[发明专利]一种利用木质纤维素原料制备PHBV的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，涉及一种利用秸秆类木质纤维素为原料工业化生产PHBV的方法。

背景技术

近年来，由于全球石油资源减少和大量塑胶制品使用过后带来的严重白色污染问题，严重破坏了人类的生存环境。由于为了能更好的保护人类的生存环境，生物降解材料的研究和生产受到了人们广泛地关注。其中，一种新型生物高分子3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸共聚物(即PHBV)，被认为是替代化学合成塑料、攻克白色污染最具潜力的新的热塑性聚脂，PHBV的分子结构式如下：

PHBV是不以石油、天然气为原料，而是利用淀粉和葡萄糖作为原料，通过微生物发酵技术生产出的生物材料。它很容易被细菌消化，在土壤或堆肥化条件下完全分解为二氧化碳和水，没有毒害物质生成，对环境没有污染。由于PHBV具有生物可降解性、生物相容性、压电性、光学活性等许多优良的特性，可在众多领域如生物可降解包装材料、组织工程材料、缓释材料及电学材料等方面得到广泛应用。随着世界范围内能源危机的加剧、以及环境保护意识的增强，PHBV类材料的开发以及利用已引起了科研领域以及工业界的广泛兴趣。

目前PHBV的工业化生产及其广泛应用所面临的最大问题是其生产成本过高的问题，因此目前其主要还是应用在医学和其他要求高的领域。用细菌发酵生产PHBV的一般工艺流程如下：

菌种培养→发酵→巴氏法消毒→沉淀→分离→沉淀物→抽提→干燥

由于工艺路线的选择问题，目前国际上仅有少数几家企业能生产，因生产成本很高，还均未能实现大规模生产。我国中科院微生物所目前已开发出了用淀粉糖与丙酸发酵生产PHBV技术，并与杭州天安有限公司合作建立起了一个年产1kt PHBV的生产装置。随着的开发成功，我国在这一领域的研究和生产达到了国际先进水平，也标志着我国在生物降解塑料的生产方面迈上了一个新的台阶。

天然植物纤维是容易获取的丰富可再生资源，比如，目前我国每年农作物秸秆产量达到10亿吨。因此，可以通过利用廉价的天然纤维素原料生产PHBV以降低发酵的原料成本，必将受到人们的广泛关注。

目前，常用木质纤维原料水解糖化工艺有两种分别是酸水解和酶水解。

酸水解速度快并且容易完成，通常酸水解采用的矿物酸为H₂SO₄或HCl，温度160～240℃。纤维素原料经高温处理后水解液中不但含有可发酵的糖，而且含有糠醛和5-羟甲基糠醛等发酵抑制物，是由糖降解所产生的，这些化合物抑制了微生物对糖的发酵，因此在发酵以前需将糖醛和5-羟甲基糖醛等发酵抑制物脱除。脱除的方法很多，如石灰中和法、蒸发法、亚硫酸盐预处理、离子交换、酶、活性炭处理等，都可以脱除部分发酵抑制物，但是处理成本过高，生产中难于实现。

因此，纤维素的水解现在主要采用的是纤维素酶水解，纤维质材料必须经过预处理才能获得较高的酶解转化率。较好的预处理方法可以减少酶的用量。影响纤维素水解的因素包括多孔性、纤维素束的结晶度以及木质素和半纤维素的含量。木质素和半纤维素的存在使得纤维素酶接触纤维素很困难，因此降低了水解效率。预处理将木质素和半纤维素去除，减小纤维素的结晶度和增加多孔性，可以显著提高水解效率。纤维质材料的很多预处理方法目的是去除半纤维素和木质素，增大纤维素的可接触面积，进而提高水解效率。由于木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然的纤维质原料直接进行水解时，其水解程度是很低的，因此必需对纤维素进行一定的预处理。

目前，木质纤维素酶解反应预处理方法很多，包括物理方法、化学方法和生物方法等。常用的纤维原料物理预处理方法是机械粉碎法，通过切、碾和磨等工艺使纤维原料的粒度变小，增加底物和酶接触的表面积，降低纤维素的结晶度。包括粉碎、球磨、压缩碾磨粉碎、超声波等技术。蒸汽爆破法是目前国内外研究较多的有效预处理方法之一。目前所用的蒸汽爆破法是用蒸汽将原料加热至160～260℃，维持20s～30min在高温高压下造成木质纤维素软化，然后迅速使原料减压造成纤维素晶体和纤维素的破裂，木质素和纤维素分离，而半纤维素在高温下发生自水解作用可溶化，木质素也发生部分降解。

以上预处理过程结合稀酸、稀碱法处理可以显著提高酶解效率。但是高温或者稀酸稀碱处理过程会造成纤维素降解生成发酵抑制物，因此发酵抑制物的脱除效果直接影响了后续微生物发酵过程的应用。