[發(fā)明專(zhuān)利]一種木質(zhì)纖維原料耦合酶解糖化的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010108038.2
• 申請(qǐng)日: 2010-01-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101787384A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海松;牟新東;劉超;孫偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C12P19/14
• 分類(lèi)號(hào): C12P19/14
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周長(zhǎng)興

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源化工領(lǐng)域，具體地涉及一種木質(zhì)纖維原料分級(jí)預(yù)處理方法及耦合酶解糖化工藝。

背景技術(shù)

隨著石化資源的日趨緊張，以生物資源，特別是農(nóng)林廢棄物玉米秸稈、稻草、麥草、甘蔗渣、木材等木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化為液體燃料的開(kāi)發(fā)利用成為研究熱點(diǎn)。這些廢棄物生物轉(zhuǎn)化為乙醇、丁醇、生物柴油等可再生的液體燃料，不僅可以解決環(huán)境污染問(wèn)題，還能緩解日益緊張的能源危機(jī)和減少溫室效應(yīng)氣體的排放量，對(duì)于創(chuàng)建可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式具有重要意義。

纖維素類(lèi)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物液體燃料的一個(gè)關(guān)鍵步驟是木質(zhì)纖維原料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的過(guò)程。可是至今，預(yù)處理糖化過(guò)程單元的成本一直居高不下，成為阻礙其向商業(yè)化發(fā)展的障礙。木質(zhì)纖維原料的緊密結(jié)構(gòu)形成其對(duì)外界強(qiáng)的抵抗能力是纖維素難以水解糖化的根源所在，也就是說(shuō)，破壞生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)束縛，使纖維素及半纖維成分水解成單糖的過(guò)程，成為木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵。

現(xiàn)階段木質(zhì)纖維原料水解糖化過(guò)程主要有兩種方法，一種是酸水解，一種是酶水解。酸水解工藝由于自身的原因降低生產(chǎn)成本的可能性較小，而綠色的酶水解過(guò)程越來(lái)越引起人們的關(guān)注，但木質(zhì)纖維原料酶水解之前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以提高反應(yīng)過(guò)程酶對(duì)纖維的可及度。

目前對(duì)木質(zhì)纖維的預(yù)處理方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法等。物理法主要是指對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行機(jī)械粉碎，其主要方式有干法粉碎、濕法粉碎、振動(dòng)球磨碾磨等。機(jī)械粉碎處理后，木質(zhì)素和半纖維素與纖維素的結(jié)合層被破壞，半纖維素、纖維素的聚合度降低，纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被改變，提高了原料的比表面積和反應(yīng)活性，但能耗較高，且粉碎產(chǎn)生的無(wú)定形態(tài)非常不穩(wěn)定，容易重新結(jié)晶化，使其應(yīng)用受到限制。化學(xué)法主要有酸處理、堿處理、氧化處理及有機(jī)溶劑溶解等，其中酸、堿處理是最普遍的預(yù)處理方式。酸處理與酸水解糖化工藝過(guò)程類(lèi)似，存在腐蝕性強(qiáng)、有發(fā)酵抑制物生成的問(wèn)題，處理后的殘酸在發(fā)酵前一定要進(jìn)行回收或中和，費(fèi)時(shí)且能耗大。堿處理能夠除去大部分木質(zhì)素和降低纖維素結(jié)晶度，但同時(shí)半纖維素也被分解，致使損失太多，并且發(fā)酵之前，需要大量的酸中和，增加了運(yùn)行的困難性。

綜上所述，物理粉碎預(yù)處理方法雖然簡(jiǎn)單，但能耗太高。單純采用酸或堿預(yù)處理木質(zhì)纖維原料，不僅需要附加繁瑣的中和過(guò)程，纖維成分也不能得到充分利用，導(dǎo)致預(yù)處理糖化過(guò)程成本過(guò)高，所以提供有效的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法及酶水解糖工藝對(duì)于實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為生物液體燃料的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種新的木質(zhì)纖維原料分級(jí)預(yù)處理方法及耦合酶解糖化工藝，以達(dá)到纖維成分的充分利用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明對(duì)原料采取分級(jí)預(yù)處理及耦合酶解糖化的方法，具體步驟如下：

(1)首先將粉碎到0.2cm-1.5cm的木質(zhì)纖維原料，在硫酸、鹽酸、磷酸或熱水中進(jìn)行初步水解；反應(yīng)條件為：酸的濃度大于0而小于或等于8％，固液比1∶3-1∶10，溫度為120℃-240℃，升溫時(shí)間1-2小時(shí)(h)，保溫時(shí)間20min-3h；

(2)完成初步水解后進(jìn)行固液分離，用適量水沖洗(或不洗)過(guò)濾殘?jiān)謩e收集水解糖液和過(guò)濾殘?jiān)?/p>

(3)把過(guò)濾后的殘?jiān)M(jìn)行苛性鈉法、硫酸鹽法或亞硫酸鹽法蒸煮脫木素。其中苛性鈉法NaOH用量(相對(duì)絕干原料的重量)為8-16％；硫酸鹽法NaOH用量為6％-11％，Na2S用量為1.5％-3％；亞硫酸鹽法中的亞硫酸鹽是Na₂SO₃、CaSO₃或MgSO₃中的一種，其用量為3％-12％，NaoH用量為6％-15％。另外，反應(yīng)的固液比1∶3-1∶10；處理溫度為140℃-180℃；升溫時(shí)間1-2h、保溫時(shí)間20min-3h。

為了減輕二級(jí)處理過(guò)程中堿對(duì)纖維素的降解作用，提高總還原糖的得率，在蒸煮脫木素的過(guò)程可以添加硼氫化鈉、蒽醌及其衍生物作為蒸煮催化劑，強(qiáng)化對(duì)碳水化合物的保護(hù)；

(4)將蒸煮得到的不溶于反應(yīng)溶液的纖維素產(chǎn)物過(guò)濾后，同步驟2收集的水解糖液混合，調(diào)節(jié)pH＝3-7，在酶反應(yīng)體系中水解。體系中含有纖維素酶活150-340U/g，木聚糖酶活300-750U/g，纖維二糖酶活200-600U/g，水解溫度40-55℃，反應(yīng)時(shí)間40-72h。

(5)得到主要含有葡萄糖、木糖的可發(fā)酵糖液，經(jīng)凈化、濃縮后進(jìn)行后續(xù)的生物轉(zhuǎn)化制取乙醇、丁醇或生物柴油等液體燃料。

相對(duì)已有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：