一種利用能源草聯(lián)產(chǎn)乙醇和甲烷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及乙醇甲烷聯(lián)產(chǎn)方法，具體地說(shuō)，涉及一種利用能源草聯(lián)產(chǎn)乙醇和甲烷 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以木質(zhì)纖維素為原料，利用現(xiàn)代化生物技術(shù)手段開(kāi)發(fā)的生物替代能源，已成為當(dāng) 今世界發(fā)達(dá)國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要組成部分。隨著對(duì)木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)清潔能源研究的逐 漸深入，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建成或在建多套中試生產(chǎn)線及示范性工廠，纖維類(lèi)燃料乙醇的發(fā)展正 步入產(chǎn)業(yè)化初期階段。其中，以能源草為代表的木質(zhì)纖維素原料，由于其富含纖維素、適應(yīng) 性廣、抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高等特點(diǎn)而成為較有優(yōu)勢(shì)的生產(chǎn)可再生清潔能源的底物。
[0003] 能源草為多年生高大草本植物或半灌木，多為耐旱、耐鹽堿、耐瘠薄、適應(yīng)性強(qiáng)的 草種，包括柳枝稷、芒屬作物等高大草本植物。目前，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)能源草進(jìn)行 清潔能源乙醇的生產(chǎn)進(jìn)行了大量研究，不同能源草經(jīng)過(guò)青貯、酸堿、蒸汽爆破等方式進(jìn)行預(yù) 處理后，其乙醇發(fā)酵產(chǎn)量也不盡相同。2015年Sun.等人以草原繩草(Prairiecordgrass)為 底物，經(jīng)過(guò)酸處理后進(jìn)行20% (w/w)的高底物同步糖化乙醇發(fā)酵最終獲得乙醇產(chǎn)量為205.0 ~275.6g·kg-1;Viola等人通過(guò)蒸汽爆破預(yù)處理將暢草(Eelgrass)同步糖化發(fā)酵的纖維 素轉(zhuǎn)化率提高到90.3%，相應(yīng)的獲得了乙醇產(chǎn)量為2438*1^-1。然而，6 &11叫〇等人雖然將 王草(Kinggrass)進(jìn)行了堿處理并進(jìn)行了底物濃度為10%的分步糖化發(fā)酵及同步糖化發(fā) 酵，但最終乙醇產(chǎn)量?jī)H為8.7~10.4g·L-1。同樣的，以青方法對(duì)糜子（Panicum mi1iaceumL.)進(jìn)行底物濃度為23%的分步糖化發(fā)酵，其乙醇產(chǎn)率也僅為45%。然而，以上 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)酵產(chǎn)乙醇濃度較低，能耗較高，不適于進(jìn)行放大，而要想進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生 產(chǎn)，亟需一種利用能源草進(jìn)行批式補(bǔ)料高底物濃度同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法。但由于 能源草主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬，不同能源草纖維素含量以及原料 特性不同，導(dǎo)致并不是所有預(yù)處理后的能源草都可以直接適用于批式補(bǔ)料高底物濃度同步 糖化發(fā)酵。
[0004] 此外，對(duì)于能源草發(fā)酵生產(chǎn)乙醇之后的發(fā)酵全殘留物，現(xiàn)有技術(shù)中并沒(méi)有給出很 好的處理方法，即能較好利用殘留物中的可用成分，又能最大化地由木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn) 得到清潔能源。
[0005] 例如，公開(kāi)號(hào)為CN103102036A的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了纖維類(lèi)乙醇生產(chǎn)廢水的處理 方法，這種方法適用于乙醇發(fā)酵結(jié)束后的廢水處理，并不能通過(guò)這種方法提高纖維類(lèi)乙醇 的產(chǎn)量及纖維素轉(zhuǎn)化率。
[0006] 再如，公開(kāi)號(hào)為CN101914576A的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了以造紙污泥及味精廢液混合 物為底物進(jìn)行乙醇甲烷聯(lián)產(chǎn)的策略，其原料造紙污泥以細(xì)小纖維類(lèi)有機(jī)物為主要成分，其 含量可達(dá)70-90%，能夠較容易被降解。而能源草原料即便經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后，纖維素含 量范圍也僅為35-50%，不易進(jìn)行酶解與乙醇工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用能源草聯(lián)產(chǎn)乙醇 和甲烷的方法，最大化地由木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)得到清潔能源。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種利用能源草聯(lián)產(chǎn)乙醇和甲烷的方法，以蒸汽爆破后的能源草為原料，經(jīng)纖維 素酶及葡萄糖苷酶酶解后，進(jìn)行高底物濃度同步糖化發(fā)酵乙醇，并將發(fā)酵殘留物進(jìn)行厭 氧消化處理以生產(chǎn)甲烷。
[0010]所述蒸汽爆破后的能源草纖維素含量為30-55%，半纖維素含量為5-10%，木質(zhì)素 含量為25-40 %，灰分含量為1-3 %。
[0011] 進(jìn)一步地，所述方法包括如下步驟：
[0012] 1)原料預(yù)處理：
[0013]向蒸汽爆破后的能源草中加入緩沖液，使其濃度為10-30%，調(diào)節(jié)pH為5.1-5.5，加 入纖維素酶及葡萄糖苷酶進(jìn)行酶解，得到發(fā)酵底物；
[0014] 2)高底物濃度同步糖化發(fā)酵乙醇：
[0015]在所述發(fā)酵底物中接種釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后得醪液，對(duì)醪液進(jìn)行蒸餾 獲得乙醇及發(fā)酵殘留物；
[0016] 3)以所述發(fā)酵殘留物為消化底物，利用含產(chǎn)甲烷菌的厭氧污泥進(jìn)行厭氧消化，收 集甲烷氣體。
[0017]步驟2)中當(dāng)反應(yīng)體系內(nèi)的乙醇濃度穩(wěn)定時(shí)結(jié)束發(fā)酵。
[0018] 進(jìn)一步地，纖維素酶酶當(dāng)量20FPU/gcellulose，f3-葡萄糖苷酶酶當(dāng)量20U/g cellulose。進(jìn)一步地，所述酶解條件為溫度45°C_50°C，pH5.1-5.5，時(shí)間6-18h。酶解液中含 大量葡萄糖，易于與釀酒酵母接觸而被利用。經(jīng)上述酶解條件酶解后的酶解產(chǎn)物作為發(fā)酵 底物，能夠更好的將蒸汽爆破預(yù)處理后原料中的纖維素轉(zhuǎn)化成清潔能源乙醇。
[0019] 進(jìn)一步地，所述緩沖液為含有酵母提取物與蛋白胨的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，其 pH值為5.1-5.5。該緩沖液中的酵母提取物的作用是為酵母菌群的生長(zhǎng)提供充足的C源，所 述緩沖液整體能夠起到為酵母菌群的生長(zhǎng)提供C源、N源，維持體系pH穩(wěn)定的作用。
[0020] 所述緩沖液的配制方法為：分別配置檸檬酸、檸檬酸鈉緩沖液母液，濃度均為 1111〇1/匕用時(shí)將朽1檬酸、朽 1檬酸鈉母液稀釋20倍至0.051]1〇1凡，混合，將。!1調(diào)至5.5(由于原料 經(jīng)過(guò)蒸汽爆破后產(chǎn)生部分小分子酸，原料呈酸性，發(fā)酵時(shí)pH為5.0,將pH調(diào)高后的緩沖液與 原料混合時(shí)可減少pH調(diào)節(jié)時(shí)氫氧化鈣的使用，氫氧化鈣為過(guò)飽和溶液）。隨后加入，15g/L酵 母提取物，30g/L蛋白胨，混勾，調(diào)節(jié)pH至5.1-5.5。
[0021] 本發(fā)明利用上述緩沖液對(duì)蒸汽爆破后的能源草提供穩(wěn)定的反應(yīng)體系，能夠使蒸 汽爆破后的能源草易于酶解，更有利于后續(xù)反應(yīng)。
[0022] 進(jìn)一步地，步驟2)中發(fā)酵時(shí)，調(diào)整發(fā)酵底物濃度(底物初始濃度)為8%_12%，接種 釀酒酵母進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵期間進(jìn)行批式補(bǔ)料，補(bǔ)加的是蒸汽爆破后的能源草，使發(fā)酵底物的 終濃度為18 %-22 %。
[0023]當(dāng)初始底物濃度和終底物濃度滿足上述條件時(shí)，能夠維持較穩(wěn)定的反應(yīng)體系，從 而更好地利用纖維素進(jìn)行乙醇的生產(chǎn)。
[0024]更進(jìn)一步地，發(fā)酵期間補(bǔ)料3-4次，每次補(bǔ)料量需根據(jù)權(quán)利要求書(shū)中所述公式進(jìn)行 計(jì)算。補(bǔ)料的作用在于提高底物當(dāng)量，使發(fā)酵結(jié)束時(shí)獲得更大的乙醇產(chǎn)量。
[0025]作為優(yōu)選，所述釀酒酵母保藏于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中 心，保藏日期2008年5月6日，保藏編號(hào)為CGMCCNo.2660。該菌種具有更優(yōu)的發(fā)酵乙醇能力。 [0026]所述釀酒酵母的接種量為1~3 X108/mL，若接入菌群濃度較低則會(huì)影響乙醇產(chǎn) 率，若接入濃度較高則需大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用于菌群生長(zhǎng)，不適于維持穩(wěn)定的反應(yīng)體系。
[0027]進(jìn)一步地，所述厭氧消化的條件為30°C-35°C，pH6.8-7.4。在該條件下，能夠促進(jìn) 厭氧消化的進(jìn)行。
[0028]作為優(yōu)選，所述含產(chǎn)甲烷菌的厭氧污泥為pH6.5-7.0，可溶性⑶D值小于20000mg/L，丙酸含量低于1000mg/L，總固體TS含量為100-200g/Kg，總揮發(fā)性固體VS含量為100-200g/Kg，且VS/TS含量為80-85%的污泥。接種厭氧污泥量為每10mL發(fā)酵殘留物加150mL厭 氧污泥
[0029]進(jìn)一步地，所述能源草選自冰草、披堿草、芒草、針茅草、荻、柳枝稷、狼尾草、和鰻 草中的一種或多種。
[0030] 作為優(yōu)選，所述能源草為柳枝稷、冰草和針茅草中的一種或多種。
[0031] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0032]本發(fā)明提供了一種利用能源草聯(lián)產(chǎn)乙醇和甲烷的方法，最大化地由木質(zhì)纖維素 原料生產(chǎn)得到清潔能源。
[0033]本發(fā)明以蒸汽爆破后的能源草作為原料，經(jīng)纖維素酶及β-葡萄糖苷酶酶解后的產(chǎn) 物作為底物，進(jìn)行批式補(bǔ)料高底物濃度同步糖化發(fā)酵與乙醇發(fā)酵全殘留物的厭氧消化處理 相整合，進(jìn)行乙醇甲烷兩種清潔能源的聯(lián)合生產(chǎn)，主要目標(biāo)是在盡可能提高纖維素乙醇轉(zhuǎn) 化率的同時(shí)，通過(guò)厭氧消化技術(shù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化利用乙醇發(fā)酵殘留物中所有可被厭氧消化菌 群利用的成分，從而在提高能源草全纖維素轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源草全組分的多級(jí)利用， 針對(duì)現(xiàn)有木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)清潔能源的原料利用率瓶頸問(wèn)題提出了有效的解決方案。
[0034]此外，本發(fā)明應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)方面具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0035] 1、同一套生產(chǎn)線可以同時(shí)獲得乙醇甲烷兩種清潔能源，既有液體燃料也有氣體燃 料，可以滿足不同的能源需求。
[0036] 2、在生產(chǎn)清潔能源的過(guò)程中，通過(guò)聯(lián)產(chǎn)的方式可以提高能源草全纖維素利用率， 盡可能的將可利用的成分轉(zhuǎn)化為當(dāng)今世界急需的清潔能源。
[0037] 3、通過(guò)乙醇甲烷聯(lián)產(chǎn)的科研策略，可以實(shí)現(xiàn)能源草的全組分多級(jí)利用，為清潔能 源的工業(yè)化生產(chǎn)提供合理依據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1-4的高底物同步糖化發(fā)酵的纖維素轉(zhuǎn)化圖。
[0039]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1-4的甲烷潛力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0040]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1-4的乙醇、甲烷聯(lián)產(chǎn)質(zhì)量平衡分析結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要理解的是以下實(shí) 施例的給出僅是為了起到說(shuō)明的目的，并不是用于對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員在不背離本發(fā)明的宗旨和精神的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和替換。
[0042]下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。
[0043]下述實(shí)施例中所用的緩沖液的配制方法為：
[0044] 分別配置檸檬