[發明專利]生物質的糖化方法及其應用

在審

• 申請號: 201811331710.7
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN111172217A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 武國慶;林海龍;李冬敏;熊強;張宏嘉;劉勁松;馮鵬;杜偉彥;沈乃東;于斌;朱鏡羲
• 申請（專利權）人: 國投生物科技投資有限公司
• 主分類號: C12P19/14
• 分類號: C12P19/14;C05F11/02;C05G3/00;C05G3/80
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 劉依云;喬雪微

本發明涉及生物領域，公開了一種生物質的糖化方法，該方法包括：1)將預處理后的含生物質的原料與亞硫酸鹽和/或亞硫酸氫鹽溶液進行第一混合，依次進行熱處理和固液分離，得到液相物料和固相物料；2)將步驟1)得到的液相物料和輔料進行第二混合，形成有機肥；3)將步驟1)得到的固相物料、水和酶制劑進行酶解反應，制得糖液；其中，所述生物質原料中含有木質纖維素。利用本發明所述方法，提高了糖濃度，同時能夠副產高附加值有機肥。

技術領域

本發明涉及生物領域，具體涉及一種生物質的糖化方法及其應用。

背景技術

生物質是地球上來源最豐富的可再生原料之一，包括農林廢棄物、谷物殘渣、糖業加工殘渣、干草、城市有機固體垃圾等，具有來源廣泛、價格低廉和可再生性等優點，能夠節約糧食資源和化石資源，有巨大的發展潛力。生物質的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。其中纖維素和半纖維素的總含量為約50-80％，二者降解后生成的葡萄糖、木糖和阿拉伯糖等糖類能夠作為多種工業的原料，如替代淀粉糖、蔗糖等糧食來源的糖，發酵生產乙醇、丁醇、氨基酸等產品；也可以替代石油基原料，通過化學轉化生產乙二醇、丁二醇、丁二酸等化工產品。木質素的含量通常為10-30％，經化學轉化后能夠制取多種化學品，并能夠生產農業腐殖酸肥料等，具有廣泛的工業和農業用途。

木質纖維素的主要成分纖維素具有復雜的結晶結構，另外兩種大分子半纖維素和木質素通過氫鍵和酯鍵與纖維素相互結合，形成嚴密的結構，難以降解和分離，直接酶解效率很低。因此，含木質纖維素的生物質原料糖化通常需要利用有效的預處理以破壞其結構，使其易于降解成可利用的小分子，然后加入酶制劑降解得到混合糖液。

常用的預處理方法包括酸水解、酸性或中蒸汽爆破、堿處理等。其中，酸水解通常直接采用稀硫酸降解原料，工藝簡單，但設備腐蝕嚴重，酸回收成本高，直接排放則嚴重污染環境。而且半纖維素直接降解進入酸液中，糖濃度較低，纖維素則需要單獨進行酶解，使得工藝復雜，增加了分離和提取的成本。酸性蒸汽爆破的設備腐蝕問題更為突出，特別是溫度大于140℃時，金屬腐蝕速率會增加10倍以上，大大降低材料的壽命。而中性蒸汽爆破的處理強度高，常常產生大量抑制物，原料利用率低；木質纖維素殘渣則難以被有效利用，通常需要額外的處理步驟，或者直接干燥后用作燃料，導致資源浪費和環境污染。堿處理工藝中的堿(主要是NaOH)用量很高，通常是原料干物的10-20％，在去除部分木質素的同時也溶解了部分半纖維素和少量纖維素，導致原料利用率低，并且容易產生大量的高鹽濃度的廢水，難以有效處理和利用，導致嚴重的環境污染。

現有的生物質糖化工藝普遍存在總糖濃度低，廢水排放量大，木質纖維素殘渣無法有效利用等問題。由于木質纖維素轉化率較低，導致原料的利用率低，而且，廢水中常含有大量未降解的有機質，COD一般在10000以上，污水處理難度大。硫酸的使用會造成廢水中硫酸根濃度高，一般都在 3000mg/L以上，中和余酸又會引入金屬離子(通常為Na⁺)或銨根離子，給廢水處理帶來很大壓力。硫酸根在厭氧條件下容易被硫酸鹽還原菌還原成硫化氫；而水相中硫化氫存在，可以抑制厭氧產甲烷菌的生長，嚴重者還會導致其中毒死亡，使得有機物的去除效率明顯下降，廢水處理難度和成本大大提高。使用氫氧化鈉則使得廢水中Na⁺濃度過高，由于Na⁺難以用化學或生物方法去除，直接排放易造成土壤板結，從而導致嚴重的環境問題。

另一方面，現有生物質糖化工藝得到的糖濃度往往比較低，采用硫酸或者NaOH處理時，硫酸根或者鈉離子的濃度則比較高，需要經過離子交換、膜過濾等過程進行純化，工藝復雜，生產成本高。而且，由于木質纖維素降解性差，通常使用的水解體系底物濃度較低，一般為10-15％，相應的糖化液中總糖濃度也比較低，通常120g/L。

發明內容