一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法技术

本发明专利技术提供了一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法。该高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法为将初始固体负荷浓度为16～32％的AlCl

【技术实现步骤摘要】
一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法
本专利技术属于生物质预处理
，更具体地，涉及一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法。
技术介绍
随着能源的短缺和环境等问题的不断突出，生物质作为可以转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。在地球上丰富的生物质资源中，以木质纤维类生物质制备液体燃料最受人们关注。木质纤维类生物质制备液体燃料的方法是把该原料中的半纤维素、纤维素水解成木糖、葡萄糖等单糖，通过发酵生产乙醇。早期在发酵生产乙醇的工艺中水解与发酵过程是分开的，但是在酶解过程中产生的还原糖容易对纤维素酶产生抑制，进而导致酶解效率下降。为了减少产物抑制作用，进而研发了同步糖化发酵，即把酶解反应和发酵反应放在同一容器中进行。相较于分步糖化发酵工艺，同步糖化发酵过程不仅可以通过微生物消耗体系中产生的还原糖来降低最终产物抑制，还可以减少生产设备成本。通常，只有当蒸馏操作过程中乙醇浓度高于4％，蒸馏才具有实际经济意义，提高发酵液中的乙醇浓度可以降低后续分离过程的能耗，发酵液中乙醇浓度过低会导致整个生产过程失去工业化应用价值。因此，为了实现纤维素乙醇的商业化生产，除了提高酶解效率，还需提高发酵液中的乙醇浓度。为了提高发酵结束时发酵液中的乙醇浓度，必须提高体系中可用于转化的还原糖浓度，相应的则需要提高反应体系的底物浓度。但是，当底物浓度过高时，反应过程中产生的葡萄糖会抑制纤维二糖酶的活性，进而导致酶解效率降低，其主要原因如下：高底物浓度会导致反应体系中自由水的含量降低、体系内部的传质和传热速率下降；纤维素酶的催化作用需要在有水的环境下进行，当反应体系中含水量降低时会导致纤维素酶的催化能力降低；体系中木质素的含量会随着底物浓度提高而升高，会导致纤维素酶在木质素上的无效吸附，体系中的酵母有效活力降低。此外，底物浓度的增加会导致发酵抑制物浓度的增加，会对酵母的生长产生抑制作用。杨木生长速度快，生长周期短，环境适应性强，种植面积十分广泛，资源丰富，是生产生物能源和生物质化学品的重要原料，生物转化杨木制备生物能源与化学品具有较大潜力。专利CN111534556A提供了一种利用杨木制备高浓度单糖溶液的方法，采用乙酸-双氧水和氢氧化钠先后处理杨木可有效提高杨木酶解得率和酶解液中的单糖浓度。但该方法中纤维素酶用量大，成本高，因此，亟需开发一种能降低经济成本、提高乙醇产量的适于高浓度杨木原料同步糖化发酵的方法。
技术实现思路
本专利技术针对目前高浓度杨木同步糖化发酵存在的不足，旨在提供一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法，本专利技术通过合理的预处理结合分批补料同步糖化发酵，有效提升了高浓度杨木产乙醇的效率。本专利技术的首要目的是提供一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法，包括如下步骤：S1.将AlCl3耦合乙醇预处理杨木与水混合，使得AlCl3耦合乙醇预处理杨木的绝干质量与水的质量比为16～32：100，得到预处理杨木-水混合料；S2.向步骤S1得到的预处理杨木-水混合料中添加营养盐、调节pH、灭菌，得到灭菌杨木混合料；S3.向灭菌杨木混合料中加入纤维素酶、酵母，进行同步糖化发酵；S4.步骤S3发酵开始后，每隔12～24h补充按照步骤S1～S2方法制备的灭菌杨木混合料，再加入纤维素酶、酵母，进行同步糖化发酵。本专利技术上述方法中，通过采用特定的AlCl3耦合有机溶剂预处理杨木，以及结合分批补料、补酵母、补酶的方法，有效地提升高浓度杨木同步糖化发酵产乙醇的浓度。在众多预处理过程中，有机溶剂预处理因其可循环利用、低毒性和可产生易于酶解的预处理残渣等优点而受到人们青睐。通常，基于乙醇的有机溶剂预处理在通过自催化(半纤维素中乙酰基降解为乙酸)或通过添加酸催化剂提供的酸性条件下进行。然而，在自催化所产生的弱酸性条件下木质素和半纤维素难以被降解，还需要提高预处理温度以获得高效的糖化发酵的底物。添加酸催化剂所产生的强酸性条件可脱除大部分半纤维素和木质素，但剧烈的预处理条件也会导致纤维素降解或生成的木糖降解为糠醛。为了克服这些问题，研究人员提出使用路易斯酸强化的有机溶剂预处理，以降解半纤维素和木质素，尽可能多的保留纤维素，并提高预处理底物的糖化发酵效率。在这些路易斯酸中，AlCl3因其低成本、毒性小、酸性强等独特的性质可有效催化有机溶剂预处理过程，因此本申请中选取AlCl3耦合有机溶剂预处理杨木作为发酵产乙醇的底物。然而在发酵生产乙醇的过程中，只有当乙醇浓度高于4％时才能有效降低分离过程的能耗，蒸馏才具有实际经济意义，才能实现乙醇的工业化生产。因此人们会通过增加发酵过程中的底物浓度来进一步提升乙醇浓度，但是高浓发酵会降低底物的流动性，降低酶对纤维素的可及性，此外高浓会产生底物浓度的增加会导致发酵抑制物浓度的增加，会对酵母的生长产生抑制作用，为缓解这种现象，本申请将采用分批补料、补酶、补酵母的方式来提升乙醇生产的经济性。在分批补料过程中，当前一段加入的物料水解后流动性良好的时候继续加入下一段物料，同时补充新鲜的纤维素酶和酵母，以提升同步糖化发酵的效率。在其中一些优选实施例中，步骤S1所述AlCl3耦合乙醇预处理杨木的方法为：向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：8～15mL加入50～70％(v/v)的乙醇水溶液，再加入0.01～0.03mol/L乙醇水溶液的AlCl3，在180～200℃下反应5～20min，分离得到预处理杨木，见实施例1～4。最优选地，步骤S1所述AlCl3耦合乙醇预处理杨木的方法为：向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：10mL加入60％(v/v)的乙醇水溶液，再加入0.025mol/L乙醇水溶液的AlCl3，在200℃下反应10min，分离得到预处理杨木，见实施例1。其中，AlCl3耦合乙醇预处理杨木的方法中，所述的杨木原料为经风干、搓丝、粉碎得到的杨木；所述分离为采用真空抽滤或离心分离；所述反应为在密闭反应器中反应，如反应釜。在其中一些优选实施例中，步骤S2所述营养盐包括质量比为1～3：0.5～1.5：0.5～1.5：0.1～0.5的酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O，见实施例1～4。在其中一些优选实施例中，步骤S2所述营养盐的添加量为2.1～6.5g/L水，见实施例1～4。在其中一些优选实施例中，步骤S2所述调节pH为调节至4.5～6.0，见实施例1～4。在其中一些优选实施例中，步骤S2所述灭菌为放入高压灭菌锅中121℃灭菌20～30min，见实施例1～4。在其中一些优选实施例中，步骤S3或S4所述酵母为酵母活化液，所述酵母活化液的制备方法为：称取2g葡萄糖溶于100mL去离子水中，接入6.6g酿酒酵母，2g蛋白胨，1g酵母提取物，先在160rpm摇床上36℃活化10min，然后在160rpm摇床上34℃活化60min，见实施例1～4。在其中一些优选实施例中，步骤S3或S4所述纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.将AlCl

【技术特征摘要】
1.一种高浓度杨木同步糖化发酵制备乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将AlCl3耦合乙醇预处理杨木与水混合，使得AlCl3耦合乙醇预处理杨木的绝干质量与水的质量比为16～32：100，得到预处理杨木-水混合料；
S2.向步骤S1得到的预处理杨木-水混合料中添加营养盐、调节pH、灭菌，得到灭菌杨木混合料；
S3.向灭菌杨木混合料中加入纤维素酶、酵母，进行同步糖化发酵；
S4.步骤S3发酵开始后，每隔12～24h补充按照步骤S1～S2方法制备的灭菌杨木混合料，再加入纤维素酶、酵母，进行同步糖化发酵。


2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1所述AlCl3耦合乙醇预处理杨木的制备方法为：向杨木原料中按绝干质量体积比为1g：8～15mL加入50～70％(v/v)的乙醇水溶液，再加入0.01～0.03mol/L乙醇水溶液的AlCl3，在180～200℃下反应5～20min，分离得到AlCl3耦合乙醇预处理杨木。


3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S2所述营养盐包括质量比依次为1～3：0.5～1.5：0.5～1.5：0.1～0.5的酵母提取物、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4·7H2O。

【专利技术属性】
技术研发人员：张红丹，黄心宇，谢君，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44