[发明专利]一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种生产乙醇的方法，尤其涉及一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法。

背景技术

能源是一个国家经济、科技和国防的支柱产业。然而，石油、煤炭和天然气等化石能源在地球上的储量是有限的，且在使用过程中排放出大量的二氧化碳和二氧化硫等气体而对环境造成危害。因此，开发绿色环保的和可再生的新能源已经迫在眉睫。以秸秆等非粮木质纤维素原料生产燃料乙醇，不仅符合我国“不与粮争地”、“不与人争粮”的燃料乙醇发展原则，也可以保障我国的粮食安全和能源安全，改善大气环境和提高农民收入，因此，以秸秆为原料生产燃料乙醇已成为当今新能源领域研究和开发的重点之一。

天然木质纤维素原料结构中存在许多物理和化学屏障，因此需进行预处理，预处理方法包括机械粉碎、蒸汽爆破、酸法处理、碱法处理、氨处理或螺杆造压瞬间膨化等，其目的是降低木质纤维素中的纤维素、半纤维素和木质素这三种物质的聚合度，使得后续步骤能更有效地将纤维素和半纤维素降解为己糖和戊糖。

文献(袁丽婷，玉米秸秆发酵生产乙醇的工艺研究，安徽农业科学，2009，37(3)：922-925)中报道了以玉米秸秆(纤维素含量37.3％，半纤维素含量20.6％)为原料，首先进行稀硫酸预处理，然后进行酶解，再采用己糖发酵菌和戊糖发酵菌的混合菌进行发酵，最终制得的乙醇的产率为0.15g/g(乙醇/玉米秸秆)。由此可见，现有常用的木质纤维素制取乙醇的方法主要包括以下步骤：首先采用酶将纤维素和半纤维素降解为己糖和戊糖，然后再通过发酵菌将戊糖己糖转化为乙醇，这种酶解和发酵分步进行的制备方法可用于生产，并且通常包括酶解、降温、发酵三个必要过程，但存在以下问题：

1)操作过程较多，设备利用率低，生产效率低；

2)在酶解过程中，随着纤维素和半纤维素不断被酶水解，己糖和戊糖的浓度不断升高，而己糖、戊糖对酶活性的反馈抑制作用也不断增强；在发酵过程中，发酵初始时高浓度的己糖和戊糖对微生物的发酵也存在一定抑制作用，从而造成乙醇产量和产率的降低。

现有技术中，存在一系列通过木质纤维素制备乙醇的工艺，例如中国专利申请CN104611381A，CN105624208A，CN103492580A等，但是，它们所提供的技术方案仍旧采用了酶解和发酵分步进行的方式，因而不可避免地仍然保留了上述技术缺陷。

针对此，中国专利申请CN102703522A公开了一种木质纤维素气载乙醇颗粒填充床固态同步酶解发酵的方法，实现了酶解和发酵同时进行；该方法包括如下步骤：A、制作包埋颗粒；B、填充床反应器的系统安装及包埋颗粒的填充；C、将酵母菌液均匀滴到包埋颗粒表面形成生物膜，包埋颗粒内部反应生成的葡萄糖在厌氧条件下被酵母菌生物膜利用生成乙醇和二氧化碳；D、在反应器的底部通入载气，载气均匀向上流过包埋颗粒填充床，将生成的乙醇和二氧化碳及时带出反应器，进入到集气瓶中，也带走了反应产生的代谢热；该方法采用固态同步糖化发酵方式，使糖化过程产生的葡萄糖很快被酵母菌在厌氧条件下转化为乙醇，在发酵过程中向反应器内通入载气，消除了产物抑制，带走乙醇的同时带走部分代谢热，增加了乙醇的产量。然而，很显然，该方法存在设备装置复杂，操作步骤繁琐，工作效率不够高的技术问题。

又如，中国专利CN101899478A公开了一种秸秆类木质纤维素高效糖化半酶解同步发酵产乙醇的方法，采用先将预处理后的秸秆类木质纤维素原料进行前酶解，然后再加入酿酒酵母进行酶解同步发酵的工艺；然而，该方法包括先行前酶解的操作，待原料中的大部分纤维素转化为小分子的糖之后，再加入一定量的酵母，此时才让酶解和发酵同时进行；可见，本质上，该方法仍旧采用了分步酶解发酵的工艺，即第一步酶解过程是单独实施的，因此，所需要的容器设备的数量与必要的操作步骤并没有因后一步同步酶解发酵而减少。

由此可见，目前亟需提供一种全新的利用木质纤维素生产乙醇的方法，能够在同一容器中且在同一温度下实现同步酶解发酵过程，显著提高乙醇的产率和产量。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷与不足，发明人旨在提供一种能够有效同步酶解发酵过程的乙醇生产工艺。

因此，本发明提供了一种以木质纤维素为原料同步酶解发酵制备乙醇的方法，包括以下步骤：

(1)预处理木质纤维素原料；