專利名稱：木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法
技術領域：
本發明涉及一種生產乙醇的方法，尤其涉及一種木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法。
背景技術：
纖維素乙醇作為一種綠色可再生資源，可替代不可再生的石油資源，應用領域非常廣泛，在世界石油資源短缺、原油價格不斷攀升、環境壓力日益嚴重的條件下，擁有廣闊的市場前景和社會效益。但是，由于纖維素乙醇生產成本較高，乙醇產率較低，而且生產技術仍然不夠成熟，所以為了提高乙醇產率，降低成本，研究高效的纖維素乙醇生產技術具有十分重要的意義。
目前，纖維素乙醇的發酵方式主要有兩種，一種是液態發酵，液態發酵是指基質呈液態進行發酵，這種發酵技術具有發酵均勻，技術成熟等優點被廣泛應用于工業生產，但是液態發酵需要大量的水，接種比小于10%，產生大量的有機廢水，操作空間也相應的增加，耗能量也很大。另外一種是固態發酵，固態發酵是指沒有或者自由水很少的發酵方式，微生物需要從周圍的濕基質中獲得所需要的水分，該發酵方式具有發酵底物濃度和產物得率高，操作和提取工藝簡單可控，投資和運行成本低，無大量有機廢水產生，動力消耗少，節約能源等優點，但是在發酵過程中產生的代謝熱，很難帶出。纖維素乙醇的生產過程主要包括四個方面，第一材料的預處理，第二糖化，將多糖轉化為單糖的過程，第三發酵，將產生的單糖厭氧發酵為乙醇，第四乙醇的抽提。目前，第二步和第三步分別在不同的反應器中進行，即先進行糖化過程，將產生的單糖分離出來再進行發酵，即成為先糖化后發酵的方式，但是會存在很強的產物抑制作用，使得乙醇產量不聞。
發明內容
針對現有技術中的不足之處，本發明的目的在于提供了一種能夠更大的提高乙醇產量的木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法。為了解決上述技術問題，本發明采用了如下技術方案
木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法，該方法包括如下步驟
A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯12 24h ;然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣溶液；保存備用；
B、填充床反應器的系統安裝及包埋顆粒的填充將制好的包埋顆粒放入反應器中堆積成填充床反應器，在反應器內的頂部、且位于包埋顆粒的上方設置液體分布器，在反應器內的底部、且位于包埋顆粒的下方設置氣體分布器；使用反應器前進行反應器檢漏；
C、將pH值為4.5 4. 8的酵母菌液通過反應器內的液體分布器后均勻滴到包埋顆粒表面直到生物膜形成，包埋顆粒內酶解生成的葡萄糖被顆粒表面酵母菌生物膜在厭氧條件下發酵生成乙醇和二氧化碳；酵母菌液從反應器的底部流出，通過泵再抽入反應器的液體分布器內使酵母菌液循環使用；
D、在反應器的底部通入載氣，載氣通過氣體分布器后均勻的向上通過包埋顆粒，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應器，進入到集氣瓶中，同時也帶走了反應產生的代謝熱，維持反應器內恒定的發酵溫度。本發明方法的具體反應原理是包埋顆粒內部纖維素和纖維素酶，纖維二糖酶以及木糖酶反應生成還原糖(主要為葡萄糖、木糖等等)，生成的葡萄糖通過擴散傳出包埋顆粒表面，被包埋顆粒表面的酵母菌生物膜在厭氧條件下轉化生成乙醇，由于乙醇具有強揮發性，因此被反應器下部通入的不含氧氣的載氣及時帶出反應器，并進入乙醇收集瓶(罐)通過水等溶質溶解氣相中被載出的乙醇，排出的載氣可被回收再利用。 與現有技術相比，本發明的木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法具有如下優點
I、本發明采用的是固態發酵，發酵底物濃度和產物得率高，操作和提取工藝簡單可控，投資和運行成本低，無大量有機廢水產生，動力消耗少，節約能源等。2、本發明采用氣載乙醇同步糖化發酵方式，即糖化過程和發酵過程在同一個反應器中進行，這樣糖化過程產生的葡萄糖及時被酵母菌在厭氧條件下轉化為乙醇，為了進一步解決產物抑制，在發酵過程中向反應器內通入載氣，帶走乙醇的同時帶走部分代謝熱。本發明即消除還原糖糖化過程的抑制作用，也消除了乙醇對發酵過程的抑制作用，提高了乙醇的產量；同時載氣帶走乙醇的同時也帶走所釋放的代謝熱使得反應器內部能夠維持在一個恒定的溫度。3、本發明采用了固定化顆粒填充床，包埋顆粒堆積在填充床內，增大了孔隙率，便于流體流動，使得產生的乙醇更容易被帶走，產生的代謝熱更容易被帶走，也使酵母菌更容易在包埋顆粒表面成膜，接觸面積更大。隨著發酵進行，非包埋顆粒填充床中的基質容易坍塌，因此填充床的孔隙率將減小，不利于氣體流動和傳質過程，而包埋法制成的包埋顆粒具有一定的機械強度，反應20天后填充床仍具有較高的孔隙率；
4、另外顆粒填充床操作方便，只需將纖維素基質與纖維素酶、纖維二糖酶等其他酶混合均勻包埋起來，然后放入反應器即可，反應過程中無需攪拌，使酵母菌更易于吸附于包埋顆粒表面形成生物膜，提高產量，而基質填充床在反應過程中會產生很多水分在填充床下面沉積，使得具有一定目數的基質就會結團，反應變緩慢。
圖I為填充床的結構示意圖。附圖中I一包埋顆粒；2—反應器；3—液體分布器；4一氣體分布器；5—集氣瓶；6—氣體流量計；7—加濕器；8—酵母菌液儲存瓶；9一泵。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。實施例一木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法，該方法包括如下步驟
A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒的制作方法為稱取一定量的海藻酸鈉和聚乙烯醇放入加入適量水的燒杯中加熱溶解，然后將其冷卻到室溫，加入纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶混合均勻，然后用模具將其制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再將包埋顆粒放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯12 24h ；然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣(CaCl2)溶液，作為備用。B、填充床反應器的系統安裝(如圖I所示)及包埋顆粒的填充將制好的包埋顆粒I放入反應器2中堆積成填充床反應器，在反應器2內的頂部、且位于包埋顆粒I的上方設置液體分布器3，在反應器2內的底部、且位于包埋顆粒I的下方設置氣體分布器4。反應器2的頂部設有出氣口和進液口，出氣口連接集氣瓶5，進液口與泵9 (本實施例中，泵采用蠕動泵)連接，在反應器2的底部設有進氣口和出液口，進氣口通過氣管依次與氣體流量計 6和加濕器7連接，出液口連接酵母菌液儲存瓶8，酵母菌液儲存瓶8內的酵母菌液通過蠕動泵抽入液體分布器3內，系統安裝好后，檢漏。C、將pH值為4. 5 4. 8的酵母菌液通過反應器內的液體分布器后均勻噴淋到包埋顆粒表面，包埋顆粒內部反應生成的葡萄糖被酵母菌生物膜在厭氧條件下反應生成乙醇和二氧化碳，流過包埋顆粒填充床后的酵母菌液然后從反應器的底部流出，通過泵再抽入到反應器內的液體分布器內使酵母菌液循環使用。D、等顆粒表面掛膜完成以后，在反應器的底部通入載氣(載氣通過加濕器和氣體流量計后通入反應器)，載氣通過氣體分布器后均勻地向上通過包埋顆粒填充床層，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應器，進入到乙醇收集瓶(罐)中，同時也帶走了反應產生的代謝熱。整個反應器處于恒定溫度，使糖化和發酵都處于較好的溫度控制范圍，同時需要定時地向反應器內補充水分。
實施例二
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地描述。木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法，該方法包括如下步驟
A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚
乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒的制作方法為稱取一定量的海藻酸鈉和聚乙烯醇放入加入適量水的燒杯中加熱溶解，然后將其冷卻到室溫，加入纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶混合均勻，然后用模具將其制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再將包埋顆粒放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯12 24h ；然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣(CaCl2)溶液，作為備用。B、填充床反應器的系統安裝(如圖I所示)及顆粒的填充將制好的包埋顆粒I放入反應器2中堆積成填充床反應器，在反應器2內的頂部、且位于包埋顆粒I的上方設置液體分布器3，在反應器2內的底部、且位于包埋顆粒I的下方設置氣體分布器4。反應器2的頂部設有出氣口和進液口，出氣口連接集氣瓶5，進液口與泵9 (本實施例中，泵采用蠕動泵)連接，在反應器2的底部設有進氣口和出液口，進氣口通過氣管依次與氣體流量計6和加濕器7連接，出液口連接酵母菌液儲存瓶8，酵母菌液儲存瓶8內的酵母菌液通過蠕動泵抽入液體分布器3內，系統安裝好后，檢漏。C、將pH值為4. 5 4. 8的酵母菌液通過反應器內的液體分布器后均勻噴淋到包埋顆粒表面，包埋顆粒內部反應生成的葡萄糖被酵母菌生物膜在厭氧條件下反應生成乙醇和二氧化碳，流過包埋顆粒填充床后的酵母菌液然后從反應器的底部流出，通過泵再抽回到反應器內的液體分布器內使酵母菌液循環使用。D、通入酵母菌液的同時，在反應器的底部通入載氣(載氣通過加濕器和氣體流量計后通入反應器)，載氣通過氣體分布器后均勻地向上通過包埋顆粒填充床層，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應器，進入到乙醇收集瓶(罐)中，同時也帶走了反應產生的代謝熱。整個反應器處于恒定溫度，使糖化和發酵都處于較好的溫度控制范圍。本發明將纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒內部進行糖化過程，即纖維素酶、纖維二糖酶以及木糖酶與秸桿反應生成還原糖(主要是葡萄糖、木糖)，通過擴散的方式傳至包埋顆粒表面，從反應器頂部噴淋進入的酵母菌在基質顆粒表面形成生物膜，生物膜在厭氧的條件下 將擴散至表面的葡萄糖轉化成乙醇，生產的乙醇通過擴散、對流的方式被反應器底部通入的載氣及時帶出反應器，并進入乙醇收集瓶(罐)通過水等溶質溶解氣相中被載出的乙醇，排出的載氣可被回收再利用。本發明即具有固態發酵的優勢，又利用同步酶解發酵消除產物的抑制；還利用顆粒填充床的形式，增大了反應器的孔隙率，有利于酵母菌在顆粒表面成膜，也有利于載氣及時將乙醇以及代謝熱帶走，同時操作簡單。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
1.木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 A、制作包埋顆粒將纖維素酶、纖維二糖酶和粒徑為40 80目的秸桿由聚乙烯醇和海藻酸鈉制作成為包埋顆粒，包埋顆粒粒徑為2 6_ ;再放入含有1% 5%CaCl2的飽和硼酸溶液中在4 5°C冰箱中交聯12 24h ;然后清洗掉包埋顆粒表面的硼酸和氯化鈣溶液，保存備用； B、填充床反應器的系統安裝及包埋顆粒的填充將制好的包埋顆粒放入反應器中堆積成填充床反應器，在反應器內的頂部、且位于包埋顆粒的上方設置液體分布器，在反應器內的底部、且位于包埋顆粒的下方設置氣體分布器，使用反應器前進行反應器檢漏； C、將pH值為4.5 4. 8的酵母菌液通過反應器內的液體分布器后均勻滴到包埋顆粒表面直到生物膜形成，包埋顆粒內酶解生成的葡萄糖被顆粒表面的酵母菌生物膜在厭氧條件下發酵生成乙醇和二氧化碳；酵母菌液從反應器的底部流出，通過泵再抽入反應器的液體分布器內使酵母菌液循環使用； D、在反應器的底部通入不含氧氣的載氣，載氣通過氣體分布器后均勻的向上通過包埋顆粒，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應器，進入到集氣瓶中，同時也帶走了反應產生的代謝熱。
2.根據權利要求I所述的木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法，其特征在于通過氣相色譜儀測量集氣瓶中的乙醇含量，直到乙醇不再生成時，停止反應。
全文摘要
本發明公開了一種木質纖維素氣載乙醇顆粒填充床固態同步酶解發酵方法，包括如下步驟A、制作包埋顆粒；B、填充床反應器的系統安裝及包埋顆粒的填充；C、將酵母菌液均勻滴到包埋顆粒表面形成生物膜，包埋顆粒內部反應生成的葡萄糖在厭氧條件下被酵母菌生物膜利用生成乙醇和二氧化碳；D、在反應器的底部通入載氣，載氣均勻向上流過包埋顆粒填充床，將生成的乙醇和二氧化碳及時帶出反應器，進入到集氣瓶中，也帶走了反應產生的代謝熱。本發明采用固態同步糖化發酵方式，使糖化過程產生的葡萄糖很快被酵母菌在厭氧條件下轉化為乙醇，在發酵過程中向反應器內通入載氣，消除了產物抑制，帶走乙醇的同時帶走部分代謝熱，增加了乙醇的產量。
文檔編號C12P7/10GK102703522SQ20121020740
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者葉丁丁, 周勁, 廖強, 朱恂, 李俊, 王永忠, 王艷梅, 陳蓉 申請人:重慶大學