[发明专利]一种纤维素废弃物微分式渗滤床低酸水解成可发酵性糖的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及生物质化工技术领域，尤其涉及一种利用纤维素废弃物微分式渗滤床低酸水解成可发酵性糖的方法。

【技术背景】

我国是农业大国，现存的各种生物质资源，包括农作物秸秆、玉米秸秆、稻秆、小麦秆、林业废弃物，以及由各种富含木质纤维素均可适用于该技术。近年来，随着经济的发展和生活水平的提高，农民对生物质直接燃烧的需求逐渐降低，出现了秸秆资源的剩余，以致随意焚烧，烟气污染对交通安全构成了严重威胁，“烧荒”引发的交通事故层出不穷，给人民造成巨大的生命安全和财产损失，引起各方关注。将农林废弃物转化为优质生物化工品和液体燃料，形成产业化利用，可大量消纳秸秆废弃物，消除秸秆等农业废弃物烧荒造成的环境和生态危害。

纤维素类废弃物可通过生化转化生成乙醇、丁醇等液体燃料或其它化工产品，而水解是关键的核心技术。分为酸水解和酶水解。酸水解又分为浓酸水解和稀酸水解，它们各自有不同的反应机理。

浓酸水解以Arkenol水解工艺为代表，浓酸水解的报道最早见于1883年，它的原理是结晶纤维素在较低的温度下溶解于72％的硫酸、42％的盐酸或77～83％的磷酸中，导致纤维素的均相水解，转化成含几个葡萄糖单元的低聚糖，将此溶液加水稀释并加热一定时间即水解为葡萄糖。浓硫酸水解反应温度和压力都较稀酸水解低，减少了生成的还原糖继续降解量。其主要优点是糖的回收率高，可回收约90％的纤维素、半纤维素转化的糖。采用高浓度的酸，对设备腐蚀比较严重，需要采用耐强酸腐蚀材料，这大大增加了设备材料的成本。而且大量高浓度酸废液污染环境，其回收再利用较困难，从原料上增加了浓酸水解的成本，制约了浓酸水解的进一步发展。

无酸水解可称高温液态水水解，是利用高温液态水来水解生物质中的半纤维素获取木糖或低木聚糖等方法。其原理与稀酸水解类似，都是通过水合氢离子来水解半纤维素。其主要过程是在水解过程中半纤维素分支结构上的乙酰基类物质水解产生乙酸，乙酸离解产生水合氢离子又促进水解反应的进行。高温液态水水解的优点：①可高效率溶解半纤维素(90％以上)，部分去除木质率(10％～50％)，纤维素的损失较少。②去除了半纤维素和木质素后，提高了生物质的酶接触性，可以显著提高酶水解的性能。③采用水作为催化剂，运行成本较低，且没有酸后继处理。但高温液态水水解温度和压力都比较高，副产物也比较多，发酵抑制物较多，且对水解设备提出了较高的要求，此外高温液态水水解纤维素效率比较低，纤维素水解糖得率也比较低，最适合于酶水解的预处理。

超低酸水解是指以质量分数为0.1％以下的酸在较高温度下对纤维素进行水解的方法，由美国可再生能源实验室(NREL)提出。超低酸对设备的腐蚀性低，减少酸的后续处理量，在减少环境污染和降低生产成本方面较其它工艺有较大的优势，其缺点是需要高温、高压的反应条件，对设备要求苛刻，难以产业化，此外半纤维素和纤维素水解性能不同，半纤维素相对容易水解且木糖在高温下易分解，造成木质纤维素水解糖得率比较低。

酶水解工艺反应条件温和、水解副产物少、糖化得率高但其致命的问题在于：一方面纤维素酶的回收效率低、稳定性差，成本居高不下；另一方面酶水解预处理的工艺以及成本要求很高，难以实现产业化。

稀酸水解法具有工艺简单、可控性强、反应周期短、成本低、废液处理方便、污染少等优点，是最有望实现大规模工业化生产的工艺方法。纤维素稀酸水解过程中，酸作用使纤维素水解主要转化为葡萄糖；半纤维素则生成多种单糖，主要包括木糖、阿拉伯糖、甘露糖等；木质素则降解成多种单环芳香族化合物。由于在较高温度以及酸作用下这些产物并不稳定，存在多种形式的分解、氧化等复杂反应，这些反应不仅降低了可发酵性糖的收率，还生成了多种副产物，主要有：甲酸、乙酸、糠醛、羟甲基糠醛、糖醛酸、己糖酸、酚类化合物、丁香酸、羟基苯甲酸、香草醛等，这些物质的存在，对后续乙醇或丁醇发酵过程中能抑制微生物细胞的生长中，影响目标产品的收率。

综上所述，尽管稀酸水解法具有工艺简单、可控性强、反应周期短、成本低、废液处理方便、污染少等优点，是最有望实现大规模工业化生产的工艺方法，但存在水解糖得率低，副产物多，可发酵糖产率低，增加了很多后续可发酵糖利用的困难，需要尽快解决。

【发明内容】

本发明公开了一种纤维素废弃物微分式渗滤床低酸水解制备可发酵性糖的方法，以解决现有稀酸水解技术中水解糖得率低，水解副产物比较高，对后续乙醇或丁醇发酵过程中微生物细胞的生长产生抑制作用，造成目标产品收率低的问题。