一種用蘆葦高效生產纖維素乙醇的方法技術

本發明專利技術公開了一種用蘆葦高效生產纖維素乙醇的方法，涉及一種生產纖維素乙醇的方法。本方法是：①將蘆葦切碎和加水調節；②水蒸汽爆破預處理；③收集汽爆后殘渣；④氧化鈣預處理；⑤pH值調節；⑥纖維素酶解；⑦發酵；⑧收集乙醇。與現有技術相比，本發明專利技術具將蒸汽爆破和氧化鈣兩種預處理技術組合使用，顯著提高了纖維素的降解效率；在纖維素酶解時加入表面活性劑吐溫?80，進一步提高了纖維素的降解效率；以蘆葦作為原材料，采用此項組合技術，可以將原料中98%的纖維素轉化成葡萄糖；此項組合技術用于纖維素乙醇的生產，每公斤蘆葦（干重）可生產乙醇190克，乙醇產率高達19%。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種生產纖維素乙醇的方法，尤其涉及一種用蘆葦高效生產纖維素乙醇的方法。
技術介紹
隨著化石能源的逐漸枯竭和環境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源已成為世界各國主要的能源發展戰略。生物能源是重要的可再生能源，由于其資源豐富，對環境污染較小，具有廣闊的市場前景。纖維素乙醇是指用農作物秸稈或植物莖稈細胞壁中的纖維素產生的乙醇，是具有重要發展前景的生物能源。植物細胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。細胞壁組成復雜，且結構致密，可以抵抗纖維素酶對纖維素的水解作用，使得纖維素水解產糖的效率低，發酵生產乙醇的成本高，限制了纖維素乙醇的大規模商業化生產。目前已有多種預處理方法用于去除或破壞植物細胞壁中的半纖維素和木質素，改變纖維素的表面結構，增加酶對纖維素的有效接觸，提高了纖維素的酶解效率。常用的預處理方法包括酸堿預處理、氧化鈣預處理、離子液預處理、蒸汽爆破預處理、液體熱水預處理、超聲波預處理和霉菌預處理等，這些方法都可以不同程度地提高纖維素的水解效率（Zhang et al.，2013；Vancov et al.，2012； Harun et al.；2011； Zhang et al.，2015）。蒸汽爆破是在高溫蒸汽下對生物質處理一段時間，然后突然減壓的預處理方法。此方法可以促進半纖維素的分解和溶解，使得木質素重新分配，并在一定程度上被去除，使得纖維素暴露出來，酶可以很容易接觸和水解，進而提高酶解效率。影響蒸汽爆破效果的因素有溫度、粒徑和停留時間（Sun et al.，2014；Zhu et al.，2015；Zoulikha et al.，2015；Cantarella et al.，2004；Rocha et al.，2012）。氧化鈣預處理用于去除木質素，降低木質素對纖維素酶的無效吸附，并進一步暴露細胞壁中的纖維素，增加酶對纖維素的有效接觸，提高酶解效率。（Kim et al.，2005；Sierra et al.，2009）。氧化鈣預處理的成本較低，較安全，同時只需要在水解產物中通入二氧化碳就能很容易對氧化鈣進行回收（Falls et al.，2011）。
技術實現思路
本專利技術的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種用蘆葦高效生產纖維素乙醇的方法。本專利技術的目的是這樣實現的：本專利技術是纖維素乙醇生產過程中的原料預處理方法和纖維素的水解方法。先用蒸汽爆破方法，后用氧化鈣方法，分別對原料進行兩步預處理，再用纖維素酶催化纖維素水解，并加入表面活性劑吐溫-80；上述方法的組合運用，顯著提高了原料中纖維素的水解效率。具體地說，本方法的材料是成熟的蘆葦，包括下列步驟：①將蘆葦切碎和加水調節將蘆葦切割成長度約10 cm的片段，加水調節使含水量達到50%；②水蒸汽爆破預處理蒸汽壓力為2.5 MPa，溫度225℃，持續時間3 分鐘；③收集汽爆后殘渣將殘渣在55℃干燥48小時，研磨成粉末；④氧化鈣預處理用5.0%（W/W）氧化鈣處理汽爆后的粉末，固液比1：20（W/W），溫度50℃，處理時間48小時；⑤pH值調節用濃鹽酸將溶液的pH值調節到7.0；⑥纖維素酶解加入纖維素酶，使得酶解液中纖維素酶的濃度達到2.0g/L，加入吐溫-80，使得酶解液中吐溫-80的濃度達到1.0%（V/V），固液比1：20，溫度50℃，水解時間48小時；⑦發酵將纖維素水解后的糖液用于發酵，每升糖液加入2.0g釀酒酵母（細胞干重），發酵溫度37°C，時間48小時；⑧收集乙醇用蒸溜法收集發酵液中的乙醇。工作機理：將蘆葦先用蒸汽爆破的方法去除植物細胞壁中的大部分半纖維素，再用氧化鈣法去除或破壞細胞壁中的大部分木質素，這兩步處理使得原料中的纖維素充分暴露出來，增加酶的可及性，可提高纖維素的酶解效率；在纖維素酶催化纖維素水解時加入表面活性劑吐溫-80，可以通過競爭性結合木質素，降低木質素對纖維素酶的吸附作用，從而進一步提高纖維素酶對纖維素的水解效率。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點和積極效果：①將蒸汽爆破和氧化鈣兩種預處理技術組合使用，顯著提高了纖維素的降解效率；②在纖維素酶解時加入表面活性劑吐溫-80，進一步提高了纖維素的降解效率；③以蘆葦作為原材料，采用此項組合技術，可以將原料中98%的纖維素轉化成葡萄糖；④此項組合技術用于纖維素乙醇的生產，每公斤蘆葦（干重）可生產乙醇190克，乙醇產率高達19%。附圖說明圖1是本方法的步驟圖；圖2是采用本方法生產纖維素乙醇的效率坐標圖；橫坐標：吐溫-80的濃度；縱坐標：纖維素的糖化效率。圖3是水蒸氣爆破后的蘆葦材料在不加吐溫-80和加吐溫-80后的生產纖維素乙醇的效率坐標圖；橫坐標：吐溫-80的濃度；縱坐標：纖維素的糖化效率。圖4是水蒸氣爆破后的蘆葦材料在不加吐溫-80和加吐溫-80后的生產纖維素乙醇的效率坐標圖；橫坐標：吐溫-80的濃度；縱坐標：糖醇轉化率率。縮略語CaO：氧化鈣H2SO4：硫酸十六烷基三甲基溴化銨；LHW：液體熱水；NaOH：氫氧化鈉。具體實施方式下面結合附圖和實施例詳細說明：一、實驗結果比較表由此看出：采用本方法，并以蘆葦為原料，可以高效生產纖維素乙醇。二、實施例一）溶液配制1、樣品保存液（CTAB溶液）（步驟②中）1）CTAB，按質量/體積比： 3%，即3g/100 mL；2）Tris-HCl，pH=8.0： 100mM；3）EDTA，pH=8.0： 20 mM；4）NaCl： 1.4M；5）PVP-30，按質量/體積比： 1%，即1g/100 mL，滅菌后加入；6）β-Mercaptoethanol，按體積/體積比： 0.2-0.6%，臨用前加入。配制方法：A、將前4種組分用超純水溶解和混合后，將pH調至8.0（1M的NaOH和1M的HCl調節pH），定容，然后置于滅菌瓶中在121℃、0.1Mpa、滅菌20分鐘；B、滅菌后加入1%的PVP-30；C、使用前加入0.2-0.6% 的β-巰基乙醇。2、TE緩沖液（步驟⑦中）1）Tris-HCl，pH=8.0： 10mM；2）EDTA, NaOH調pH=8.0： 1mM；滅菌后使用。3、75%乙醇（步驟⑤中）75%為乙醇在溶液中所占的體積比，具體配制方法為75毫升無水乙醇加超純水至總體積100毫升。二）實驗結果蘆葦原料經過水蒸氣爆破和氧化鈣處理，再用纖維素酶加吐溫-80酶解，最佳的吐溫濃度是1%。結果見說明書附圖2。由圖2可知，在加入1%的吐溫-80進行纖維素酶解時，纖維素的糖化效率可以達到98%，蘆葦原料中幾乎全部的纖維素都轉化成了可以發酵的葡萄糖。用不同的方法處理水蒸氣爆破后的蘆葦材料，然后用纖維素酶加吐溫-80酶解，都可以獲得極高的纖維素糖化效率。結果見說明書附圖3。由圖3可知，分別用0.5% H2SO4、4% NaOH、5% CaO和液體熱水等4種方法處理水蒸氣爆破以后的蘆葦材料，再用纖維素酶加吐溫-80酶解，蘆葦材料中纖維素的糖化效率都超過95%。采用蒸汽爆破處理蘆葦原料，將汽本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用蘆葦高效生產纖維素乙醇的方法，其特征在于包括下列步驟：①將蘆葦切碎和加水調節將蘆葦切割成長度約10?cm的片段，加水調節使含水量達到50%；②水蒸汽爆破預處理蒸汽壓力為2.5?MPa，溫度225℃，持續時間3?分鐘；③收集汽爆后殘渣將殘渣在55℃干燥48小時，研磨成粉末；④氧化鈣預處理用5.0%（W/W）氧化鈣處理汽爆后的粉末，固液比1：20（W/W），溫度50℃，處理時間48小時；⑤pH值調節用濃鹽酸將溶液的pH值調節到7.0；⑥纖維素酶解加入纖維素酶，使得酶解液中纖維素酶的濃度達到2.0g/L，加入吐溫?80，使得酶解液中吐溫?80的濃度達到1.0%（V/V），固液比1：20，溫度50℃，水解時間48小時；⑦發酵將纖維素水解后的糖液用于乙醇發酵，每升糖液加入2.0g釀酒酵母（細胞干重），發酵溫度37°C，時間48小時；⑧收集乙醇用蒸溜法收集發酵液中的乙醇。

【技術特征摘要】
1.一種用蘆葦高效生產纖維素乙醇的方法，其特征在于包括下列步驟：①將蘆葦切碎和加水調節將蘆葦切割成長度約10 cm的片段，加水調節使含水量達到50%；②水蒸汽爆破預處理蒸汽壓力為2.5 MPa，溫度225℃，持續時間3 分鐘；③收集汽爆后殘渣將殘渣在55℃干燥48小時，研磨成粉末；④氧化鈣預處理用5.0%（W/W）氧化鈣處理汽爆后的粉末，固液比1：20（W/W），溫度50℃，處理時間48...

【專利技術屬性】
技術研發人員：彭良才，夏濤，涂媛苑，金文祥，陳靈，
申請(專利權)人：華中農業大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42