一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法技術

本發明專利技術涉及一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，將粉碎的含有纖維素的生物質與離子液體混合，加入酸進行水解，過濾，在所得水解糖和離子液體的混合液體中加入鹽溶液，形成兩相，進行分相，得到上相液體和下相液體；上相液體為離子液體，處理后再次循環利用；在下相液體中加入酵母菌及營養鹽進行發酵，生產乙醇。本發明專利技術解決離子液體對含有纖維素的生物質的溶解能力低，處理量小，且水解糖與離子液分離困難，離子液體回收困難的問題，有利用于纖維素乙醇工業化，具有較好的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種生產乙醇的方法，具體的說是一種利用含有纖維素的生物質在離子液體中糖化生產乙醇的方法。
技術介紹
隨著化石能源的日漸枯竭，二氧化碳氣體的大量排放所造成溫室效應日益嚴重。開發生物可再生能源（如燃料乙醇），對社會和經濟發展意義重大。第一代燃料乙醇以主要以淀粉作物為原料，會出現“與人爭糧”的矛盾。纖維素是由許多D-葡萄糖基通過1,4-β-糖苷鍵連接而成的高分子化合物，是植物細胞壁的主要成分。以纖維素原料的第二代燃料乙醇是當前發展的重點。含有纖維素的生物質來源廣泛，如草木、農林廢棄物、城市固體廢棄物等，但含有纖維素的生物質組成復雜，除了纖維素外還包括半纖維素、木質素等組分，其具有高度的結晶結構，酶解效率低，酸解條件苛刻。綠色溶劑-離子液體具有溶解纖維素以及生物質的能力，經離子液體溶解再生的生物質酶解糖化效率明顯提高，為第二代燃料乙醇的生產提供新的思路。離子液體(IonicLiquids)一般指在室溫條件或者室溫附近溫度下由有機或無機的陰離子和有機的陽離子構成一種呈液態的鹽類化合物。離子液體享有“綠色溶劑”的美譽，是因為相較與傳統溶劑，離子液體具有以下幾種突出優點：(1)蒸汽壓極低，無色無味、不揮發、不易燃、不易氧化，呈現液態的溫度范圍很廣；(2)“可設計性”強，可調控離子液體酸堿性、親水憎水性以及極性；(3)對無機物、有機物和金屬有機化合物有較好的溶解性能；(4)離子導電性良好和電化學穩定性；(5)可分離、回收和循環反復使用。2002年，Swatloski等發現氯代1－丁基－3甲基咪唑（[BMIM]Cl）離子液體可以溶解纖維素，被溶解的纖維素很容易通過加水或乙醇沉淀再生，從而為離子液體分離木質纖維素原料提供了可能。其溶解機理普遍被認為是，離子液體的陰、陽離子與纖維素的羥基作用，破壞纖維素分子間、分子內的氫鍵而使其溶解。纖維素經離子液體溶解再生并未發生化學反應，再生纖維素聚合度、結晶度下降，酶解糖化速度提高。從而可設計生物質（如植物秸稈）經離子液體預處理生產乙醇的工藝路線，秸稈在離子液體中溶解，過濾不溶物后，獲得離子液體和纖維素的混合溶液；加入沉淀劑水，纖維素再生析出，離子液體可通過旋蒸除水回收；得到的纖維素可通過加酶（或酸）水解成葡萄糖，再加入酵母，厭氧發酵生產乙醇。該過程雖然水解和發酵效率相比未處理原料明顯提高。但還有亟待解決的難題:一是離子液體對原料的溶解能力低，處理量小（離子液體對微晶纖維素的溶解度小于25%，對于生物質小于5%）；二是離子液體會造成酶失活，酵母中毒，再生纖維素要充分洗滌，得到的離子液體水溶液，離子液體含量低，回收困難，成本高。
技術實現思路
本專利技術目的是為解決上述技術問題的不足，提供一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，解決離子液體對含有纖維素的生物質的溶解能力低，處理量小，且水解糖與離子液分離困難，離子液體處理量低，回收困難的問題。本專利技術為解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，將粉碎的原料與離子液體混合，加入酸進行水解，過濾，在所得水解糖（主要為葡萄糖）和離子液體的混合液體中加入鹽溶液，形成兩相，進行分相，得到上相液體和下相液體；上相液體為離子液體，處理后再次循環利用；在下相液體中加入酵母菌及營養鹽進行發酵，生產乙醇。所述利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，可以采用以下方法進行操作，該方法包括以下步驟：將纖維素粉碎至20-60目，加入其質量6-12倍的1-丁基-3-甲基咪唑氯化鹽離子液體、1-乙基-3-甲基咪唑氯化鹽離子液體或1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體中，然后再加入原料質量0.05-0.4倍的質量濃度為70%的硫酸或6mol/L的鹽酸，然后置于80-120℃下水解1-2h；水解結束后過濾除去殘渣，得到水解糖和離子液體的混合溶液；在所得水解糖和離子液體的混合溶液中，加入混合溶液1-4倍體積的質量濃度為40%-60%的K3PO4溶液或質量濃度為40%-60%的NaOH溶液，經過震蕩后靜置分相分離，所得上相為離子液體經過旋蒸循環使用，所得下相溶液中加入酵母菌，加入量為每1mL下相溶液中加入0.5-2mg；然后再加入營養鹽，混合均勻后調ph值為4-5，在30-37℃下厭氧發酵24-48h，即得到乙醇溶液。所述營養鹽的組成成分為酵母膏、蛋白胨、硫酸銨、硫酸鎂和氯化鈣，其中各成份在下相溶液添加量為，每毫升下相溶液中添加酵母膏0.3mg、蛋白胨0.5mg、硫酸銨2mg、硫酸鎂0.4mg、氯化鈣0.2mg。所述的酵母菌為釀酒酵母。所述的含有纖維素的生物質為含有纖維素的木質纖維素原料，特別是農業廢棄物秸稈，包括玉米秸稈、小麥秸稈等。所述水解的溫度優選為90-100℃。所述鹽溶液的加入量優選為所得水解糖和離子液體的混合溶液體積的2-3倍。有益效果是：1.本專利技術通過離子液體可打開含有纖維素的生物質分子內和分子間的氫鍵，生物質高聚、多晶結構部分伸展，容易被酸作用，酸解條件溫和，用酸量少。隨著溶解在離子液體的生物質被水解成單糖，溶解平衡被打破，新的生物質被溶解，離子液體對生物質的處理量增大。現有技術中，纖維素在離子液體的體系下，可溫和、高效的水解纖維素成水解糖，但水解糖如何與離子液體分離是個難題；本專利技術利用含纖維素的生物質在離子液體中糖化生產乙醇的方法，含纖維素的生物質加入離子液體中，并添加酸，進行水解。水解后，過濾殘渣，獲得水解糖和離子液體的混合液。加入鹽溶液形成雙水相，富含離子液體相可通過旋蒸回收離子液體，水解糖被萃取到另一水相，可加入酵母發酵生產乙醇；因此，水解糖和離子液體的混合液通過加入鹽溶液進行分相分離。富含離子液體相濃度高，回收容易能耗低；另外一相可用于乙醇發酵，工藝過程簡單。2、本專利技術原料來源廣泛，成本低廉；可將農業及其他行業的含纖維素的物質進行廢物利用；本專利技術將水解糖與離子液分離，并進行回收利用，解決了解決離子液體處理量低，回收困難的問題，有利于工業上利用纖維素原料生產乙醇，具有較好的應用前景。本專利技術采用綠色溶劑-離子液體對含有纖維素的生物質進行處理，其具有難揮發，無毒性且無污染等優勢，有效的降解了含有纖維素的生物質，減少了后期處理的費用，降低了對設備的要求，安全可靠。同時離子液體能通過雙水相重新反復利用，直接降低了處理成本，經濟可行性極高。附圖說明圖1是本專利技術利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法的技術路線圖；圖2是本專利技術實施例2中[Bmim]Cl離子液與50wt%氫氧化鈉形成的兩相圖。具體實施方式一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，將粉碎的原料與離子液體混合，加入酸進行水解，過濾，在所得水解糖（主要為葡萄糖）和離子液體的混合液體中加入鹽溶液，形成兩相，進行分相，得到上相液體和下相液體；上相液體為離子液體，處理后再次循環利用；在下相液體中加入酵母菌及營養鹽進行發酵，生產乙醇。所述利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，可以采用以下方法進行操作，該方法包括以下步驟：將含有纖維素的生物質粉碎至20-60目，加入其質量6-12本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，其特征在于：將粉碎的原料與離子液體混合，加入酸進行水解，過濾，在所得水解糖和離子液體的混合液體中加入鹽溶液，形成兩相，進行分相，得到上相液體和下相液體；上相液體為離子液體，處理后再次循環利用；在下相液體中加入酵母菌及營養鹽進行發酵，生產乙醇。

【技術特征摘要】
1.一種利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，其特征在于：將粉碎的原料與離子液體混合，加入酸進行水解，過濾，在所得水解糖和離子液體的混合液體中加入鹽溶液，形成兩相，進行分相，得到上相液體和下相液體；上相液體為離子液體，處理后再次循環利用；在下相液體中加入酵母菌及營養鹽進行發酵，生產乙醇。
2.如權利要求1所述的利用含有纖維素的生物質生產乙醇的方法，其特征在于：包括以下步驟：將含有纖維素的生物質粉碎至20-60目，加入到其質量6-12倍的1-丁基-3-甲基咪唑氯化鹽離子液體、1-乙基-3-甲基咪唑氯化鹽離子液體或1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽離子液體中，然后再加入含有纖維素的生物質質量0.05-0.4倍的質量濃度為70%的硫酸或6mol/L的鹽酸，然后置于80-120℃下水解1-2h；水解結束后過濾除去殘渣，得到水解糖和離子液體的混合溶液；在所得水解糖和離子液體的混合溶液中，加入混合溶液體積1-4倍的質量濃度為40-60%的K3PO4溶液或質量濃度為40%-60%的NaOH溶液，經過震蕩后靜置分相分離，所得上相為離子液體經過旋蒸循環使用；在所得下相溶液中加入酵母菌，酵母菌的加入量為每1mL下...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉振，劉程，孫海紅，
申請(專利權)人：河南科技大學，
類型：發明
國別省市：河南;41