一種林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，先用濃度為0.75％～2％(g/ml)的堿液，分別在60℃水浴鍋和高壓蒸汽滅菌鍋中121℃(0.15Mpa)條件下處理30min～90min；然后用載量為5～30FPU/克預(yù)處理原料的組合酶水解72h；水解結(jié)束后水解物固液分離，將獲得的清液用嗜單寧管囊酵母發(fā)酵為乙醇。本發(fā)明方法利用農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)燃料乙醇，變廢為寶，解決了燃料與人爭糧的問題，同時可充分利用生物質(zhì)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
【專利說明】一種林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料乙醇的制備工藝，具體涉及一種林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法

【背景技術(shù)】
[0002]多年來，傳統(tǒng)能源的大量使用導(dǎo)致了能源危機(jī)以及環(huán)境惡化。為了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，可再生、無污染的生物質(zhì)能源已成為當(dāng)今的研究熱點。
[0003]木質(zhì)纖維素是地球上數(shù)量最大的可再生能源物質(zhì)，據(jù)初步統(tǒng)計全世界每年產(chǎn)量大約為100億噸。利用農(nóng)林廢棄物作為原料生產(chǎn)乙醇，實現(xiàn)生物質(zhì)資源的高值化利用，有利于改善生態(tài)環(huán)境，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，還可以增加農(nóng)民的收入。
[0004]橡子是殼斗科麻櫟屬和常綠櫧栲類野生植物橡樹的果實。全世界有8屬900余種，分布于溫帶、亞熱帶和熱帶，我國占6屬301種。我國有著豐富的橡子資源，橡子林約有(1.3?1.67) X 107hm2，每年可產(chǎn)60?70億千克橡子。橡子仁既可作為動物飼料、工業(yè)原料，也可用來加工保健食品，而由此產(chǎn)生的橡子殼產(chǎn)量大、來源廣、價格低，但卻無法得到很好的利用，不僅污染環(huán)境而且造成能源浪費。
[0005]天然纖維素類物質(zhì)含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素，纖維素的有效水解受木質(zhì)素的空間障礙和纖維素本身高結(jié)晶度和聚合度的阻礙，因此，欲水解纖維素必須對原料進(jìn)行預(yù)處理。常用的預(yù)處理的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法和聯(lián)合預(yù)處理法等。堿法預(yù)處理通過破壞木質(zhì)素和木聚糖之間交聯(lián)的酯鍵可有效去除原料中的木質(zhì)素，較酸法而言較為溫和，處理過程中糖的損失較少，最終預(yù)處理效果較好。稀堿處理后，纖維質(zhì)材料膨脹，內(nèi)部表面積增大，聚合度降低，結(jié)晶度下降，從而提高水解效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，把橡子殼變廢為寶，降低燃料乙醇的生產(chǎn)成本,提高燃料乙醇的生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，包括纖維素酶水解和酵母發(fā)酵，具體步驟如下:
[0008](I)橡子殼堿性預(yù)處理:用堿液對橡子殼粉進(jìn)行堿處理，溫度條件分別為30?90°C水浴處理 30min ?90min,以及 121°C /0.15Mpa 下處理 30min ?90min ；
[0009](2)纖維素酶水解:將預(yù)處理好的橡子殼粉，按照每克預(yù)處理原料加入5?30FPU的纖維素酶和β -葡萄糖苷酶以及1.5FXU的木聚糖酶，于45?60°C，100?150r/min水解48?72h ；
[0010](3)酵母發(fā)酵:酶水解反應(yīng)結(jié)束后將水解物離心分離，清液中添加營養(yǎng)鹽后，接種嗜單寧管囊酵母后于28?32°C，轉(zhuǎn)速100?150r/min，發(fā)酵48?72h。
[0011]所用橡子殼粉為采自安徽滁州的橡子風(fēng)干后脫殼，取橡子殼烘干粉碎得到。
[0012]預(yù)處理時按照每1ml堿液加入Ig橡子殼粉的比例投料。
[0013]所述的纖維素酶和葡萄糖苷酶按照摩爾比例為1:1混合。
[0014]纖維素酶水解時,控制酶水解底物濃度為5% g/mL.
[0015]所述的營養(yǎng)鹽組成為酵母浸膏2g/L，(NH4) 2S0410g/L, KH2P042g/L, MgS042g/L。
[0016]發(fā)酵時嗜單寧管囊酵母的接種量為8% v/v。
[0017]所述的橡子殼粉粒徑為0.25?0.3mm。
[0018]所述的堿液為0.75%?2% g/ml的氫氧化鈉水溶液。
[0019]有益效果:本發(fā)明方法以林業(yè)廢棄物橡子殼為原料，經(jīng)過原料預(yù)處理及纖維素酶糖化后，利用嗜單寧管囊酵母發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，降低了燃料乙醇生產(chǎn)過程的成本，提高了燃料乙醇的生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明方法利用農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)燃料乙醇,變廢為寶,解決了燃料與人爭糧的問題，同時可充分利用生物質(zhì)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，有利于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。應(yīng)該理解以下實施例僅旨在說明，不應(yīng)被視為對本發(fā)明范圍的限制。
[0021]本發(fā)明橡子殼發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的方法包括以下內(nèi)容，橡子殼堿性預(yù)處理、纖維素酶水解和酵母發(fā)酵步驟。
[0022]本發(fā)明方法中，對橡子殼進(jìn)行堿性預(yù)處理，用NaOH對橡子殼粉(0.25?0.3mm)進(jìn)行預(yù)處理，NaOH濃度為0.75%?2% (g/ml)，溫度為30?90°C (水浴鍋)和121。。/0.15Mpa(高壓蒸汽滅菌鍋)，時間為30min?90min ；
[0023]本發(fā)明方法中，纖維素酶水解方法為，將NaOH預(yù)處理的橡子殼粉，加入5?30FPU/克預(yù)處理原料的纖維素酶和β -葡萄糖苷酶以及1.5FXU的木聚糖酶，于45?60°C，100?150r/min 水解 48 ?72h ；
[0024]本發(fā)明方法中，酶水解反應(yīng)結(jié)束后將水解物離心分離，加入酵母浸膏2g/L，硫酸銨10g/L，磷酸二氫鉀2g/L，硫酸鎂2g/L配制成發(fā)酵培養(yǎng)液，接種8% (v/v)嗜單寧管囊酵母(Pachysolen tannophilus 1770)于 28 ?32°C,轉(zhuǎn)速 100 ?150r/min,發(fā)酵 48 ?72h。酵母種子為PDA (馬鈴薯葡萄糖)培養(yǎng)基培養(yǎng)的對數(shù)期酵母培養(yǎng)液。
[0025]本發(fā)明所述的橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，與蒸汽爆破法相比，堿處理利用木質(zhì)素能溶解于堿性溶液的特點，使得木質(zhì)素結(jié)構(gòu)破壞，提高木質(zhì)素的去除率，從而便于后續(xù)水解的進(jìn)行。
[0026]本發(fā)明所用的橡子殼單寧含量較高，而嗜單寧管囊酵母是一種能同時發(fā)酵己糖和木糖的菌種，同時能夠耐受水解液中殘留的單寧，相比較釀酒酵母等傳統(tǒng)菌種，更適合于含單寧原料的發(fā)酵。
[0027]以下實施例中，各種糖以及乙醇的含量均采用高效液相色譜法(HPLC)測定。色譜條件如下:色譜儀:Agillentll00高效液相色譜儀；色譜柱:B1_Rad Aminex HPX-87H ;流動相:0.005mol/L硫酸,流速:0.6mL/min ;柱溫:55°C ;檢驗器:示差折光檢驗器；進(jìn)樣量:1yL0外標(biāo)法測定。
[0028]預(yù)處理條件對橡子殼酶水解效果的影響
[0029]實施例1
[0030]將橡子殼105°C烘干，用粉碎機(jī)粉碎過篩得0.25?0.3mm的橡子殼粉備用。用濃度為0.75% (g/ml)的NaOH處理橡子殼，固液比1: 10 (g/ml)，在60°C水浴鍋中處理30min。處理結(jié)束后，用蒸餾水將原料洗至中性，過濾，所得部分固體預(yù)處理原料于-20°C保存待酶水解，取部分烘干測定酸不溶木素含量并計算固體回收率。稱取一定量的樣品，加入0.1M，PH4.8的檸檬酸緩沖液，固液比為5% (g/ml)，加入酶，載量為20FPU纖維素酶、20CBU β -葡萄糖苷酶和1.5FXU木糖酶每克預(yù)處理原料，于50°C，150r/min水解72h。結(jié)束后，立即用冰塊終止酶水解，過濾，進(jìn)行高效液相色譜分析。
[0031]結(jié)果表明，在60°C /0.75% Na0H/30min預(yù)處理條件下，橡子殼的固體回收率為82.09%，酸不溶木素的降解率為12.77%，總糖釋放量為504.9mg/g。
[0032]實施例2
[0033]將橡子殼105 °C烘干，用粉碎機(jī)粉碎過篩得0.25?0.3mm的橡子殼粉備用。用濃度為1% (g/ml)的NaOH處理橡子殼，固液比1: 10 (g/ml)，在121°C水浴鍋中處理30min。處理結(jié)束后，用蒸餾水將原料洗至中性，過濾，所得部分固體預(yù)處理原料于_20°C保存待酶水解，取部分烘干測定酸不溶木素含量并計算固體回收率。稱取一定量的樣品，加入0.ΙΜ,ρΗ4.8的檸檬酸緩沖液，固液比為5% (g/ml)，加入酶，載量為20FPU纖維素酶、20CBUi3 -葡萄糖苷酶和1.5FXU木糖酶每克預(yù)處理原料，于50°C，150r/min水解72h。結(jié)束后，立即用冰塊終止酶水解，過濾，進(jìn)行高效液相色譜分析。
[0034]結(jié)果表明，在121°C /1% Na0H/30min預(yù)處理條件下，橡子殼的固體回收率為69.55%，酸不溶木素的降解率為28.00%，總糖釋放量為588mg/g。
[0035]實施例3
[0036]將橡子殼105 °C烘干，用粉碎機(jī)粉碎過篩得0.25?0.3mm的橡子殼粉備用。用濃度為2% (g/ml)的NaOH處理橡子殼，固液比1: 10 (g/ml)，在121°C水浴鍋中處理60min。處理結(jié)束后，用蒸餾水將原料洗至中性，過濾，所得部分固體預(yù)處理原料于-20°C保存待酶水解，取部分烘干測定酸不溶木素含量并計算固體回收率。稱取一定量的樣品，加入0.1M，PH4.8的檸檬酸緩沖液，固液比為5% (g/ml)，加入酶，載量為20FPU纖維素酶、20CBU β -葡萄糖苷酶和1.5FXU木糖酶每克預(yù)處理原料，于50°C，150r/min水解72h。結(jié)束后，立即用冰塊終止酶水解，過濾，進(jìn)行高效液相色譜分析。
[0037]結(jié)果表明，在121°C /1% Na0H/30min預(yù)處理條件下，橡子殼的固體回收率為62.94%，酸不溶木素的降解率為39.34%，總糖釋放量為606.36mg/g。
[0038]經(jīng)液相色譜測定該水解液中組成為葡萄糖40.25g/L，木糖0.91g/L，阿拉伯糖0.02g/L。添加酵母浸膏2g/L，硫酸銨10g/L，磷酸二氫鉀2g/L，硫酸鎂2g/L，121 °C滅菌30min，作為發(fā)酵培養(yǎng)液。按照嗜單寧管囊酵母種液體積占發(fā)酵培養(yǎng)液體積的8%的接種量(v/v)接種。培養(yǎng)條件為32°C，轉(zhuǎn)速120r/min，發(fā)酵時間為60h，發(fā)酵結(jié)束后，過濾發(fā)酵液，測定乙醇濃度為17.46g/L，為理論產(chǎn)率的85.4%，達(dá)到了較好的效果。
【權(quán)利要求】
1.一種林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，包括纖維素酶水解和酵母發(fā)酵，具體步驟如下: (1)橡子殼堿性預(yù)處理:用堿液對橡子殼粉進(jìn)行堿處理，溫度條件分別為30?90°C水浴處理 30min ?90min,以及 121°C /0.15 Mpa 下處理 30 min ?90min ； (2)纖維素酶水解:將預(yù)處理好的橡子殼粉，按照每克預(yù)處理原料加入5?30FPU的纖維素酶和β-葡萄糖苷酶以及1.5FXU的木聚糖酶，于45?60°C，100?150 r/min水解48 ?72 h ； (3)酵母發(fā)酵:酶水解反應(yīng)結(jié)束后將水解物離心分離，清液中添加營養(yǎng)鹽后，接種嗜單寧管囊酵母后于28?32°C，轉(zhuǎn)速100?150r/min，發(fā)酵48?72 h。
2.按照權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于所用橡子殼粉為采自安徽滁州的橡子風(fēng)干后脫殼，取橡子殼烘干粉碎得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于預(yù)處理時按照每1ml堿液加入Ig橡子殼粉的比例投料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的纖維素酶和β-葡萄糖苷酶按照摩爾比例為1:1混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，纖維素酶水解時，控制酶水解底物濃度為5%g/ml。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的營養(yǎng)鹽組成為酵母浸膏2g/L，(NH4)2SO4 10g/L, KH2PO4 2g/L, MgSO4 2g/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，發(fā)酵時嗜單寧管囊酵母的接種量為8%v/v。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，嗜單寧管囊酵母種液為PDA培養(yǎng)基培養(yǎng)的對數(shù)期酵母培養(yǎng)液。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的橡子殼粉粒徑為0.25?0.3mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的林業(yè)廢棄物橡子殼堿性預(yù)處理酶解發(fā)酵制取乙醇的方法，其特征在于，所述的堿液為0.75%?2% g/ml的氫氧化鈉水溶液。
【文檔編號】C12P19/14GK104404088SQ201410828344
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】楊靜, 衛(wèi)民, 張寧, 蔣劍春, 趙劍 申請人:中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所