本發(fā)明是一種以稀硝酸預(yù)處理麥殼類物質(zhì)制備乙醇的方法，具體涉及以稀硝酸浸泡作為預(yù)處理的方式，發(fā)酵制備乙醇。

背景技術(shù)：

隨著全球社會和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的消耗日益增加，co2的排放量也隨之快速增加。因此，環(huán)境和資源的壓力使人類將目光轉(zhuǎn)向可再生能源，而在眾多可再生能源中，生物質(zhì)能因其資源巨大、使用獨(dú)特等優(yōu)勢成為發(fā)展的熱點。當(dāng)前生物質(zhì)能源的主要形式有燃料乙醇、生物柴油、沼氣以及生物制氫等，其中燃料乙醇是當(dāng)今用于生產(chǎn)和使用最為廣泛的生物質(zhì)能源。

乙醇的生產(chǎn)原料主要有含糖作物、淀粉質(zhì)作物、纖維素原料三類，前兩類原料受到耕地和成本的限制，使得生產(chǎn)乙醇的利潤已大大低于先前預(yù)期。秉承“不與民爭糧，不與糧爭地”的基本原則，結(jié)合我國是農(nóng)業(yè)大國亦是林業(yè)大國的資源優(yōu)勢，開發(fā)利用以燕麥殼、小麥麩、農(nóng)作物秸稈等纖維素原料制備液體乙醇燃料，對于緩解國家能源緊張具有重要的現(xiàn)實意義。以燕麥殼為例，它是一種獨(dú)特的可再生原料，具有諸多優(yōu)點。第一，燕麥殼占顆?？傊亓康?8％，在谷物加工場以工業(yè)規(guī)模形式生產(chǎn)積累。第二，天然燕麥殼的尺寸和厚度較為均勻，是一種均質(zhì)材料，加工時無需另外研磨。第三，燕麥殼化學(xué)組成穩(wěn)定，保證了其在加工過程中的可操控性，具體表現(xiàn)為含纖維素35-45％，半纖維素32-35％，酸不溶性木質(zhì)素17-20％。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種聚合物的相互作用形成了堅韌的抗物理化學(xué)作用的物質(zhì)，故天然纖維素的酶水解過程較為困難。

為了使酶能夠高效的切割各個組分并分解復(fù)合物，天然的纖維素原料必須經(jīng)過物理或者化學(xué)方法的預(yù)處理。常見的物理法包括機(jī)械破碎法、微波法和高溫?zé)崴ǖ?，物理法一般對環(huán)境的污染較小，且過程較為簡單，但物理法處理需要較高的能量和動力，因此會增加生產(chǎn)成本?；瘜W(xué)處理中的堿處理，例如氫氧化鈉預(yù)處理方法，雖有較強(qiáng)的脫木質(zhì)素和降低結(jié)晶度的能力，但在脫木質(zhì)素的同時，半纖維素也被分解，致使損失太多，同時還存在試劑的回收、中和、洗滌等問題。而酸處理使半纖維素水解的同時，其產(chǎn)出的單糖保持了可發(fā)酵的還原糖狀態(tài)，利用半纖維素生產(chǎn)酒精提高了酒精的產(chǎn)率。而硝酸預(yù)處理在概念上不同于其它酸預(yù)處理，除了破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵，使半纖維素被水解以形成可溶性木糖及其可溶性前體外，隨著木質(zhì)素的氧化硝化，纖維素可被部分水解，將糖類被轉(zhuǎn)化成簡單的有機(jī)酸和二氧化碳。

公開號為cn101343647a的中國專利提供了一種用甜高粱秸稈制備乙醇的方法，其所述的液體燃料是使用甜高粱秸稈的穗和根，洗凈去除雜質(zhì)后送入打漿機(jī)進(jìn)行打漿，后得到制備乙醇的原漿。該工藝前處理過程復(fù)雜，耗時耗力耗電，且設(shè)計較為繁瑣，生產(chǎn)效率不高。公開號為cn102660589a的中國專利提供了一種生物乙醇制備方法，其所述的方法中，需將植物纖維與纖維素酶產(chǎn)生的菌種子液于發(fā)酵培養(yǎng)基中恒溫震蕩培養(yǎng)，0-5天后接入乙醇生產(chǎn)菌種子液，繼續(xù)恒溫震蕩培養(yǎng)3-7天。該生產(chǎn)過程培養(yǎng)條件較為嚴(yán)苛，耗時較長，且外界條件一旦發(fā)生突變，其乙醇的產(chǎn)率以及純度均可能受到影響，不能保證最終的乙醇產(chǎn)量。申請?zhí)枮?00510076833.7的中國專利公開了一種甜高粱秸稈汁液生產(chǎn)乙醇的方法，該方法并沒有充分利用甜高粱秸稈原漿中的纖維素和淀粉，降低了單位重量的甜高粱秸稈生產(chǎn)出的乙醇量。

綜合考慮以上幾點，尋找一種更簡單、成本更低的制備乙醇的方法具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，而提供一種以稀硝酸預(yù)處理麥殼類物質(zhì)制備乙醇的方法，提高天然原材料的利用率和纖維素制備乙醇的生產(chǎn)效率，從而推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)品向工業(yè)品轉(zhuǎn)化，提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)利益。

本發(fā)明以稀硝酸預(yù)處理麥殼類物質(zhì)為原料制備乙醇，將麥殼類物質(zhì)用稀硝酸浸泡預(yù)處理，經(jīng)真空過濾器擠壓，用水不斷沖洗至洗滌水無色且呈中性ph，輔以添加一定量的纖維素酶和糖化酶制成漿料，利用漿料糖化、發(fā)酵制備乙醇，包括如下步驟：

(1)制備接種物：將滅菌后的麥殼類提取物作為接種媒介進(jìn)行微生物的細(xì)胞接種；

(2)預(yù)處理原材料：將麥殼類物質(zhì)在大氣壓下用稀硝酸浸泡進(jìn)行前期預(yù)處理操作；

(3)制備漿料：真空過濾器擠壓預(yù)處理后的麥殼類物質(zhì)，并用水不斷沖洗至洗滌水無色且呈中性ph，輔以添加纖維素酶和糖化酶；

(4)糖化發(fā)酵：利用分離水解發(fā)酵法(shf)或者同步糖化共發(fā)酵法(dssf)制備乙醇。

優(yōu)選地，步驟(1)中，接種的麥殼類提取物的溫度控制在25-30℃，連續(xù)培養(yǎng)45-50小時。

步驟(2)中，麥殼類物質(zhì)是以4％-8％的稀硝酸及1∶20-1∶25的固液比浸泡處理，控制在一個大氣壓下，溫度為90-100℃，預(yù)處理3-4小時。

步驟(3)中，纖維素酶和糖化酶的投加總量是按照10-15單位/克麥殼類物質(zhì)的比例添加，且二者的投加比例控制在1∶1-1∶1.5。

具體地，步驟(4)中，分離水解發(fā)酵法制備乙醇的操作條件是：以提取500ml反應(yīng)物為例，控制其酸度為4.5-5，并調(diào)節(jié)漿料濃度至90g/l-100g/l，在酶水解過程中，控制溫度為40-50℃，以150rpm-200rpm的轉(zhuǎn)速在培養(yǎng)箱中連續(xù)晃動72-75小時，得到的酶水解產(chǎn)物在溫度100-110℃，氣壓0.5atm下滅菌30-40min，冷卻至25-30℃，最后轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐發(fā)酵，發(fā)酵環(huán)境厭氧，控制溫度為25-30℃，ph為4.2-4.8，連續(xù)發(fā)酵72-75小時。

步驟(4)中，同步糖化共發(fā)酵法制備乙醇的操作條件是：以提取500ml反應(yīng)物為例，控制其酸度為4.5-5，并調(diào)節(jié)漿料濃度至90g/l-100g/l，在酶水解過程中，控制溫度40-50℃，以150rpm-200rpm的轉(zhuǎn)速在培養(yǎng)箱中連續(xù)晃動24-25小時；得到的酶水解產(chǎn)物冷卻至25-30℃，引入接種物，最后轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐發(fā)酵，發(fā)酵環(huán)境厭氧，連續(xù)發(fā)酵72-75小時。

本發(fā)明利用稀硝酸浸泡預(yù)處理麥殼類物質(zhì)制漿，一方面硝酸可以破壞纖維素、半纖維素、木質(zhì)素之間的化學(xué)鍵，另一方面，稀硝酸在高溫下可以引起半纖維素水解從而形成可溶性木糖以及可溶性前體，致使纖維素部分水解，糖轉(zhuǎn)化成簡單的有機(jī)酸(甲酸，乙酸等)和二氧化碳。作為本發(fā)明的改進(jìn)，通過向洗滌后的原漿中加入纖維素酶和糖化酶進(jìn)行糖化處理，使殼類物質(zhì)中的纖維素和淀粉轉(zhuǎn)化為可被酒精酵母分解的糖，從而充分利用麥殼類物質(zhì)中可以制備乙醇的各種有用成分，提高了原料的利用率。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明提供的生物乙醇制備方法綠色環(huán)保。一方面，石化工業(yè)生產(chǎn)乙醇需要強(qiáng)烈的高溫高壓，而微生物轉(zhuǎn)化只需在水相、室溫和中性ph的環(huán)境下進(jìn)行，無需極端條件，節(jié)省能源，減少污染，另一方面，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)五次重復(fù)使用廢液酸不會損害漿料的特性，乙醇的產(chǎn)率不會有很大影響，因此提高了硝酸的利用率。而對于廢液的處理，則可通過與堿中和的方法，制造復(fù)雜的含氮木質(zhì)素-腐殖肥料；

(2)本發(fā)明提供的預(yù)處理方法高效節(jié)能。在大氣壓下以稀硝酸預(yù)處理原料可獲得促進(jìn)酶水解的優(yōu)質(zhì)預(yù)備漿粕，與未經(jīng)處理麥殼類物質(zhì)相比，漿料的反應(yīng)特性增加了5.9倍。

(3)本發(fā)明提供的生物乙醇制備方法產(chǎn)率高，通過向洗滌后的原漿中加入纖維素酶和糖化酶進(jìn)行糖化處理，使殼類物質(zhì)中的纖維素和淀粉轉(zhuǎn)化為可被酒精酵母分解的糖，從而充分利用殼類物質(zhì)中可以制備乙醇的各種有用成分，提高了原料的利用率。

具體實施方式

實施例1

以稀硝酸預(yù)處理燕麥殼制備乙醇的方法，包括步驟：

步驟1，預(yù)處理原材料：將燕麥殼在大氣壓下，用5％的稀硝酸以1∶20的固液比浸泡，調(diào)節(jié)溫度至92℃，預(yù)處理3.6小時，獲得水解含量為79.9％的優(yōu)質(zhì)預(yù)備漿粕，且該漿粕中還原糖的濃度為27.5g/l，相當(dāng)于其質(zhì)量的74.3％以及總體可水解產(chǎn)量的93％。

步驟2，制備漿料：真空過濾器擠壓預(yù)處理后的燕麥殼，并用水不斷沖洗至洗滌水無色且呈中性ph，輔以添加1∶1總量為12單位/克的纖維素酶和糖化酶。

步驟4，糖化發(fā)酵：利用分離水解發(fā)酵法(shf)制備乙醇。提取500ml反應(yīng)物，控制其酸度為4.5，并調(diào)節(jié)漿料濃度至90g/l。在酶水解過程中，控制溫度45℃，以160rpm的轉(zhuǎn)速在培養(yǎng)箱中連續(xù)晃動74小時。得到的酶水解產(chǎn)物在溫度106℃，氣壓0.5atm下滅菌35min，冷卻至27℃，最后轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐發(fā)酵。發(fā)酵環(huán)境厭氧，控制溫度為25℃，ph為4.3，連續(xù)發(fā)酵72小時。

發(fā)酵結(jié)束后，乙醇濃度為22.1g/l，乙醇產(chǎn)量為0.128g/燕麥殼g。

按照本實施例的步驟，重復(fù)使用廢液酸五次后乙醇的產(chǎn)量分別為：0.128g/燕麥殼g、0.128g/燕麥殼g、0.128g/燕麥殼g、0.127g/燕麥殼g、0.127g/燕麥殼g，由此可見發(fā)現(xiàn)五次重復(fù)使用廢液酸不會損害漿料的特性，乙醇的產(chǎn)率不會有很大影響，提高了硝酸的利用率。

實施例2

以稀硝酸預(yù)處理燕麥殼制備乙醇的方法，包括步驟：

步驟1，制備接種物：將100ml滅菌的燕麥殼提取物作為接種媒介在反應(yīng)器中進(jìn)行微生物的細(xì)胞接種，控制溫度為28℃，連續(xù)培養(yǎng)46小時，獲得水解含量為80％的優(yōu)質(zhì)預(yù)備漿粕，且該漿粕中還原糖的濃度為27.7g/l，相當(dāng)于其質(zhì)量的74.6％以及總體可水解產(chǎn)量的93.3％。

步驟2，預(yù)處理原材料：將燕麥殼在大氣壓下，用4％的稀硝酸以1∶25的固液比浸泡，調(diào)節(jié)溫度至95℃，預(yù)處理3.7小時。

步驟3，制備漿料：用真空過濾器擠壓預(yù)處理后的燕麥殼，并用水不斷沖洗至洗滌水無色且呈中性ph，輔以添加1∶1.3總量為12單位/克的纖維素酶和糖化酶。

步驟4，糖化發(fā)酵：利用同步糖化共發(fā)酵法(dssf)制備乙醇。提取500ml反應(yīng)物，控制其酸度為4.6，并調(diào)節(jié)漿料濃度至95g/l。在酶水解過程中，控制溫度47℃，以150rpm的轉(zhuǎn)速在培養(yǎng)箱中連續(xù)晃動24小時。得到的酶水解產(chǎn)物冷卻至26℃，引入接種物，最后轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐發(fā)酵。發(fā)酵環(huán)境厭氧，連續(xù)發(fā)酵75小時。

發(fā)酵結(jié)束后，乙醇濃度為27g/l，乙醇產(chǎn)量為0.159g/燕麥殼g。

實施例3

以稀硝酸預(yù)處理小麥麩制備乙醇的方法，包括步驟：

步驟1，預(yù)處理原材料：將小麥麩在大氣壓下，用7％的稀硝酸以1∶23的固液比浸泡，調(diào)節(jié)溫度至93℃，預(yù)處理4小時，獲得水解含量為79.1％的優(yōu)質(zhì)預(yù)備漿粕，且該漿粕中還原糖的濃度為27.3g/l，相當(dāng)于其質(zhì)量的74％以及總體可水解產(chǎn)量的92.7％。

步驟2，制備漿料：用真空過濾器擠壓預(yù)處理后的小麥麩，并用水不斷沖洗至洗滌水無色且呈中性ph，輔以添加1∶1.5總量為13單位/克的纖維素酶和糖化酶。

步驟3，糖化發(fā)酵：利用分離水解發(fā)酵法(shf)制備乙醇。提取500ml反應(yīng)物，控制其酸度為4.9，并調(diào)節(jié)漿料濃度至100g/l。在酶水解過程中，控制溫度47℃，以180rpm的轉(zhuǎn)速在培養(yǎng)箱中連續(xù)晃動74小時。得到的酶水解產(chǎn)物在溫度108℃，氣壓0.5atm下滅菌40min，冷卻至26℃，最后轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐發(fā)酵。發(fā)酵環(huán)境厭氧，控制溫度為28℃，ph為4.5，連續(xù)發(fā)酵73小時。

發(fā)酵結(jié)束后，乙醇濃度為17.6g/l，乙醇產(chǎn)量為0.102g/小麥麩g

實施例4

以稀硝酸預(yù)處理小麥麩制備乙醇的方法，包括步驟：

步驟1，制備接種物：將100ml滅菌的小麥麩提取物作為接種媒介在反應(yīng)器中進(jìn)行微生物的細(xì)胞接種，控制溫度為30℃，連續(xù)培養(yǎng)50小時，獲得水解含量為79.5％的優(yōu)質(zhì)預(yù)備漿粕，且該漿粕中還原糖的濃度為27.6g/l，相當(dāng)于其質(zhì)量的74.5％以及總體可水解產(chǎn)量的93.2％。

步驟2，預(yù)處理原材料：將小麥麩在大氣壓下，用5％的稀硝酸以1∶24的固液比浸泡，調(diào)節(jié)溫度至100℃，預(yù)處理3.2小時。

步驟3，制備漿料：用真空過濾器擠壓預(yù)處理后的小麥麩，并用水不斷沖洗至洗滌水無色且呈中性ph，輔以添加1∶1.2總量為12單位/克的纖維素酶和糖化酶。

步驟4，糖化發(fā)酵：利用同步糖化共發(fā)酵法(dssf)制備乙醇。提取500ml反應(yīng)物，制其酸度為4.9，并調(diào)節(jié)漿料濃度至98g/l。在酶水解過程中，控制溫度43℃，以150rpm的轉(zhuǎn)速在培養(yǎng)箱中連續(xù)晃動25小時。得到的酶水解產(chǎn)物冷卻至28℃，引入接種物，最后轉(zhuǎn)入發(fā)酵罐發(fā)酵。發(fā)酵環(huán)境厭氧，連續(xù)發(fā)酵72小時。

發(fā)酵結(jié)束后，乙醇濃度為21.1g/l，乙醇產(chǎn)量為0.12g/小麥麩g。