[发明专利]一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法。

技术背景

人类在进入21世纪以后，生存发展遭遇了两个瓶颈问题，一个是环境恶化问题，一个是化石能源短缺的问题。为了逐步摆脱对传统能源的过度依赖、减少对环境的污染，许多国家纷纷寻找传统能源的替代物。

燃料乙醇是一种优质的液体燃料，可以直接代替汽油、柴油等石油燃料，是最易工业化的一种民用燃料或内燃机燃料，是最具有发展潜力的石油替代燃料。

目前，生产生物乙醇的生物质原料大致可分为三类：①淀粉类原料(如玉米、小麦、水稻、马铃薯、木薯、红薯)；②含蔗糖类原料(如甘蔗、甜菜、甜高粱、水果)；③木质纤维素(如林业废弃物、秸秆、麦草、玉米芯、甘蔗渣等)。基于“不与人争粮”及价格因素的原则，随着生物乙醇产业的扩大，木质纤维素的优势日益扩大。

由于木质纤维素原料结构复杂，纤维素被半纤维素和木质素包裹形成了更加致密的三维网状空间结构，为了将纤维素降解成葡萄糖必须采取预处理技术，破坏上述三维网状空间结构，增强纤维素酶的可及性。

目前，已经开发出各类提高纤维素转化率的物理、化学预处理方法。在理论上，天然纤维素原料的生物降解不存在原则性困难，可一旦将其工业化时就会出现技术经济难以过关的障碍。由于预处理方法能耗大、成本高，使得纤维素乙醇与当今的石油价格、淀粉乙醇价格比较，在经济效益上还难于在竞争中立足。目前，要降低纤维素乙醇的成产成本，必须实现木质纤维素原料中的各主要组分的综合利用，同时提高产品附加值。

目前，经济性最高的预处理方法为低温稀酸预处理。半纤维素和纤维素酸水解的难易程度不同。在较温和的酸解条件下，半纤维素能够被降解生成木糖、阿拉伯糖等，而纤维素无明显降解。

发明内容

针对上述纤维素乙醇生产经济性差和原料利用充分等不足，本发明的目的在于提供一种以玉米芯为代表的木质纤维素联产木糖、木质素和乙醇的方法，本发明将玉米芯首先在酸性条件下水解，使得半纤维素降解得到木糖；再采用碱液/醇提取工艺，将酸解渣中的木质素提取出来；然后将去木质素残渣进行酶解得到酶解混合液；最后酶解混合液接种酵母发酵产生乙醇。本发明的联产方法，综合利用了木质纤维素原料的三大组分，得到高附加值的木糖和木质素产品，提高酶解底物中的纤维素含量和纤维素酶可及性，实现纤维素酶解的高转化率。该方法使得木质纤维素原料的利用率提高，纤维素乙醇的生产成本下降。

一种玉米芯联产木糖、木质素和乙醇的方法，该方法包括如下步骤：

(1)玉米芯经水洗和稀酸洗后，在酸性条件下水解，固液分离得到木糖溶液和酸解渣；

(2)将上述酸解渣在碱液或醇中提取木质素，固液分离得到木质素溶液和去木质素残渣；

(3)将上述去木质素残渣水洗后作为酶解底物，加入酶解缓冲液，然后加入酶进行酶解，得到酶解混合液；

(4)将上述酶解混合液接种酵母发酵得到乙醇溶液。

其中，步骤(1)为半纤维的利用和纤维素乙醇的酸预处理过程，步骤(2)为木质素的提取和酸解渣的脱毒过程，步骤(3)为酶催化纤维素水解糖化过程，(4)为酶解混合液发酵产乙醇过程。

步骤(1)所述水洗为用常温水冲洗玉米芯；所述稀酸洗为用浓度(重量百分数)为0.05％～0.20％的稀酸冲洗玉米芯；所述酸性条件下水解是指玉米芯作为酸解底物在酸的浓度(重量百分数)为0.5％～5％，酸解底物(干基计)的重量百分数为5％～20％的条件下，在100～150℃酸解0.2～4.0h。所述的酸可以为硫酸、盐酸、磷酸、甲酸、乙酸、草酸中的一种或者几种。

优选的酸解条件是，在1.0～1.5％硫酸浓度，温度120～125℃的条件下，酸解2h，酸解底物(干基计)的重量百分数为10％～15％。

步骤(2)中所述的碱液提取木质素的条件为：碱液的浓度为0.1～2.0mol/L，温度50～100℃，提取时间0.5～1.0h，酸解渣与碱液的重量体积比为1g∶10～50mL。所述的碱可以为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或者几种。

优选的条件是：浓度为0.4～0.6mol/L的NaOH溶液在温度70～90℃的温度下，提取时间0.5h，酸解渣与碱液的重量体积比为1g∶25～45mL。

用碱液提取木质素的方法得到的木质素溶液在用硫酸将pH值调至2～5后，静置，然后固液分离得到碱木素。