[发明专利]一种高效水解木质纤维素类生物质同时制备多组分糖液及木质素的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物工程技术领域，涉及一种高效水解木质纤维素类生物质的方法，可同时获得纤维素水解液、半纤维素水解液和木质素。

背景技术

木质纤维素类生物质包括农业生产的废弃物和剩余物(如农作物秸秆、谷壳、玉米芯、麸皮、蔗渣等)、林木(软木和硬木)及林业加工废弃物、草类等，是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。木质纤维素原料主要有机成分包括纤维素、半纤维素和木质素三部分，其中纤维素主要由葡萄糖分子以β-1，4糖苷键连接而成的复杂的高分子物质，经水解可生成葡萄糖；半纤维素是由聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸组成，经水解可生成木糖、阿拉伯糖、半乳糖等；木质素是由苯基丙烷单元所组成的天然高分子化合物，可用于制备生物可降解材料，也可作为燃料。随着全球化石资源的逐渐匮乏，生物炼制成为重要发展方向，但是目前大宗生物炼制产品例如乙醇、有机酸、氨基酸、抗生素等直接以粮食淀粉经液化、糖化处理后作为发酵原料。随着生物炼制生产规模的不断扩大，对粮食的需求迅速增加，而全球粮食供应已逐渐紧张，不利于生物炼制产业的发展。我国每年形成的农业废弃物高达7亿吨，其中绝大部分被废弃或焚烧，若能把大量的农业木质纤维素原料及工业纤维废料中的纤维素、半纤维素经济有效地水解成还原糖，用于大宗生物炼制产品的生产，将有利于改善目前资源紧张、环境恶化的状况，对我国建立循环经济，实现可持续发展具有重要的经济和社会意义。

目前木质纤维素水解成还原糖可分为酸水解和酶水解两类方法。木质纤维素原料中半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间；而木质素具有的网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素，不利于纤维素的水解；同时半纤维素、木质素及其衍生物对纤维素酶的活性也具有明显的抑制作用；而纤维素的结晶结构显示出刚性和高度水不溶性严重阻碍纤维素的降解。因此在利用木质纤维素的过程中，必须改变天然纤维素的结构，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，除去木质素和半纤维素，降低纤维素的结晶度，增加原料的疏松性。其中破坏纤维素的结晶结构，使纤维素结构松散，是提高水解效率的关键。

目前专利报道的木质纤维素酸水解工艺分为浓酸水解、稀酸水解及有机酸水解法。(1)浓酸水解，一般采用浓硫酸与浓盐酸，在较低的温度下进行(如美国专利US5562777)，可破坏木质素、半纤维素与纤维素的结合层，水解纤维素与半纤维素，糖产率高，副产的发酵抑制物较少，此外中国专利01113751.7采用8～20％的浓硫酸长时间浸泡原料(10～18小时)再进行高温水解可专一地降解半纤维素。但浓硫酸、浓盐酸的腐蚀性强，对设备材质要求很高，而且严重毒害环境，分离回收和再浓缩则大大增加了工艺的复杂性与成本。(2)稀酸水解法，一般采用稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸(如中国专利200710029054.0、02145150.8)，需要在高温下(100-220℃)进行长时间水解，稀酸水解往往只作用于半纤维素，不能水解纤维素，也不能脱除木质素，水解糖产率一般低于50％，并伴有单糖的降解，副产物多，对发酵有害，需要采用多种脱毒方法，工艺复杂。(3)有机酸水解，一般采用低沸点的有机强酸如三氟乙酸、三氟甲磺酸(如中国专利200710037882.9)，可降解半纤维素为低聚糖及单糖，并通过蒸馏回收有机强酸，但水解时间较长(1-12小时)，含氟有机强酸毒性大，三氟乙酸、三氟甲磺酸残留对发酵危害大。