纖維素與水按照1-4: 10的質(zhì)量比例混合，滅 菌后加入纖維素酶，于40 6(TC下保溫20~40小時(shí)進(jìn)行酶解，然后再于30~ 4tTC，無(wú)菌接入釀酒酵母發(fā)酵10-30小時(shí)，生成乙醇。
本方法中所述酶解與發(fā)酵過(guò)程優(yōu)選在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，酶解與發(fā)酵過(guò)程 中反應(yīng)器底部通入C02。特別是當(dāng)反應(yīng)器中乙醇的體積濃度達(dá)到3~5%時(shí)，增 大C02通氣量至乙醇可從反應(yīng)器中移出。此操作可以解決乙醇的大量積累對(duì)微 生物的活性產(chǎn)生的影響，同時(shí)也避免了乙醇積累對(duì)纖維素酶產(chǎn)生的抑制作用。
在上述纖維素發(fā)酵制備乙醇的過(guò)程中，反應(yīng)物料的加入、酶解、發(fā)酵、乙 醇的分離可連續(xù)進(jìn)行。而由C02移出的乙醇通過(guò)冷凝、吸附、吸收或膜分離回 收，可得到體積百分比濃度為30~60%的乙醇。本發(fā)明提到的天然纖維素原料優(yōu)選綠色植物通過(guò)光合作用形成的可再生 資源，如玉米秸稈、小麥秸稈或稻草等農(nóng)業(yè)廢棄物，既保護(hù)環(huán)境又能廢物利用。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明通過(guò)利用環(huán)境友好的離子液體對(duì)天然纖維素原津牛進(jìn)行分級(jí)處理，把 其中的半纖維素、木質(zhì)素等對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇有害的物質(zhì)去除以作他用，僅利用 纖維素作為底物進(jìn)行乙醇發(fā)酵,實(shí)現(xiàn)天然纖維素原^F的全利用。同時(shí)可避免半 纖維素、木質(zhì)素等對(duì)纖維素酶的吸附，提高酶活；反應(yīng)器內(nèi)不發(fā)酵的物質(zhì)積累 少，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)酵，進(jìn)料濃度高，酵母、纖維素酶循環(huán)利用，回收乙 醇濃度高，節(jié)約用水。
具體實(shí)施例方式
以下以具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于
此
實(shí)施例1
將一定量的玉米秸稈并分碎至40目，按1: 6的質(zhì)量比例加入離子液體氯化 1-曱基-3-(苯基磺酸基)甲基咪唑(酸性)中，在80。C下浸泡4小時(shí)。原料 部分溶解，經(jīng)離心，獲得主要成分為纖維素和木質(zhì)素的固形物。溶解在離子液 體氯化l-曱基-3-(苯基磺酸基)曱基咪唑中的半纖維，可通過(guò)加入水沉淀出 來(lái)，離心分離；離子液體氯化1-曱基-3-(苯基磺酸基)曱基咪唑可通過(guò)真空 干燥循環(huán)使用。
含有纖維素和木質(zhì)素的固形物，按6: 100的質(zhì)量比例加入離子液體氯化l-烯丙基-3-曱基咪唑中，在ll(TC下油浴加熱2小時(shí)。固形物部分溶解，經(jīng)離心， 獲得主要成分為木質(zhì)素的固形物。溶解于離子液體氯化l-烯丙基-3-曱基咪唑 的纖維素，通過(guò)加入乙醇溶劑沉淀出來(lái)，離心分離；離子液體氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑可通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)再生循環(huán)使用。
分離所得纖維素與水混合配制質(zhì)量百分比為20%的混合液，加入氣升式反 應(yīng)器中，經(jīng)滅菌后加入纖維素酶酶解，酶加入量為100U/g纖維素，于WC下保溫24小時(shí)，生成纖維素酶解物，在該過(guò)程中，從反應(yīng)器底部微通C02進(jìn)行攪 拌；纖維素酶解物在34。C下，無(wú)菌接入釀酒酵母發(fā)酵24小時(shí)，生成乙醇，該 過(guò)程中，繼續(xù)從反應(yīng)器底部微通0)2進(jìn)行攪拌；當(dāng)反應(yīng)器中乙醇的體積濃度達(dá) 到3~5%時(shí)，增大C02通氣量，進(jìn)行氣提操作，利用C02的夾帶作用，將乙醇 從反應(yīng)器中移出。由C02移出的乙醇通過(guò)冷凝方法(冷媒溫度-3G。C )回收，最 終乙醇體積濃度為40%。
實(shí)施例2
將一定量的稻草粉碎至80目，按1: 15的質(zhì)量比例加入離子液體曱磺酸N-曱基咪唑(酸性)中，在6(TC下浸泡6小時(shí)。原料部分溶解，經(jīng)離心，獲得主 要成分為纖維素和木質(zhì)素的固形物。半纖維素的分離與離子液體的回收方法同
實(shí)施例1。
含有纖維素和木質(zhì)素的固形物，按1:5的質(zhì)量比例加入離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑中，微波加熱1小時(shí)。固形物部分溶解，經(jīng)離心，獲得主要 成分為木質(zhì)素的固形物。纖維素的分離與離子液體的再生方法同實(shí)施例1。
分離所得纖維素與水混合配制質(zhì)量百分比為40 %的混合液，加入氣升式反 應(yīng)器中，經(jīng)滅菌后加入纖維素酶酶解，酶加入量為100U/g纖維素，于6(TC下 保溫24小時(shí)，生成纖維素酶解物，在該過(guò)程中，從反應(yīng)器底部微通C02進(jìn)行攪 拌；纖維素酶解物在34。C下，無(wú)菌接入釀酒酵母發(fā)酵24小時(shí)，生成乙醇，該 過(guò)程中，從反應(yīng)器底部微通C02進(jìn)行攪拌；后續(xù)操作同實(shí)施例l。由C02移出的 乙醇通過(guò)填充活性炭吸附塔回收，待吸附飽和后，加熱吸附塔再生，經(jīng)冷凝最 終乙醇濃度為60%。
實(shí)施例3
將一定量的小麥桔稈4分^^至100目，按1: 10的質(zhì)量比例加入離子液體氫 氧化l-甲基-3-正丁基咪唑(堿性)中，在8(TC下浸泡8小時(shí)。原料部分溶解， 經(jīng)離心，獲得主要成分為纖維素和木質(zhì)素的固形物。半纖維素的分離與離子液 體的回收方法同實(shí)施例1。含有纖維素和木質(zhì)素的固形物，按6: 100的質(zhì)量比例加入離子液體溴化1-丁基_3-曱基咪唑中，微波加熱3小時(shí)。固形物部分溶解，經(jīng)離心，獲得主要 成分為木質(zhì)素的固形物。纖維素的分離與離子液體的再生方法同實(shí)施例1。分離所得纖維素與水混合配制質(zhì)量百分比為20%的混合液，加入氣升式反 應(yīng)器中，經(jīng)滅菌后加入纖維素酶酶解，酶加入量為100U/g纖維素，于6(TC下 保溫24小時(shí)，生成纖維素酶解物，在該過(guò)程中，從反應(yīng)器底部微通C02進(jìn)行攪 拌；纖維素酶解物在34。C下，無(wú)菌接入釀酒酵母發(fā)酵24小時(shí)，生成乙醇，該 過(guò)程中，繼續(xù)從反應(yīng)器底部微通0)2進(jìn)行攪拌；當(dāng)反應(yīng)器中乙醇的體積濃度達(dá) 到3~5%時(shí)，增大C02通氣量，進(jìn)行氣提操作，將乙醇從反應(yīng)器中移出。同時(shí) 向反應(yīng)器中補(bǔ)加經(jīng)過(guò)滅菌的纖維素與水的混合溶液(質(zhì)量百分比為40% )，進(jìn) 行連續(xù)操作。其他操作同實(shí)施例2，最終乙醇濃度為60°/。。
權(quán)利要求
1. 天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇的方法，其特征在于，將天然纖維素原料依次用離子液體A和B處理分別除去半纖維素、木質(zhì)素后，以得到的纖維素為底物發(fā)酵制備乙醇，所述的離子液體A為酸性或堿性離子液體，所述的離子液體B為鹵化咪唑類離子液體。
2. 如權(quán)利要求1所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇 的方法，其特征在于所述酸性離子液體為帶磺酸根基團(tuán)的離子液體。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備 乙醇的方法，其特征在于將天然纖維素原料粉碎至20~ 200目，加入天然纖維 素原料質(zhì)量2-20倍的離子液體A在60 - 16(TC下浸泡2 - 10小時(shí)，分離出固形 物，得到除去半纖維素的天然纖維素；將除去半纖維素的天然纖維素再與離子 液體B按照質(zhì)量比1: 2-20混合，于60-130。C加熱0. 5-4h,將固形物分離除去， 得除去木質(zhì)素的纖維素溶液，處理后得纖維素。
4. 如權(quán)利要求3所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇 的方法，其特征在于將纖維素與水按照1-4: 10的質(zhì)量比例混合，滅菌后加入 纖維素酶，于40 6(TC下保溫20~40小時(shí)進(jìn)行酶解，然后再于30 ~ 4(TC，無(wú) 菌接入釀酒酵母發(fā)酵10~ 30小時(shí)，生成乙醇。
5. 如權(quán)利要求4所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇 的方法，其特征在于所述酶解與發(fā)酵過(guò)程在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，酶解與發(fā)酵過(guò) 程中反應(yīng)器底部通入C02。
6. 如權(quán)利要求5所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇 的方法，其特征在于當(dāng)反應(yīng)器中乙醇的體積濃度達(dá)到3~5°/。時(shí)，增大C02通氣 量至乙醇可從反應(yīng)器中移出。
7. 如權(quán)利要求6所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇 的方法，其特征在于反應(yīng)物料的加入、酶解、發(fā)酵、乙醇的分離連續(xù)進(jìn)行。
8. 如權(quán)利要求7所述的天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇 的方法，其特征在于所述天然纖維素原料為玉米秸稈、小麥秸稈或稻草。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用天然纖維素原料經(jīng)離子液體分級(jí)處理一步發(fā)酵制備乙醇的方法。其中將天然纖維素原料依次用離子液體A和B處理分別除去半纖維素、木質(zhì)素后，再以得到的纖維素為底物一步發(fā)酵制備乙醇，所述的離子液體A為酸性或堿性離子液體，所述的離子液體B為鹵化咪唑類離子液體。本發(fā)明通過(guò)利用離子液體對(duì)天然纖維素原料進(jìn)行分級(jí)處理，把其中的半纖維素、木質(zhì)素等對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇有害的物質(zhì)去除以作他用，僅利用纖維素作為底物進(jìn)行乙醇發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)天然纖維素原料的全利用。同時(shí)可避免半纖維素、木質(zhì)素等對(duì)纖維素酶的吸附，提高酶活；反應(yīng)器內(nèi)不發(fā)酵的物質(zhì)積累少，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)酵，進(jìn)料濃度高，酵母、纖維素酶循環(huán)利用，回收乙醇濃度高，節(jié)約用水。
文檔編號(hào)C12P7/10GK101298620SQ200810095798
公開(kāi)日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者振 劉, 尹衛(wèi)平, 敏 楊, 王鍵吉 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)