[发明专利]一种将木质纤维素高效糖化的预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种木质纤维素高效糖化的预处理方法，尤其涉及一种节能、环保的常温低浓度碱预处理方法。

背景技术

随着全球石油资源日益枯竭、大气中二氧化碳污染严重以及经济的发展，用生物质原料生产生物能源和生物化工产品替代石化产品已成为当前发展的必然趋势。目前，大多数生物化工产品的生产依赖于甘蔗、玉米等粮食作物原料，存在生产成本过高，只在少数高附加值领域才能有所应用的缺点。另外，以粮食作物为原料进行生物燃料生产，存在引发和加重粮食问题的危险。美国农业部和能源部联合研究报道，木质纤维素能经过糖化产生可发酵糖，然后生产出燃料酒精、糠醛、单细胞蛋白、乙酰丙酸等工业产品。同时因为木质纤维素具有来源广泛、价格低廉、可再生性等优点，使得它的应用前景较粮食作物更为广阔。

木质纤维素主要由纤维素、半纤维素、木质素等组成，对木质纤维素材料进行生物转化时，首先需要对其进行预处理，以此来改变其表面结构，破坏木质素和半纤维素构成的网络结构、脱去木质素、降低纤维素的结晶度。目前木质纤维素预处理的方法有物理法(如粉碎)、化学法(如酸、碱处理)、物理化学法(如蒸汽爆破)和生物法等，但是这些处理方法存在以下问题：物理法如单一的粉碎处理能耗高，约占木质纤维素糖化过程总能耗的50％～60％；化学法预处理需要的酸或碱浓度为10％～77％，处理温度为100℃～120℃，具有能耗高和设备耐腐蚀要求高等缺点；物理化学法如蒸汽爆破法经处理后半纤维素损失达60％～70％，原料的固体收率仅有30％～50％，大大降低了糖收率和原料利用率；生物法的反应周期长，同时菌体会利用部分纤维素和半纤维素，使水解得率降低。

中国专利CN1806945公开了一种利用秸秆预处理和酶解工艺使秸秆纤维素完全酶解的方法，将秸秆首先经汽爆处理，然后用热水洗涤，除去半纤维素多糖，干燥后与离子液体混合，微波加热或直接加热，然后将处理后的秸秆用水反复冲洗，洗涤液中的溶剂可以通过蒸馏等方法回收，冲洗干净的处理秸秆在50℃下，pH4.8的缓冲液中用纤维素酶酶解48～72小时，纤维素的酶解率可达到100％，但是汽爆处理的上述缺陷仍然存在，且汽爆后仍需要加热，能耗极大，生产成本过高，且工艺繁琐；中国专利CN1970781公开了一种超声波协同改性纤维素酶催化木质纤维素糖化的方法，通过粉碎(20目)和碱预处理(常温，3％～8％)分离原料中的木质素，用活化后的单甲氧基聚乙二醇与纤维素酶在柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中反应得到改性纤维素酶，将改性纤维素酶与β-葡萄糖苷酶、淀粉酶和果胶酶混合得到复合酶液，将复合酶按照相应的比例加入预处理后的原料中，配合超声波(80～300W)进行酶催化反应，最后经过滤、减压蒸发，得到浓缩糖液(25％～35％)，但该方法的碱液浓度过大，对生产设备的维护保养和生产成本造成了巨大压力，由于前期碱处理效果不良，造成了后期酶解工艺的复杂化，超声处理和减压等操作进一步增加了能耗及生产成本；中国专利CN101121175公开了一种秸秆的碱臭氧预处理方法，将粉碎后的秸秆与石灰水混合，其中秸秆(按干物质计)占料液总量的3％～15％，石灰占料液总量的0.3％～1％，向混合后的料液通入低通量臭氧，然后静置，该工艺提高了后续处理时秸秆中木质素、纤维素的降解率，加快秸秆后续处理速度，但臭氧的成本过高，不适用于工业化生产；中国专利CN101153305公开了一种秸秆类纤维原料预处理方法，将作物秸秆干燥后粉碎至颗粒状后与固态Ca(OH)₂(用量3％～35％)和水(用量3～8倍)混合均匀后，在70℃～125℃条件下处理10～60min，得到的物料加水(3～8倍)进行湿法粉碎得到浆状物，再在70℃～125℃条件下处理10～60min，得到的物料用浓酸，如硫酸，盐酸等中和，调pH值到纤维素酶的最适作用条件，即可进行酶解，该方法使用了廉价易得的Ca(OH)₂进行碱解，并采用了湿法粉碎成浆状物的方法，相对上述其它方法而言提升了作用效果，降低了成本，但其重复两次加热的处理方式不仅操作繁琐，且仍未完全解决加热所致的能源消耗问题，且工艺中产生的CaSO₄等副产物，造成了环保负担；美国专利US5562777公开了一种强酸水解纤维素和半纤维素的方法，将浓度为70％～77％的浓硫酸与纤维素和半纤维素的混合物按1.25∶1混合均匀后形成凝胶状，然后加水使凝胶物中的硫酸浓度稀释至20％～30％，然后加热至80℃～100℃，处理40～480min，该工艺有效破坏了纤维素的结晶结构，有利于提高后续处理时纤维素的降解率，但该工艺同样存在处理温度高、强酸用量大、生产成本高等缺点。