[发明专利]一种木质纤维素生物质的综合利用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种综合利用木质纤维素生物质的方法，具体地说是一种综合利用木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素和木质素的方法。

背景技术

随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要。而燃料乙醇是生物质液体能源的物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(玉米、木薯等)和糖类(甘蔗、甜菜等)作为发酵的原料。采用微生物法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行。现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素生物质。

木质纤维素生物质以植物体的形式存在，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40％左右，半纤维素占25％左右，木质素占20％左右，地球上每年由光合作用生成的木质纤维素生物质总量超过2000亿吨，因此木质生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。

如果能以木质纤维素生物质为原料生产乙醇，将极大解决人类的能源问题，但是在这方面仍存在很多技术难题尚未解决。目前，在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇过程中，遇到的第一个问题是对半纤维素、纤维素和木质素未能很好地综合利用，现有处理生物质的工艺技术，大多以降解糖类得到乙醇为目的，不能同时提取得到高纯度、高活性的木质素，往往把木质素作为一个去除对象；另一个最大问题是纤维素酶解的转化率低，酶解的成本过高(占总生产成本的40-50％)，生产成本过高，无法真正实现工业化。纤维素酶解的转化率低的原因是：一方面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，木质素和半纤维素在空间上可阻碍纤维素分子与酶的接触，酶可及度差，增加了酶解的难度。因此有必要对木质纤维素生物质进行有效的预处理，破坏木质素和半纤维素的空间障碍，同时还要避免预处理产生不利于酶解的酶抑制物(如糠醛，乙酸等)，从而有利于纤维素的酶解；另一方面，纤维素酶对结晶纤维素酶促反应活力比较低，因此，为了提高纤维素酶解的转化率，需要提高纤维素酶的活力。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术在综合利用半纤维素、木质素和纤维素时，对木质素的利用率低且纤维素酶解转化率低的问题，从而提出了一种木质纤维素生物质的综合利用方法。

为达到上述目的，本发明提供一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；

(b)使用纤维素酶对所述酸水解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣，所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicillium decumbens PD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M 2011195；

(c)用碱溶液处理所述酶解残渣，提取其中的木质素并得到碱解残渣；

(d)将所述碱解残渣返回步骤(b)进行酶解处理或将所述碱解残渣与新的酸水解残渣合并后再进行步骤(b)的酶解处理，然后依次进行步骤(c)和(d)，如此循环，进一步提取木质素和进行纤维素酶解。

所述酸溶液的种类没有特别的限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规使用的酸，例如酸可以为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或几种。

所述酸水解的温度为100-150℃，时间为0.5-3小时，进行所述酸水解时，酸溶液的浓度为0.5-30重量％(如选用的酸为强酸，则酸溶液的浓度较低，约为0.5-5重量％，如选用的酸为弱酸，则酸溶液的浓度较高，约为5-30重量％)。优选磷酸的浓度为1-20重量％。

所述酸溶液磷酸溶液，磷酸溶液的浓度为1-20重量％。

所述木质纤维素生物质可以为玉米秸秆、麦秸、稻秸、甘蔗渣、棉柴、棉子壳、玉米芯、稻草、高粱杆、阔叶木材和木片的一种或几种。

根据原料情况进行预处理，对木质纤维素生物质原料进行切割或粉碎，接着对该秸秆段进行洗涤除尘。

所述纤维素酶解的条件为：底物用量为80-150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55℃、pH为4-6、搅拌转速为50-200rpm，酶解转化时间为2-7天。

纤维素酶解糖化后，可以采用本领域技术人员公知的方法，发酵生产乙醇。

所述碱溶液处理在40-100℃下进行。