一种利用玉米秸秆制备燃料乙醇的方法与流程

1.本发明涉及一种以玉米秸秆为原料制备燃料乙醇的方法。


背景技术：

2.能源和环境问题已经日益成为全球关注的焦点，随着化石能源的枯竭和温室气体排放的严重，开发清洁可再生能源已经成了迫在眉睫的课题。而生物质能源的利用已经引起了人们的关注。
3.生物质是自然界最丰富的可再生资源，地球上每年经光合作用固定在绿色植物中的碳的总量可达2
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吨，生物量为1.7
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吨。中国生物质资源丰富，其中农作物秸秆年总量为7
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108吨，林木废弃物约2
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108吨，外加数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣，每年可利用的纤维素生物质总量可达约2
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109吨以上。纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，将纤维素和半纤维素转化为糖类进行发酵生产乙醇，可用在燃料能源和工业原料等方面。
4.现有技术中，常采用酶解或水解等方式将纤维素中的多糖转化成单糖并发酵生成乙醇，但是存在多糖转化率低的问题，并且对在整个工艺流程中产生的废料没有一个有效解决的途径。
5.申请号为200710009497.3的中国专利公开了一种利用植物纤维制取燃料乙醇的方法，包括：选取富含纤维素、木聚糖和阿拉伯聚糖的植物为原料，并控制原料中的木聚糖、阿拉伯聚糖的含量之和与纤维素的含量的比值大于或等于0.5；将上述原料混合均匀，并蒸煮3-5小时，然后摊开冷却至50-60℃；向上述原料中加入每克原料4-8单位纤维素酶，搅拌1-2小时使其糖化，并冷却至28-32℃；加入酒母搅拌，密封发酵3-5天得到成熟的酒醪；将酒醪加热，对产生的乙醇水蒸汽混合气进行脱水处理，得到燃料乙醇。该申请虽然提供了利用植物纤维生产乙醇的方法，但是对于生产过程中的废料没有充分地利用。
6.申请号为200410096175.3的中国专利公开了一种由制浆黑液的酸析滤液制备乙醇的方法。该方法是将由制浆黑液得到的酸析滤液与麦糠按照重量比6-8:1混合均匀，然后在100-120℃下水解3-5小时，静置后分离上层清液和纤维残渣；调节上层清液的ph值为5-6，进入发酵罐，在搅拌下，接入发酵酶进行发酵，发酵温度为40-50℃，发酵时间为45-55小时，得到乙醇含量为6-8％的发酵液，发酵液经蒸馏，得到乙醇成品。该方法提供了利用造纸过程中的黑液和废渣麦糠生产乙醇的方法，但是采用酸水解方式进行处理多糖转化单糖的转化率不足以满足产业化生产的要求。
7.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种生产成本低、生产效率高、资源利用率高的利用玉米秸秆纤维素生产燃料乙醇的方法。
9.本发明提供了一种玉米秸秆生产燃料乙醇的方法，包括以下步骤：将蒸煮过的玉
米秸秆原料酶解，制成的酶解液加入安琪耐高温酵母进行低糖有氧发酵，当发酵液中的总糖浓度降至0.7-1.1％时添加秸秆酶解液，维持发酵液中的总糖浓度在2.2-3.2％。
10.本发明提供了一种玉米秸秆生产燃料乙醇的方法，包括以下步骤：
11.1)酶解：用康地恩ct-3酶对蒸煮后的玉米秸秆原料进行酶解，得到秸秆酶解糖液；
12.2)低糖有氧发酵：将制成的秸秆酶解液加入安琪耐高温酵母，进行低糖发酵，使其总糖浓度为2.2-3.2％；
13.3)当细胞浓度即光密度达到15-20时，进入第二阶段厌氧发酵；
14.4)当厌氧发酵液中的总糖浓度降至0.7-1.1％时，开始采用流加的方式添加秸秆酶解糖液，维持发酵液中的总糖尝试在2.2-3.2％。
15.本发明提供了一种玉米秸秆生产燃料乙醇的方法，进一步优化包括以下步骤：
16.1)酶解：将蒸煮后的玉米秸秆原料加入康地恩ct-3酶解，得到秸秆酶解液；
17.2)低糖有氧发酵：将制成的秸秆酶解液加入安琪耐高温酵母进行低糖发酵，使其总糖浓度为2.2-3.2％，无菌空气以通风比为1：0.4-0.8的通风速率流入发酵培养基中，搅拌转速为300-500rpm,维持溶氧浓度为60-80％，温度控制在30-32℃，好氧培养6-12小时；
18.3)当细胞浓度即光密度达到15-20时，进入第二阶段厌氧发酵，搅拌转速为100-300rpm，温度控制在31-33℃，厌氧发酵60-70小时；
19.4)当厌氧发酵液中的总糖浓度降至0.7-1.1％时，开始采用流加的方式添加秸秆酶解液，维持发酵液中的总糖浓度在2.2-3.2％，发酵55小时后停止流加，当残糖浓度降至0-0.2％时停止发酵。
20.所述步骤2)中的发酵培训基由以下质量百分比的成分组成，玉米秸秆酶解液22-32％，酵母0.1-0.3％，磷酸二氢钾0.04-0.06％，硫酸铵0.05-0.06％，磷酸氢二铵0.15-0.17％，其余为水，ph5.0-6.0。
21.所述步骤4)中添加的秸秆酶解液的总糖浓度在22-32％。
22.所述玉米秸秆酶解液由秸秆酶解后制得，含糖浓度以葡萄糖计为3-10％。
23.本发明所采用的秸秆酶解液的制备过程包括：
24.1)蒸煮：将玉米秸秆原料加入浓度为1.6-2.2％碱液，在90-110℃下蒸煮0.5-2小时；
25.2)固液分离，获得黑液和秸秆蒸煮液；
26.3)秸秆蒸煮液酶解：用康地恩ct-3酶对秸秆蒸煮液进行酶水解，得酶解液；酶用量为：每克酶解液2-100pfiu纤维素酶，酶解过程控制ph2.0-7.0,温度30-80℃，酶解时间10-240小时。
27.4)固液分离：酶解液固液分离得到富含葡萄糖和木糖的玉米秸秆酶解液和富含木质素的酶解液。
28.与常规发酵方法制备乙醇相比，本发明大大提高了糖醇转化率，使得用玉米秸秆原料制备乙醇的糖醇转化率由原来不到46％提高到现在的49％。
具体实施方式
29.实施例1：
30.一种玉米秸秆为原料生产粉料乙醇的方法，具体步骤包括：
31.1)平板培养
32.平板培养基的组成为秸秆酶解液(含葡萄糖3％)1l，占总重量的20％，安琪耐高温酵母0.3％；将安琪耐高温酵母接入到该培养基中，30℃培养25小时；
33.2)摇瓶种子培养
34.摇瓶种子培养的组成为葡萄糖3％，酵母0.2％，磷酸二氢钾0.05％，硫酸铵0.06％，ph5.6，自来水配制；
35.将平板培养的安琪耐高温酵母接种到摇瓶种子培养基中，500ml三角瓶装液量100ml,30℃培养32小时，摇床转速为200rpm；
36.3)种子罐种子培养
37.种子罐种子培养基的组成为秸秆酶解液22％(含葡萄糖5％)，酵母0.3％，磷酸二氢钾0.05％，ph5.5,自来水配制；
38.将摇瓶种子培养基的安琪耐高温酵母接种到上述种子罐种子培养基中，接种量为5-10％，33℃培养26小时，搅拌转速为200rpm,通风比为1：0.4；
39.4)发酵摇瓶培养
40.发酵摇瓶培养的组成为秸秆酶解液(含葡萄糖32％)32％，酵母0.2％，磷酸二氢钾0.05％，磷酸氢二铵0.15％，ph5.8,自来水配制；将摇瓶菌种接种到上述发酵摇瓶培养基中培养，接种量为10％，35℃培养72小时，摇床转速为200rpm。
41.5)发酵罐培养
42.发酵罐中发酵培养基的组成为秸秆酶解液30％，酵母0.2％，磷酸氢二钾0.05％，硫酸铵0.05％，磷酸氢二铵0.15％，ph5.8，自来水配制。将摇瓶种子培养或种子罐中种子培养的菌种接种到上述发酵罐培养基中培养，接种量为10％，31-35℃培养70小时，摇床转速为200rpm。根据秸秆酶解液的体积选择培养基，将培养的安琪耐高温酵母接种到含有秸秆酶解糖液的发酵罐中培养，进行有氧、厌氧两段组合发酵技术，在发酵罐培养的第一阶段为有氧发酵阶段，无菌空气以通风比为1：0.8的通风速率流入发酵罐的发酵培养基中，搅拌转速为300-500rpm，维持溶氧浓度为60％，温度控制在30℃，好氧培养8小时，当细胞浓度即光密度达到16时，进入第二阶段厌氧发酵，搅拌转速为200rpm，温度控制在33℃，当发酵液中的总糖浓度降至0.7％时，采用流加的方式添加秸秆酶解液，维持发酵液中的总糖浓度在2.2％左右，发酵55小时后停止流加，当残糖浓度降至0.2％时发酵结束，乙醇产率达到8.9％，糖醇转化率达到49.4％。