[發明專利]一種玉米芯聯產木糖、木質素和乙醇的方法

有效

• 申請號: 201110321681.8
• 申請日: 2011-10-20
• 公開（公告）號: CN102433358A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 李十中;閆智培;李紀紅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C12P7/10
• 分類號: C12P7/10;C08H7/00;C13K13/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

技術領域

本發明屬于生物化工技術領域，具體涉及一種玉米芯聯產木糖、木質素和乙醇的方法。

技術背景

人類在進入21世紀以后，生存發展遭遇了兩個瓶頸問題，一個是環境惡化問題，一個是化石能源短缺的問題。為了逐步擺脫對傳統能源的過度依賴、減少對環境的污染，許多國家紛紛尋找傳統能源的替代物。

燃料乙醇是一種優質的液體燃料，可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是最易工業化的一種民用燃料或內燃機燃料，是最具有發展潛力的石油替代燃料。

目前，生產生物乙醇的生物質原料大致可分為三類：①淀粉類原料(如玉米、小麥、水稻、馬鈴薯、木薯、紅薯)；②含蔗糖類原料(如甘蔗、甜菜、甜高粱、水果)；③木質纖維素(如林業廢棄物、秸稈、麥草、玉米芯、甘蔗渣等)。基于“不與人爭糧”及價格因素的原則，隨著生物乙醇產業的擴大，木質纖維素的優勢日益擴大。

由于木質纖維素原料結構復雜，纖維素被半纖維素和木質素包裹形成了更加致密的三維網狀空間結構，為了將纖維素降解成葡萄糖必須采取預處理技術，破壞上述三維網狀空間結構，增強纖維素酶的可及性。

目前，已經開發出各類提高纖維素轉化率的物理、化學預處理方法。在理論上，天然纖維素原料的生物降解不存在原則性困難，可一旦將其工業化時就會出現技術經濟難以過關的障礙。由于預處理方法能耗大、成本高，使得纖維素乙醇與當今的石油價格、淀粉乙醇價格比較，在經濟效益上還難于在競爭中立足。目前，要降低纖維素乙醇的成產成本，必須實現木質纖維素原料中的各主要組分的綜合利用，同時提高產品附加值。

目前，經濟性最高的預處理方法為低溫稀酸預處理。半纖維素和纖維素酸水解的難易程度不同。在較溫和的酸解條件下，半纖維素能夠被降解生成木糖、阿拉伯糖等，而纖維素無明顯降解。

發明內容

針對上述纖維素乙醇生產經濟性差和原料利用充分等不足，本發明的目的在于提供一種以玉米芯為代表的木質纖維素聯產木糖、木質素和乙醇的方法，本發明將玉米芯首先在酸性條件下水解，使得半纖維素降解得到木糖；再采用堿液/醇提取工藝，將酸解渣中的木質素提取出來；然后將去木質素殘渣進行酶解得到酶解混合液；最后酶解混合液接種酵母發酵產生乙醇。本發明的聯產方法，綜合利用了木質纖維素原料的三大組分，得到高附加值的木糖和木質素產品，提高酶解底物中的纖維素含量和纖維素酶可及性，實現纖維素酶解的高轉化率。該方法使得木質纖維素原料的利用率提高，纖維素乙醇的生產成本下降。

一種玉米芯聯產木糖、木質素和乙醇的方法，該方法包括如下步驟：

(1)玉米芯經水洗和稀酸洗后，在酸性條件下水解，固液分離得到木糖溶液和酸解渣；

(2)將上述酸解渣在堿液或醇中提取木質素，固液分離得到木質素溶液和去木質素殘渣；

(3)將上述去木質素殘渣水洗后作為酶解底物，加入酶解緩沖液，然后加入酶進行酶解，得到酶解混合液；

(4)將上述酶解混合液接種酵母發酵得到乙醇溶液。

其中，步驟(1)為半纖維的利用和纖維素乙醇的酸預處理過程，步驟(2)為木質素的提取和酸解渣的脫毒過程，步驟(3)為酶催化纖維素水解糖化過程，(4)為酶解混合液發酵產乙醇過程。

步驟(1)所述水洗為用常溫水沖洗玉米芯；所述稀酸洗為用濃度(重量百分數)為0.05％～0.20％的稀酸沖洗玉米芯；所述酸性條件下水解是指玉米芯作為酸解底物在酸的濃度(重量百分數)為0.5％～5％，酸解底物(干基計)的重量百分數為5％～20％的條件下，在100～150℃酸解0.2～4.0h。所述的酸可以為硫酸、鹽酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一種或者幾種。

優選的酸解條件是，在1.0～1.5％硫酸濃度，溫度120～125℃的條件下，酸解2h，酸解底物(干基計)的重量百分數為10％～15％。

步驟(2)中所述的堿液提取木質素的條件為：堿液的濃度為0.1～2.0mol/L，溫度50～100℃，提取時間0.5～1.0h，酸解渣與堿液的重量體積比為1g∶10～50mL。所述的堿可以為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣中的一種或者幾種。

優選的條件是：濃度為0.4～0.6mol/L的NaOH溶液在溫度70～90℃的溫度下，提取時間0.5h，酸解渣與堿液的重量體積比為1g∶25～45mL。

用堿液提取木質素的方法得到的木質素溶液在用硫酸將pH值調至2～5后，靜置，然后固液分離得到堿木素。