[发明专利]一种提高木质纤维素生物降解效率的预处理体系及其应用

说明书

本发明属于木质纤维素原料预处理技术领域，具体涉及一种提高木质纤维素原料生物降解效率的预处理体系及其应用。所述预处理体系是由亚铁化合物、过氧化物和巯基化合物配制成的溶液，其中亚铁化合物3~9mmol/L、过氧化物0.2~1.6mol/L、巯基化合物0.008~0.128mol/L。通过在传统芬顿反应体系中加入巯基化合物，极大的缩短了预处理时间，提高了预处理效率；本发明将上述预处理体系应用于木质纤维素生物降解，从而将芬顿催化反应与木质纤维素的酶解与生物发酵相结合，有效提高了木质纤维素原料的降解效率和利用率。

技术领域

本发明属于木质纤维素原料预处理技术领域，具体涉及一种提高木质纤维素生物降解效率的预处理体系及其应用。

背景技术

为了解决由于石化资源的日益枯竭带来的全球能源危机，探索开发可再生的生物质资源的合理利用显得尤为重要。以农林残留物为代表的木质纤维素生物质是一种产量极为丰富的可再生资源，广泛分布于全球各地，被认为是替代石化资源最有潜力的可再生资源。木质纤维素中的纤维素和半纤维素碳水化合物可以通过生物酶解得到单糖平台化合物，进而经过微生物发酵生产乙醇、丁醇等生物燃料，或利用化学催化转化生产木糖醇、琥珀酸和乳酸等精细化学品。然而木质纤维素在长期的生物进化过程中形成的复杂且紧密的结构，给木质纤维素生物质资源的转化和利用带来了严峻挑战，因此在利用木质纤维素原料时必需要经过预处理破坏或减弱木质纤维素固有的抗降解屏障，方能使其碳水化合物高效酶解糖化，进而转化为高价值的生物质燃料或精细化学品。为此，国内外相继报道了酸、碱、蒸汽爆炸、氨纤维爆炸、有机溶剂、离子液体、水热等多种预处理方法。虽然这些预处理方法可以在不同程度上提高碳水化合物的酶解效率，但严苛的预处理条件往往会造成原料的大量损失和结构的破坏。此外，现有技术存在的环境污染、成本高、溶剂回收困难、能耗高等问题也严重制约了这些预处理方法的规模化应用。理想的预处理方法应能最大限度保留纤维素、半纤维素和木质素的量，且保持其原有结构不被破坏；不仅促进碳水化合物的酶促转化，而且能保持木质素高值转化潜力，同时要环境友好、经济可行。

受白腐菌通过芬顿反应消解木质纤维素的启发，近年来芬顿反应被广泛用于环境有机污染物的降解。最近芬顿反应也被用来预处理木质纤维素，以提高其纤维素酶解效率。现有研究发现，芬顿预处理能够在最大程度保留其纤维素、木质素和半纤维素的情况下，能够显著提高不同种类木质纤维素的酶解效率（平均提高212%）。虽然有效，但基于亚铁离子和过氧化氢的传统芬顿反应在预处理过程中存在反应速度较慢（一般要48h以上）、过氧化氢的利用率低等问题，使得芬顿催化反应在木质纤维素原料预处理的实际应用受到一定限制。为此，现有技术中有一些关于改善传统芬顿反应体系在木质纤维素降解中的应用研究，如专利CN104141016B公开了一种纤维素的光催化自由基降解法，利用光促芬顿反应，在纤维素秸秆中加入纳米光催化剂产生自由基，从而在不使用有机溶剂、无需加热的条件下，建立了一种比现有强酸、强碱降解方法更温和的纤维素降解方法。但是该方法需要用到特殊的纳米光催化剂和光照装置，增加了操作复杂性和预处理成本；另外由于木质纤维素在水溶液中非均相存在，光透过性差，会造成光促芬顿反应效果受到限制；不仅如此，该方法还会涉及到光催化剂失活、回收再利用等问题，这些因素都会限制其实际应用效果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种提高木质纤维素生物降解效率的预处理体系，通过在传统芬顿反应体系中加入巯基化合物，极大的缩短了预处理时间，提高了预处理效率；基于一个总的发明构思，本发明还包括上述预处理体系在木质纤维素生物降解，包括生物酶解和发酵中的应用，从而将芬顿催化反应与木质纤维素的生物降解相结合，有效提高了木质纤维素原料的降解效率和利用率。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高木质纤维素原料生物降解效率的预处理体系，所述预处理体系是由亚铁化合物、过氧化物和巯基化合物配制成的溶液，其中亚铁化合物3~9mmol/L、过氧化物0.2~1.6mol/L、巯基化合物0.008~0.128mol/L；