專利名稱：利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法
技術領域：
本發明屬于秸稈等木質纖維素高附加值利用領域，特別是涉及到充分利用木質纖維素成份進行燃料和化工產品合成。
背景技術：
我國有大量的可再生秸稈資源，每年的產量可達可6億噸以上。目前隨著我國農業的發展和農民生活水平的提高，秸稈在農村的使用也越來越少，絕大部分還是采用焚燒還田的方式進行處理，每年收割季節后，大量焚燒造成很大的環境污染，也給部分公路和飛行交通帶來了不良影響。高效利用秸稈等纖維素質廢棄物，變廢為寶也成為一項利國利民的好事。當前秸稈等農林廢棄木質纖維素利用的途徑主要有如下幾種1、將木質纖維素粉碎后直接還田，但由于秸稈等木質纖維素本身難以降解和過程中給農民帶來一些額外成本等因素也導致這樣措施推廣阻力較大，實際應用面積小；2、將秸稈壓制成固體顆粒，作為高效清潔的固體燃料，已經有很多應用，但還是有應用場所有限、使用面不廣等問題；3、成立生物質發電廠，將廢棄木質纖維素集中燃燒發電，目前在全國很多省市有一些生物質電廠， 很多運行得不錯，但仍然存在著發電虧本，靠國家補貼等問題；4、建立沼氣池，將秸稈發酵成沼氣，供給農民燃燒和照明等，目前有些地方普及，但仍然存在著干秸稈不容易被利用， 轉化效率不高等弊端；5、車用燃料乙醇的生產，這是對木質纖維素意義最大的利用，規模化生產和推廣后，可以緩解我國對石油化石能源的依賴，對國家能源、糧食安全等穩定起到積極的作用，但是由于成本偏高等原因導致當前產業化進展仍然比較緩慢。當前纖維素乙醇產業化進程緩慢最根本的問題就是成本問題，歸根到底是一些關鍵技術方面的有效性和成本；①預處理技術方面效果不理想，難以有效的、不產生任何抑制劑地除去所有的半纖維素，要么過“生”(20%難水解的半纖維素沒有溶解掉)，要么過“熟” (產生大量的抑制劑-糠醛)，這些都會增加后續酶使用成本或者降低纖維素轉化率等；②纖維素酶的制備和使用成本太高，比如丹麥的諾維信公司在國際上處于前列，也存在著與中國中糧等公司合作進行纖維素乙醇的生產，但丹麥方出于技術保護的考慮，其合作模式依然是對我國公司進行纖維素酶的直接銷售，從中賺取利潤，沒有在工廠現場進行的纖維素酶的低成本生產模式，這樣極大的增加了纖維素酶的應用成本，對中國的纖維素能源和化工產業起不到任何帶動作用；③秸稈乙醇生產本身存在的步驟較多，在規模不大和乙醇本身的銷售價格偏低的情況下(7000元/噸左右)難以盈利或者利潤微薄，因此除了一些關鍵技術的突破外，高附加值附屬產品的聯產才能有效推動秸稈乙醇產業化進程。乳酸是大宗的化工產品，是功能性高分子材料聚乳酸的前體，聚乳酸是一種真正的生物塑料，其無毒、無刺激性，具有良好的生物相容性，可生物分解吸收，強度高，不污染環境，可塑性好，易于加工成型；由于聚乳酸優良的生物相容性，其降解產物能參與人體代謝，已被美國食品醫藥局批準，可用作醫用手術縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等；同時聚乳酸制品廢棄后在土壤或水中30天內會在微生物、水、酸和堿的作用下徹底分解成二氧化碳和水，隨后在太陽光合作用下又成為淀粉的起始原料，不會對環境產生污染，因而是一種完全自然循環型的可生物降解材料，在食品行業的包裝、農用薄膜等領域都有廣泛的應用前景。目前乳酸的制備主要是用淀粉作物如玉米作為起始原料制備，因此仍然存在著與人爭糧、成本價格高等弊端，因此利用“非糧”，特別是廢棄木質纖維素質原料低成本生產乳酸也是迫切的需求，但是單純的利用秸稈生產乳酸，仍然存在著與纖維素乙醇共同的復雜步驟、成本難以下降等問題。

發明內容
本發明的目的是針對現有秸稈等木質纖維素利用附加值低，特別是針對當前木質纖維素單產乙醇成本偏高等問題，提供一種利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，該聯產方法利用木質纖維素中不同成分生產燃料乙醇和乳酸，生產工藝簡單，附加值高。本發明的技術解決方案是該聯產方法包括如下幾個步驟
(A)對木質纖維素進行預處理，將木質纖維素中的半纖維素轉變為可溶性木糖，得木糖液和固體；
(B)將步驟A的木糖液濃縮，再采用能利用木糖作為碳源產乳酸的微生物對其進行發酵獲得含有乳酸的發酵液，對發酵液提純獲得高純度乳酸；
(C)將步驟A的以纖維素和木質素為主的固體用纖維素酶水解成葡萄糖，再利用葡萄糖產乙醇的微生物發酵生成含乙醇的發酵液，對含乙醇的發酵液蒸餾脫水獲得高濃度乙其中，所述的木質纖維素為農作物秸稈、草類、林木生物質中的一項或幾項的組合；所述的農作物秸稈為稻草、麥草、棉花稈、油菜稈、玉米稈、玉米芯、大豆稈莖、花生稈莖、 葵花稈、甘蔗渣中的一種或幾種的組合；所述的草類為芒草、柳枝稷、蘆葦中的一種或幾種的組合；所述的林木生物質為軟木、硬木、鋸木屑中的一種或幾種的組合。其中，步驟A所述的預處理是如下一種或者幾種方法的組合一使用使用 120-210攝氏度蒸汽或者超臨界過熱水將木質纖維素(木質纖維素的在水中的質量百分比在1%-100%)在0- (相對于木質纖維素的質量百分比)的稀酸環境下進行蒸煮1-300分鐘；二相對于木質纖維素(木質纖維素的在水中的質量百分比在100%-1%)的質量百分比為0. 2-20%的堿液在溫度60-160°C蒸煮1-600分鐘；三對木質纖維素采取上述一或者二方法后獲得的液體部分再采用半纖維素酶在30-80°C進行水解0. 1-12小時。其中，酸是指鹽酸、硫酸、亞硫酸、硝酸、磷酸、碳酸中的一種或其組合；堿是指氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、氨水、氫氧化鈣等。其中，預處理的時間是由酸或者堿液的濃度以及反應的時間綜合因素決定的，酸或者堿的濃度越高、反應溫度越高所需要的反應時間可短些；反應最佳時間可以通過具體的反應條件以最大的木糖得率為標準的優化獲得，上述所指的反應時間一般足夠滿足預處理的較好的效果。其中，半纖維素酶是含有內切木聚糖酶、外切酶等木聚糖酶的混合物，可以從商業化購買到或者使用半纖維素酶的微生物(一般有黑曲霉、海棗曲霉、木霉、青霉、毛殼霉等真菌和短小芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌等細菌及鏈霉菌)等發酵獲得，半纖維素酶的使用量在每克半纖維素加入10-2000個活性單位，一般情況下加入酶濃度越高，反應時間越短；反應最佳時間和酶的用量可以通過具體的反應條件以單位酶用量的最大的木糖得率為標準的優化獲得，上述所指的反應時間和酶用量足夠實現較好的預處理效果。其中，步驟B所指的能利用木糖作為碳源產乳酸的微生物為干酪乳桿菌 (Lactobacillus Casei rhamnosus)、 疑結芽胞桿菌(Bacillus Coagulans)、戊糖乳桿菌 (Lactobacillus Pentosus ) ^7^: " (Rhi ζ opus Oryzae)。其中，上述的微生物的培養除了使用木糖作為碳源外，其培養基的組成也與一般的微生物生長培養條件相同，含有一定濃度的氮源、磷、硫、微量金屬元素，培養的PH、溫度和需氧程度根據菌種不同有些差異，培養基的成分一般只要滿足菌種營養在碳、氮、磷、硫、 金屬離子需要就可以，不必一定局限在具體的營養成分；為了方便操作，下面列舉這些菌種的常用的培養基和培養條件作為參考
干酪乳桿菌(Lactobacillus Casei rhamnosus)酵母浸膏1-10克/升，磷酸二氫鉀 0. 1-10克/升，硫酸鎂0.01-1克/升，硫酸錳0.001-0. 5克/升，硫酸亞鐵0.001-0. 5克 /升，琥珀酸0. 5-5克/升，厭氧，30-50攝氏度，PH 4. 0-6. 5 ；
米根霉菌株ahizopus Oryzae)，硫酸銨1. 0-5. 0克/升，磷酸二氫鉀0. 1-0. 5克/ 升，硫酸鎂0. 01-0. 5克/升，硫酸鋅0. 001-0. 2克/升，發酵溫度為觀-32攝氏度，pH為 4. 5-6. 5，過程中攪拌，攪拌速度在50-200rmp，培養過程中通過遞加碳酸鈣維持pH，通無菌空氣保持DO在20%以上；
凝結芽胞桿菌(Bacillus Coagulans)酵母浸膏5_30克/升，磷酸氫銨1_10克/升， 氯化鎂0. 001-0. 1克/升，氯化鈣0.001-1克/升，厭氧，30-60攝氏度，pH4. 5-7. 0，攪拌速度在50-200rmp，培養過程中通過遞加碳酸鈣維持pH ；
戊糖乳桿菌(LactcAacillus Pentosus)，酵母浸膏1-10克/升，磷酸二氫鉀0.1-10 克/升，硫酸鎂0.01-5克/升，硫酸錳0.001-0. 5克/升，硫酸亞鐵0.001-0. 5克/升，反應溫度在25-35攝氏度，pH4. 5-6. 5，150 rmp,厭氧，攪拌速度在50_200rmp，培養過程中通過遞加碳酸鈣維持PH。其中，乳酸發酵液的提純采用常規的沉淀法將含有乳酸鈣發酵液在100°C濃縮至乳酸鈣質量濃度15%，再逐漸緩慢降溫至10°C并維持5小時，通過板框過濾收集結晶出來的乳酸鈣；在90°C將乳酸鈣溶解在純凈水中，乳酸鈣質量濃度控制在20%，降溫至60°C，加入濃硫酸在攪拌中使其產生沉淀，硫酸加入量最終保證溶液PH在2-3 ；過濾掉沉淀，剩余的乳酸溶液通過減壓濃縮到乳酸質量濃度99% ；或采用弱堿性陰離子樹脂配合強酸性陽離子交換樹脂對發酵液進行提純。其中，步驟C中的利用葡萄糖產乙醇的微生物為釀酒酵母(Saccaromyces cerevisiae)、畢赤酵母(Pichia pastoris)或運動發酵單孢菌(Zymomonas mobilis)。其中，培養基的成分一般只要滿足菌種營養在碳、氮、磷、硫、金屬離子需要就可以，不必一定局限在具體的營養成分；為了方便操作，列出這些乙醇發酵常用的培養基硫酸銨1-15克/升，磷酸二氫鉀1-10克/升，硫酸鎂0. 1-5克/升，發酵溫度為30-42°C， 培養過程中PH3. 0-6. 0，不通空氣。其中，步驟C中脫水一般是采用分子篩或者其他的石灰類似的吸濕劑的脫水達到，大工業生產中分子篩應用得更廣泛。
本發明根據木質纖維素中各組分的特點，將難以高效利用的半纖維素最終轉化成附加值高、社會意義大的乳酸，將預處理后的纖維素轉變為乙醇，實現了木質纖維素中有用成分高效和高值利用，避免了單產乙醇成本高難以盈利化生產等弊端，乳酸作為大宗化工產品能形成與能源產品-燃料乙醇相匹配的市場容量，無論從經濟價值和市場規模上，兩者在大規模情況下的聯產對國家能源和化工產品的供給以及對企業的經濟效益都會起到積極作用，將會有力的推動纖維素乙醇的產業化。


圖1為本發明生產工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面通過具體的實施例進一步描述本發明的技術解決方案，需注意的是這些實施例僅用于說明本發明，不應以任何方式局限本發明的保護范圍。實施例中對預處理的木質纖維素水解效果的檢測所使用的纖維素酶是從李氏木霉(Trichoderma reesei)中得到的纖維素酶和從黑曲霉(Aspergillus niger)得到的β 糖苷酶(纖維素二糖酶)，使用的量是按預處理前木質纖維素里含的纖維素中每克纖維素加入15個國際濾紙單位(IFPU)的纖維素酶和20個國際單位的β糖苷酶，酶水解的溫度為 50°C，ρΗ值為5. 0，所使用的木質纖維素為農作物稻草，濕度為5% 10%。實施例中利用木糖產乳酸的菌種是米根霉，其培養基成分為硫酸銨3. 0克/升， 磷酸二氫鉀0.3克/升，硫酸鎂0.3克/升，硫酸鋅0.05克/升，發酵溫度為30攝氏度， PH為6. 0，培養過程中通過遞加碳酸鈣維持ρΗ，通無菌空氣保持DO在20%以上，最終乳酸基本以乳酸鈣形式存在。實施例中乳酸的提純方法是采用上述的沉淀法。實施例中所用的產乙醇的微生物為釀酒酵母，其培養基成分為硫酸銨7. 5克/ 升，磷酸二氫鉀3. 5克/升，硫酸鎂0.75克/升，發酵溫度為30°C，培養過程中ΡΗ3.0-6.0， 不通空氣。實施例中的木質纖維素為農作物稻草，濕度5-10%，采用蒸汽預處理粉碎后尺寸在 3厘米以內，采用堿性物質預處理的尺寸小于200目。實施例1 將3公斤秸稈置于50升的預處理反應釜中，加入3公斤水，通入 1. 6Mpa飽和水蒸汽10分鐘，將秸稈壓榨后獲得的預處理液體6. 5升，在該液體中加入13毫升98%的濃硫酸，將液體轉入另外一反應釜中用蒸汽加熱至160攝氏度，保持30分鐘；使用石灰中和至PH5. 0，靜置3小時，采用離心過濾掉結晶的硫酸鈣；預處理獲得的已經被中和的含木糖的液體在80攝氏度減壓濃縮10倍；此時木糖的濃度在約450g/l，預處理后的秸稈經壓榨后的質量為5. 5公斤，含水量占60% (質量百分比)；將5. 5公斤預處理后的秸稈加入20升的發酵罐中加入培養基消毒后，加入酶后調節PH在5左右，在50攝氏度水解 4小時后，降溫至30攝氏度并加入1. 5升的釀酒酵母種子液，體積在16升，起始10小時攪拌速度在500r/min，后來的轉速在300r/min，發酵70小時后得到含有乙醇濃度為3.洲(質量比)的發酵液，蒸餾和用生石灰脫水后獲得純度為99. 7%的乙醇505毫升；高濃度的木糖溶液加入到5升的發酵罐中，最終木糖的濃度在120g/l，加入IOOml的米根霉種子液，攪拌速度600r/min，發酵72小時，最終乳酸的濃度為75g/l，乳酸液經過分離提純制得99%的乳
酸溶液。實施例2 將3公斤秸稈置于50升的預處理反應釜中，加入20公斤水和300克的氫氧化鈣，直接通入200攝氏度飽和蒸汽使得反應溫度達到150攝氏度，保持1個小時； 通過板框壓濾后，液體部分加入硫酸中和至PH 6，靜置3小時，采用離心過濾掉結晶的硫酸鈣，預處理獲得的液體減壓濃縮50倍，在50攝氏度，加入1萬活性單位的木聚糖酶反應2 小時，最終獲得的木糖濃度在85g/l，通過如實施例1的米根霉發酵后，最終乳酸的濃度在 50. 5 g/Ι，乳酸液經過分離提純制得99%的乳酸溶液；固體部分加入20升的發酵罐中加入培養基消毒后，體積在15升，如同實施例1 一樣進行水解和發酵，發酵70小時后最終得到含有乙醇濃度為2. 9% (質量比)的發酵液，蒸餾和用生石灰脫水后獲得純度為99. 6%的乙醇450毫升。實施例3 將3公斤秸稈置于50升的預處理反應釜中，開始通入1. 2Mpa的蒸汽5 分鐘，減溫到50-60攝氏度，采用板框壓濾機壓濾洗滌，得到液體8升，將剩余的草仍然置于 50升的預處理反應釜中，通入2. OMpa的蒸汽5分鐘，減溫到50-60攝氏度，采用板框壓濾機壓濾洗滌，得到液體9升；將兩次液體混合，轉入另外一反應釜中用蒸汽加熱至160攝氏度，保持60分鐘；將處理后的液體濃縮至2升，得到的木糖濃度在150 g/Ι，通過如實施例 1的米根霉發酵后，最終乳酸的濃度在90g/l，乳酸液經過分離提純制得99%的乳酸溶液；固體部分加入20升的發酵罐中加入培養基消毒后，體積在12升；如同實施例1 一樣進行水解和發酵，最終得到的含有乙醇濃度為4. 2% (質量比)的發酵液，蒸餾和用生石灰脫水后獲得純度為99. 5%的乙醇520毫升。
權利要求
1.利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，其特征在于該聯產方法包括如下幾個步驟(A)對木質纖維素進行預處理，將木質纖維素中的半纖維素轉變為可溶性木糖，得木糖液和固體；(B)將步驟A的木糖液濃縮，再采用能利用木糖作為碳源產乳酸的微生物對其進行發酵獲得乳酸發酵粗液，對發酵粗液提純獲得高純度乳酸；(C)將步驟A的以纖維素和木質素為主的預處理后的固體用纖維素酶水解成葡萄糖， 再利用葡萄糖產乙醇的微生物發酵生成含乙醇的發酵液，對含乙醇的發酵液蒸餾脫水獲得高濃度乙醇。
2.根據權利要求1所述的利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，其特征在于所述的木質纖維素為農作物秸稈、草類、林木生物質中的一項或幾項的組合；所述的農作物秸稈為稻草、麥草、棉花稈、油菜稈、玉米稈、玉米芯、大豆稈莖、花生稈莖、葵花稈、甘蔗渣中的一種或幾種的組合；所述的草類為芒草、柳枝稷、蘆葦中的一種或幾種的組合；所述的林木生物質為軟木、硬木、鋸木屑中的一種或幾種的組合。
3.根據權利要求1所述的利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，其特征在于步驟A所述的預處理是如下一種或者幾種方法的組合一使用120-210攝氏度的蒸汽或者超臨界過熱水將木質纖維素(木質纖維素的在水中的質量百分比在1%_100%)在0- (相對于木質纖維素的質量百分比)的稀酸環境下進行蒸煮1-300分鐘；二相對于木質纖維素 (木質纖維素的在水中的質量百分比在100%-1%)的質量百分比為0. 2-20%的堿液在溫度 60-160°C蒸煮1-600分鐘；三對木質纖維素采取上述一或者二方法后獲得的液體部分再采用半纖維素酶在30-80°C進行水解0. 1-12小時。
4.根據權利要求3所述的利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，其特征在于酸是指鹽酸、硫酸、亞硫酸、硝酸、磷酸、碳酸中的一種或其組合；堿是指氫氧化鉀、氫氧化鈉、碳酸鈉、氨水、生石灰或氫氧化鈣。
5.根據權利要求1所述的利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，其特征在于步驟B中的能利用木糖作為碳源產乳酸的微生物為干酪乳桿菌(LactcAacillus Casei rhamnosus)、 疑結芽胞桿菌(Bacillus Coagulans)、戊糖乳桿菌(Lactobacillus Pentosus)或米根霉菌株(Rhizopus Oryzae)。
6.根據權利要求1所述的利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，其特征在于步驟C中的利用葡萄糖產乙醇的微生物為釀酒酵母(Saccaromyces cerevisiae)、畢赤酵母 (Pichia pastoris)或運動發酵單孢菌(Zymomonas mobilis)。
全文摘要
本發明公開了利用木質纖維素聯產乳酸和乙醇的方法，該聯產方法包括如下幾個步驟(A)對木質纖維素進行預處理，將木質纖維素中的半纖維素轉變為可溶性木糖，得木糖液和固體；(B)將步驟A的木糖液濃縮，再采用能利用木糖作為碳源產乳酸的微生物對其進行發酵獲得乳酸發酵粗液，對發酵粗液提純獲得高純度乳酸；(C)將步驟A預處理后的固體用纖維素酶水解成葡萄糖，再利用葡萄糖產乙醇的微生物發酵生成含乙醇的發酵液，對含乙醇的發酵液蒸餾脫水獲得高濃度乙醇。本發明利用木質纖維素中不同成分生產能源和大宗化工產品燃料乙醇和乳酸，生產工藝簡單，附加值高，變廢為寶，具有極強的經濟和社會意義。
文檔編號C12P7/10GK102363795SQ20111033223
公開日2012年2月29日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者周玉珍, 熊濤, 熊鵬, 程益紅 申請人:熊鵬