CN101381754A

CN101381754A - 一种纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法

Info

Publication number: CN101381754A
Application number: CNA2008102185098A
Authority: CN
Inventors: 林鹿; 庄军平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2009-03-11

Abstract

本发明公开了一种纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法。该方法具体由以下步骤组成：(1)将纤维素原料切片或粉碎，用前湿法备料；(2)将纤维素原料加入亚硫酸盐与碱类化合物水溶液中，亚硫酸盐用量为4％～15％；碱类化合物用量为8％～20％；磺化反应的温度为120～180℃，反应时间为升温时间1～2h，保温时间2～3.5h；(3)将磺化反应得到的不溶于磺化反应溶液的纤维素产物经脱水、洗涤后，在含有缓冲液的纤维素酶反应体系中水解；得到可发酵糖。本发明能够提高从纤维素原料转化产生葡萄糖与木糖等可发酵糖的得率，提高原料利用率，达到经济高效的目的，对于推动生物质能源乙醇的工业化生产具有重要意义。

Description

一种纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法

技术领域

本发明涉及一种纤维素转组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法。

背景技术

能源短缺和环境污染是人类面临的重大挑战。一方面，人们赖以生存的石化燃料正面临着枯竭；另一方面，石化燃料的使用也造成了严重的环境污染。例如大量烃类、芳香类、酚类化合物，以及二氧化硫、氮氧化物和温室气体的排放，已威胁到人类的生存环境。寻找非石油资源、非石油能源生产化工产品和燃料，发展再生能源及其相关产业，创建可持续发展的循环经济模式，已成为当今能源、环境和化工等领域中的一个热点方向。

燃料乙醇作为清洁的可再生能源，受到各国政府、科学研究所和产业界的广泛关注。木质纤维素是地球上最丰富、最廉价且符合可持续发展要求的可再生资源。我国是一个农业大国，每年产生的农业废弃物约有7亿t，除少数秸秆被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外，大多数秸秆被堆放或直接焚烧，不仅造成生物质资源的巨大浪费，也带来严重的环境污染问题。这些农作物秸秆是发展非粮乙醇生物能源的首选原料。

纤维素原料一般含有纤维素35％～45％，半纤维素20％～30％，木质素15％～25％。目前，目前，作为纤维素乙醇制备过程的木质纤维素组分分离处理的主要方法主要有物理法(机械粉碎、高温分解、微波处理、蒸汽爆破、高能辐射、液态热水预处理等)、化学法(碱处理、氨处理、有机溶剂处理、臭氧处理等，是指以化学品作为预处理剂，破坏纤维素的结晶结构，打破木质素与纤维素的连接，同时使半纤维素溶解)、物理化学法和生物法。

物理预处理法如蒸汽爆破法对木质素含量较低的生物物质的效果较好，但能耗较大；生物预处理法周期较长，处理效率较低；氨爆破处理(AFEX)和CO₂爆破法与物理法一样能耗较大，工业生产不太经济；而普通化学法处理即NaOH+Na₂S溶液化学预处理法虽能分离木质素、半纤维素和半纤维素，但分离木质素高度缩合或降解，失去反应活性，很难转化形成高附加值化学品；而半纤维素也大部份水解成糠醛等低分子量物质，同时对后续的酶水解有抑制作用，纤维素也有部分损失。

化学法中，碱处理效果取决于原料中木质素的特性。对于木质素低于18％的草类原料，碱法预处理效果显著。碱预处理的主要作用是去除生物质中的木质素，以提高剩余多聚糖的反应性。使用较多的碱有NaOH、KOH、Ca(OH)₂；NaOH有较强的脱木质素和降低纤维素结晶度的作用，用稀NaOH溶液对木质纤维素进行处理，可使原料得到润胀，从而增加其内部表面积，降低聚合度和结晶度，同时可将木质素与碳水化合物分离。但单独碱处理对半纤维素破坏严重，木质素严重缩合成水不溶性产物，水解糖得率低，很难实现工业化。

生物法是利用自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌够有效地和有选择性地降解植物纤维原料中的木质素，分离纤维素，水解得到可发酵糖。目前国际上研究最多并表现出有效降解能力的白腐真菌。白腐菌处理法作用条件温和，能耗低，具有独特的优势。但处理时间长，造成生产周期长，距实现工业化生产还有一定距离。

经过预处理或未经预处理的纤维素原料可采用水解方法得到葡萄糖等可溶性糖类。纤维素水解有浓酸水解、稀酸水解、酶水解。浓酸水解可在常温、常压下进行，糖得率高，副产物少。浓酸水解工艺较为成熟，适用范围广；然而，由于浓酸的腐蚀性强，很难实现工厂化生产。稀酸水解的温度较高，反应条件较强烈，水解过程中得到的单糖会进一步降解生成对发酵有害的副产品，难以分离，发酵效率低，阻碍了其工业化应用。酶水解是利用纤维素酶复合体系(内切酶、外切酶和葡萄糖苷酶)对纤维素原料进行水解，条件温和，水解糖质量高。但如果没有对原料进行组分有效分离的预处理过程，酶水解过程会很长、水解的葡萄糖等可发酵糖的最终得率很低(以重量比计，<30％)。

因此，发明新型有效的组分分离与酶水解藕合技术与方法是有望实现纤维素转化能源乙醇的规模化工业化生产的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺点，提出一种新的木质纤维素转化能源乙醇的原料组分磺化分离藕合酶水解过程高效产生葡萄糖糖、纤维二糖和木糖等可发酵糖的新方法。

为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法，包括如下步骤：

(1)、纤维素原料筛分：将纤维素原料切片或粉碎，用前湿法备料；

(2)、纤维素原料组分磺化分离：将步骤1的纤维素原料加入亚硫酸盐与碱类化合物水溶液中，相对绝干纤维素原料重量，亚硫酸盐用量为4％～15％；碱类化合物用量为8％～20％；所述亚硫酸盐是Na₂SO₃、CaSO₃、MgSO₃和(NH₄)₂SO₃中的一种；所述碱类化合物为NaOH或NH₄OH；磺化反应的温度为120～180℃，反应时间为升温时间1～2h，保温时间2～3.5h；反应体系中水的用量为纤维素原料重量的4～8倍；

(3)、藕合纤维素酶水解生产可发酵糖：将磺化反应得到的不溶于磺化反应溶液的纤维素产物经脱水、洗涤后，在含有缓冲液的纤维素酶反应体系中水解；纤维素酶反应体系包括纤维素酶、纤维素、半纤维素、缓冲液和水；所述纤维素酶为水解纤维素的酶，其中含有滤纸酶活力200～320U/g，纤维二糖水解酶活力400～600U/g，葡聚糖内切酶活力为300～700U/g，β-葡萄糖苷酶活力为300～750U/g；酶水解pH值为3.2～7.5；酶解温度40～55℃，反应40～100h；所述缓冲液为磷酸氢钠-磷酸氢二钠、醋酸-醋酸钠或柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，以质量体积比计，在反应体系磷酸氢钠-磷酸氢二钠、醋酸-醋酸钠或柠檬酸-柠檬酸钠的浓度为0.05～0.5mol/L；磺化处理后的纤维素原料经纤维素酶水解后得到可发酵糖。

所述纤维素原料为麦草、蔗渣、稻草、玉米秆或木材；以重量百分比计，纤维素原料含有纤维素38％～45％，半纤维素20％～30％和木质素15％～25％，其余为杂质。

所述步骤(2)还包括加入蒽醌作为催化剂，蒽醌的用量为绝干纤维素原料重量0.1％～1.0％。

所述步骤(3)得到的可发酵糖主要包括葡萄糖、纤维二糖和木糖；磺化分离后的原料组分酶解的总水解率为85％～98％。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1)磺化反应能在较温和的条件下脱除纤维素原料中的木质素，分离得到较完整的纤维素，并保留较大部份的半纤维素；

2)磺化反应藕合纤维素酶水解反应，总水解率为85％～98％，高于其它处理方法得到的纤维素水解率，提高了原料利用率；

3)分离的木质素成份以盐形式存在，经浓缩、干燥可制取木质素基表面活性剂类化学品。

4)磺化反应藕合酶水解，反应条件温和，水解得到葡萄糖、纤维二糖和木糖，木糖含量较高，不产生乙醇发酵的抑制物。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。下述实施例中W指重量，V指体积；W/W是指重量比；W/V是指重量体积比；V/V是指体积比。

实施例1

纤维素原料为麦草，以重量比计，其纤维素含量45％，半纤维素含量27％，木质素含量17％，其余为灰分和蜡质等。用前切成3cm左右长后洗涤后湿法备料。将纤维素原料加入亚硫酸盐与碱类化合物水溶液中进行磺化反应，相对于纤维素原料绝干重量，亚硫酸盐用量为8％，NaOH用量20％，加入水量为4倍。磺化反应温度为145℃，升温时间1h，保温时间2.5h；磺化反应木质素脱除率91.2％(相对于原料中的木质素含量)；半纤维素水解率34.3％(相对于原料中的半纤维素含量)；纤维素得率92.4％(相对于原料中的纤维素含量)。将磺化反应得到的不溶于磺化反应溶液的纤维素产物经脱水、洗涤后，在含有缓冲液的纤维素酶反应体系中水解；纤维素酶反应体系包括纤维素酶、纤维素和半纤维素、缓冲液和水；纤维素酶为水解纤维素的酶，水解纤维素酶购自广州酶制剂公司。纤维素酶含有的滤纸酶活力(FPA)310U/g，纤维二糖水解酶活力500U/g，葡聚糖内切酶活力(CMCase)为300U/g，β-葡萄糖苷酶活力(β-Glase)为650U/g。酶水解pH值为3.2；酶解温度45℃，反应时间48h；缓冲液为磷酸氢钠-磷酸氢二钠，浓度0.05mol/L；总水解率为92.7％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；以重量百分比计，水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量71.8％；纤维二糖含量11.3％；木糖含量9.7％。

同样原料经15％的NaOH溶液在165℃条件下反应2.5h后，洗涤后用上述同样的酶经同样的方法水解，总水解率为73.8％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量82.5％；纤维二糖含量10.1％；木糖含量0.4％。

和NaOH处理方法的纤维素酶水解结果相比较，按重量比计，本发明方法的纤维素原料水解率提高19.9％；按同样重量原料水解得到的相应可发酵糖重量计，采用磺化分离藕合酶水解的本发明方法的葡萄糖得率提高9.3％，木糖得率提高31.4倍，说明有较多的半纤维素在磺化处理时被保留下来。同时，预处理温度有所降低；此外，磺化处理溶于反应体系的木质素磺酸盐经浓缩干燥后得率33.6％(相对于纤维素原料绝干重)，可制备木质素基表面活性剂。

实施例2

纤维素原料为马尾松木片，以重量比计，其纤维素含量42％，半纤维素量25％，木质素含量25％，其余为灰分和蜡质等。木片大小面积约8cm²左右。将纤维素原料加入亚硫酸盐与碱类化合物水溶液中进行磺化反应，磺化反应体系中，相对于纤维素原料绝干重量，亚硫酸盐用量为15％，NaOH用量20％，蒽醌用量1.0％，加入水量为8倍。磺化反应温度为180℃，升温时间1.5h，保温时间3.5h；木质素脱除率81.7％(相对于原料中的木质素含量)；半纤维素水解率43.8％(相对于原料中的半纤维素含量)；纤维素得率95.6％(相对于原料中的纤维素含量)，将磺化反应得到的不溶于磺化反应溶液的纤维素产物经脱水、洗涤后在含有缓冲液的纤维素酶反应体系中水解；纤维素酶反应体系包括纤维素酶、纤维素和半纤维素、缓冲液和水；纤维素酶为水解纤维素的酶，水解纤维素酶购自诺维信公司；纤维素酶含有滤纸酶活力(FPA)200U/g，纤维二糖水解酶活力400U/g，葡聚糖内切酶活力(CMCase)为700U/g，β-葡萄糖苷酶活力(β-Glase)为750U/g。酶水解pH值为4.9；酶解温度52℃，反应时间100h；缓冲液为醋酸-醋酸钠，浓度范围为0.12mol/L；总水解率为85.0％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量77.1％；纤维二糖含量9.8％；木糖含量8.7％。

同样原料经同样的磺化处理后，得到的纤维素和半纤维素采用3.5％硫酸在120℃条件下水解72h，总水解率为61.4％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量61.6％；纤维二糖含量18.1％；木糖得率含量0.3％。

和同样磺化处理后但藕合稀硫酸水解方法结果相比较，按重量比计，采用磺化分离藕合酶水解的本发明方法的纤维素原料水解率提高23.6％；按同样重量原料水解得到的相应可发酵糖重量计，采用磺化分离藕合酶水解的本发明方法的葡萄糖得率提高1.7倍，木糖得率提高41.1倍，说明稀硫酸水解对木糖有破坏作用，造成半纤维素利用率的降低，而纤维素酶不会降解和破坏木糖，有利于提高纤维素原料的利用率。此外，磺化处理溶于反应体系的木质素磺酸盐经浓缩干燥后得率38.7％(相对于纤维素原料绝干重)，可制备木质素基表面活性剂。

实施例3

纤维素原料为稻草，以重量比计，纤维素40％，半纤维素33％，木质素15％，其余为灰分和蜡质等。用前洗净并切成3cm长。将纤维素原料加入亚硫酸盐与碱类化合物水溶液中进行磺化反应，相对于纤维素原料绝干重量，亚硫酸盐用量为4％；NH₄OH用量为8％；蒽醌用量0.3％，加入水量为4倍。磺化反应温度为120℃，升温时间1.0h，保温时间3.0h；木质素脱除率91.2％(相对于原料中的木质素含量)；半纤维素水解率47.8％(相对于原料中的半纤维素含量)；纤维素得率96.7％(相对于原料中的纤维素含量)。

将磺化反应得到的不溶于磺化反应溶液的纤维素产物经脱水、洗涤后，在含有缓冲液的纤维素酶反应体系中水解；纤维素酶反应体系包括纤维素酶、纤维素和半纤维素、缓冲液和水；纤维素酶为水解纤维素的酶，磺化后藕合水解纤维素酶购自昊盛公司，其中含有滤纸酶活力320U/g，纤维二糖水解酶活力600U/g，葡聚糖内切酶活力为300U/g，β-葡萄糖苷酶活力为300U/g；酶水解pH值为7.5；酶解温度55℃，反应60h；所述缓冲液为柠檬酸-柠檬酸钠溶液，浓度为0.5mol/L；以重量百分比计，总水解率为98.0％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量77.3％；纤维二糖含量6.1％；木糖含量12.8％。

同样原料未经磺化处理直接用上述的酶按同样的方法水解60h，总水解率为8.8％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量67.6％；纤维二糖含量9.1％；木糖得率含量15.5％。

和未经磺化处理后但藕合酶水解方法结果相比较，按重量比计，采用磺化分离藕合酶水解的本发明方法的纤维素原料水解率提高89.2％；按同样重量原料水解得到的相应可发酵糖重量计，采用磺化分离藕合酶水解的本发明方法的葡萄糖提高12.7倍，木糖提高9.2倍，说明未经磺化处理不利于纤维素酶的水解，造成纤维素原料利用率的降低。此外，磺化处理溶于反应体系的木质素磺酸盐经浓缩干燥后得率28.9％(相对于纤维素原料绝干重)，可制备木质素基表面活性剂。

实施例4

纤维素原料为蔗渣，湿法备料。以重量比计，原料中含纤维素41％，半纤维素30％，木质素17％，其余为灰分和蜡质等。将纤维素原料加入亚硫酸盐与碱类化合物水溶液中进行磺化反应，相对于纤维素原料绝干重量，亚硫酸盐用量为4％；NH₄OH用量为8％；蒽醌用量0.3％，加入水量为5倍。磺化反应温度为130℃，升温时间2.0h，保温时间3.0h；木质素脱除率92.8％(相对于原料中的木质素含量)；半纤维素水解率48.2％(相对于原料中的半纤维素含量)；纤维素得率97.1％(相对于原料中的纤维素含量)。

将磺化反应得到的不溶于磺化反应溶液的纤维素产物经脱水、洗涤后，在含有缓冲液的纤维素酶反应体系中水解；纤维素酶反应体系包括纤维素酶、纤维素和半纤维素、缓冲液和水；纤维素酶为水解纤维素的酶，磺化后藕合水解纤维素酶购自广州酶制剂公司，其中含有滤纸酶活力200U/g，纤维二糖水解酶活力400U/g，葡聚糖内切酶活力为650U/g，β-葡萄糖苷酶活力为750U/g；酶水解pH值为3.2；酶解温度40℃，反应56h；所述缓冲液为醋酸-醋酸钠溶液，浓度为0.1mol/L；以重量百分比计，总水解率为95.0％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量79.6％；纤维二糖含量4.3％；木糖含量7.5％。

同样原料用蒸汽爆破法处理。条件是常压预浸30min，然后在2.5min内升压至0.5Mpa，保持此压力6min；再在2min内将压力升至1.4Mpa后立即爆破放料得到浆料。所得浆料经水洗净后藕合酶水解过程，用上述同样的酶经同样的方法水解，总水解率为78.9％(W/W，相对于水解前的原料绝干重)；水解得到的可溶性糖中葡萄糖含量83.1％；纤维二糖含量7.6％；木糖含量0.04％。

和蒸汽爆破法的纤维素酶水解结果相比较，按重量比计，本发明方法的纤维素原料水解率提高16.1％；按同样重量原料水解得到的相应可发酵糖重量计，采用磺化分离藕合酶水解的本发明方法的葡萄糖得率提高15.6％，木糖得率提高22.6倍，说明半纤维素在磺化处理时被较多地被保留下来，而爆破法处理对半纤维素降解严重。此外，磺化处理溶于反应体系的木质素磺酸盐经浓缩干燥后得率27.2％(相对于纤维素原料绝干重)，可制备木质素基表面活性剂。

Claims

1、一种纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法，其特征在于包括如下步骤：

2、根据权利要求1所述的纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法，其特征在于所述纤维素原料为麦草、蔗渣、稻草、玉米秆或木材；以重量百分比计，纤维素原料含有纤维素38％～45％，半纤维素20％～30％和木质素15％～25％，其余为杂质。

3、根据权利要求1或2所述的纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法，其特征在于所述步骤(2)还包括加入蒽醌作为催化剂，蒽醌的用量为绝干纤维素原料重量0.1％～1.0％。

4、根据权利要求1所述的纤维素组分磺化分离藕合酶水解生产可发酵糖的方法，其特征在于所述步骤(3)得到的可发酵糖主要包括葡萄糖、纤维二糖和木糖；磺化分离后的原料组分酶解的总水解率为85％～98％。