[發(fā)明專利]一種木質(zhì)纖維素原料的生物-化學(xué)聯(lián)合預(yù)處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010182173.1
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN102261004A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆志英;劉曉風(fēng);袁月祥;廖銀章
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院成都生物研究所
• 主分類號: D21B1/02
• 分類號: D21B1/02
• 代理公司: 成都賽恩斯知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 51212
• 代理人: 肖國華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物化工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用微生物處理與稀酸處理相結(jié)合進行木質(zhì)纖維素原料聯(lián)合預(yù)處理的方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)

木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過酶解糖化后，可得到以葡萄糖為主的六碳糖及以木糖為主的五碳糖，是食品和化工等行業(yè)的重要原料。木質(zhì)纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大成份組成，半纖維素作為分子黏合劑結(jié)合在纖維素和木質(zhì)素之間，將纖維素分子包埋在其中，形成一種天然屏障，使酶不易與纖維素分子接觸，導(dǎo)致木質(zhì)纖維素原料中多糖的酶解緩慢。因此要實現(xiàn)木質(zhì)纖維素原料的酶解糖化必需通過適宜的預(yù)處理技術(shù)使它的三種成份有效分離，同時打斷部分糖苷鍵，降低聚合度，脫除木質(zhì)素，改善木質(zhì)纖維素原料的天然結(jié)構(gòu)，解除對酶的屏障阻礙作用，增強酶與纖維素可及度，提高纖維素酶解糖化效率。因此適宜的預(yù)處理方法是木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化利用關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

目前，木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法。物理、化學(xué)預(yù)處理技術(shù)有機械粉碎處理、蒸汽爆破處理、微波和超聲波處理、輻射處理、堿法處理、過氧化物氧化處理、稀酸浸泡處理、有機溶劑處理、氨爆破處理、二氧化碳爆破處理、濕氧化處理等多種方法。但其中的很多物化方法因處理效果差、環(huán)境污染、設(shè)備成本和運行成本高昂、操作復(fù)雜等多重原因未被推廣，其中相對較為成熟方法主要有蒸汽爆破法、稀酸浸泡法兩種方法。

蒸汽爆破法是一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理最常用的方法，在不加催化劑的情況下，利用高壓蒸汽迅速升溫，將原料和水或水蒸氣等在高溫、高壓下(150～240℃)處理一定時間后，立即降至常溫、常壓，蒸汽爆破過程中,高壓蒸汽滲入至纖維內(nèi)部，以氣流的方式從封閉的孔隙中釋放出來，使纖維發(fā)生一定的機械斷裂，同時高溫、高壓加劇纖維素內(nèi)部氫鍵的破壞，游離出新的羥基，纖維素內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增加了纖維素的吸附能力。但由于蒸汽爆破過程中產(chǎn)生的乙酸和其它一些酸的酸性很弱，導(dǎo)致對半纖維素的轉(zhuǎn)化效果并不是很高，一般僅為65～70%左右，而且乙酸也是一種乙醇發(fā)酵的抑制產(chǎn)物；半纖維素降解后的糖單體在高溫下會轉(zhuǎn)化為糠醛、羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制物，原料需要用大量水沖洗，同時也造成糖成份的損失；蒸汽爆破法對木質(zhì)素去除率很低，并且經(jīng)蒸汽爆破后的木質(zhì)素對纖維素酶有著較高的非特定吸附，同時一些低聚糖類和斷裂木質(zhì)素會在冷卻后沉淀黏附于纖維素表面，阻礙纖維素酶解。

稀酸浸泡法也是目前使用較為成熟的預(yù)處理方法。指用低濃度的稀酸（0.5～1%）在低于或高于100℃的溫度下對木質(zhì)纖維素原料處理。在低于100℃的溫度下進行預(yù)處理時，處理時間一般為4～24h；在高于100℃的溫度下進行預(yù)處理時，處理時間一般幾分鐘至幾小時。稀酸水解半纖維素并改變纖維素晶型、增大其比表面積，提高后續(xù)酶解效率。但稀酸浸泡法的反應(yīng)時間較長，能耗高，并且半纖維素轉(zhuǎn)化率也不高，一般為70～80%；稀酸浸泡法對木質(zhì)素基本不脫除，不能有效解除木質(zhì)素對纖維素酶的無效吸附和空間阻礙，同時由于較長的反應(yīng)時間導(dǎo)致糖單體進一步生成糠醛、甲酸、乙酸、羥甲基糠醛等發(fā)酵抑制產(chǎn)物，影響后續(xù)酶解、發(fā)酵。

生物法主要利用微生物的生物催化作用（包括真菌、細(xì)菌、放線菌等）進行木質(zhì)素、半纖維素、纖維素等組分的降解，提高后續(xù)纖維素、半纖維素糖化效率。這種方法反應(yīng)條件溫和、不造成環(huán)境污染、成本低等優(yōu)勢，是目前國內(nèi)外研究的熱點。但從國內(nèi)外研究報道來看，生物法存在預(yù)處理時間較長、效率低、糖成份損失等缺點。

鑒于以上預(yù)處理技術(shù)存在的問題，迫切需要尋找一種新的預(yù)處理方法以獲得較高的半纖維素轉(zhuǎn)化率、較少的抑制產(chǎn)物和解除木質(zhì)素對纖維素酶的屏障阻礙作用以及無效吸附來替代現(xiàn)有的方法，提高木質(zhì)纖維素原料酶解效率。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述物理法、化學(xué)法和生物法預(yù)處理工藝存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠有效提高木質(zhì)纖維素原料中半纖維素轉(zhuǎn)化率、木質(zhì)素脫除率和纖維素酶解糖化率以及減少發(fā)酵抑制產(chǎn)物的方法。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種匹配上述方法的系統(tǒng)。

本發(fā)明可以通過以下方式實現(xiàn)：

一種木質(zhì)纖維素原料的生物-化學(xué)聯(lián)合預(yù)處理方法，將木質(zhì)纖維素原料粉碎到5～60目的粒度后裝入微生物處理池中，注入微生物菌液進行生物處理，所用微生物菌液為高效木質(zhì)素降解微生物，生物處理條件為：按木質(zhì)纖維素原料干重的5～10%，添加微生物菌液，加水至反應(yīng)體系含水率達65～75%，溫度25～35℃，處理5～10d，通氣口打開。

所述的木質(zhì)纖維素原料主要為玉米秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈。