CN101608194A - 一种降解木质纤维生物质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降解木质纤维生物质的方法。该方法是对待降解的木质纤维生物质进行蒸汽爆破处理，向得到的蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥进行厌氧发酵。降解过程改变了木质素和纤维素、半纤维素的空间结构，并将大部分可利用糖都被降解出来。而且，降解得到的糖有较少的抑制物产生，非常有利于下一步生物燃料的生物转化生成，在工业上有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种降解木质纤维生物质的方法。
背景技术
21世纪以来，煤炭、石油、天然气等化石燃料的不可再生性，以及石油炼制产业引起的温室效应、酸雨、粉尘污染等种种环境问题，极大的推动了风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等可再生能源产业的研究和发展。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。在我国，生物质能占全部能源消耗总量的20％。但长期以来，生物质能在我国商业用能结构中的比率极小，其主要是作为一次能源在农村利用，约占农村总能耗的70％左右。
美国国会对于生物质定义如下：生物质是在一个可循环的基础上可利用的，包括能量作物、农业食物和饲料作物剩余物、水生植物、木材和木材残余物、动物废物和其它废物材料。生物质利用光合作用固定大气中的CO2，同时在生物质的燃烧和微生物分解过程中，产生的CO2又排放到大气中，经过光合作用，大气中的CO2再次被植物吸收固定，形成循环。因此以生物质为基础的结构是可持续发展的。全球范围内每年通过光合作用生产1.7×1011吨生物质，然而却只有3.5％得到利用。目前，以可再生生物质为基础的生物炼制产业正在全球范围内积极发展。生物炼制利用生物质，借助生物、化学、物理等加工技术手段，得到燃料、化学品、材料、农产品等多种产物，用于生活和工农业生产。
生物炼制作为一个相对比较年轻的研究领域，系统的研究和开发主要是在欧洲进行的，而工业领域的发展则主要是在美国。美国生物质技术顾问委员会开展了一个关于生物能量、生物燃料和生物产物的长期计划和目标，基于生物质的运输燃料将从2001年占美国燃料消耗的0.5％增长到2030年的20％。从2006年1月1日起，我国开始施行《中华人民共和国可再生能源法》，将大大促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展。在生物炼制中，基于生物原料的燃料包括固体、液体和气体三种形式，生物柴油、乙醇、甲醇、甲烷和氢气等，是目前世界上广泛关注的几种能源形式。
据测算，中国理论生物质能资源为50亿吨左右标准煤，是目前中国总能耗的4倍左右，其中农作物秸秆类占到50％以上，如果能将这些生物质充分利用进行生物燃料的生产，将大大促进我国经济的发展，以弥补将来能源不足的局面。利用生物质进行生物燃料的生产加工主要有热化学和生物转化两种方法。生物转化过程相比热化学方法有更低的能量消耗需求，相反的是，富能的最终产物氢气或者甲烷被生产，被称为“双重能量效益(Dual energy benefit)”。
生物燃料比如乙醇、甲醇、甲烷和氢气等生产的第一步，就是进料——生物质。秸秆、木材废弃物等木质纤维生物质，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成。木质纤维生物质有55～75％的干重是碳水化合物。纤维素(C6H10O5)n是天然高分子化合物，与淀粉的通式相同，是葡萄糖的聚合物，然而和淀粉不同的是，纤维素特殊结构支持聚合物链紧密装配，为高晶质结构，具有水不溶解和抵抗脱聚作用。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。半纤维素和纤维素微纤维的氢键形成一个网络，都成植物细胞壁的结构骨架。木质素的存在进一步的提高细胞壁韧度，并且赋予植物对抗害虫和疾病的能力。纤维素和半纤维素是可发酵糖的潜力来源而细胞壁中木质素的存在阻止了细胞或者酶的水解。
木质纤维生物质在自然生态循环中无时无刻不在发生转化利用过程，大部分植物残体进入土壤而完成能量与物质循环，这是一个极缓慢而人类又无法直接获得所需要能量和物质的过程，在经济上是一个无效的循环过程。从生态学、酶学和化学酸水解的角度看，在工艺原理上，木质纤维生物质是不难降解成小分子的，但一旦进行工业生产，就会出现技术或经济上难以解决的问题。虽然原料易得且便宜，但至今未能实现高效转化利用木质纤维生物质。在目前的甲烷发酵中，秸秆的转化率低而且严重影响产气率，技术不稳定，实际上主要依靠家畜和高浓度有机废弃物生产沼气；秸秆气化集中供气系统存在产生的燃气燃值低、焦油问题严重、投资大、运转时间短、成本高等问题，在国内主要还是依靠国家政策补贴进行推广。
目前，用富含纤维素的生物质生产糖存在以下四个障碍：(1)尽管原料的材料费用低，但生物量相当分散，收集代价高；(2)由于纤维素具有水不溶性的高结晶构造，其外围又被木质素包围着，要把它水解成可利用的葡萄糖相当困难；(3)纤维素链很难被水解成为葡萄糖和其它糖；(4)植物种类、年龄和培养不同，细胞壁中木质素和半纤维素含量也不同。
在木质纤维生物质预处理过程中，应尽可能保存戊糖(半纤维素)片断，降低前处理催化剂费用，使用廉价的催化剂，同时必须考虑到该预处理结果对下游工艺步骤费用，操作费用、资本费用和生物量费用的影响。
木质纤维生物质的预处理方法有物理法，化学法，以及生物方法或这些方法相结合。物理方法包括蒸汽爆破、液体热水处理方法；化学方法包括酸、石灰和氨等处理方法；生物方法包括利用白腐菌等进行处理的方法。三种方法各有其优缺点：物理预处理方法能够一定程度改变木质纤维结构，但不能保证水解的完全；而化学方法大量使用酸、氧化剂、敏化剂等化学试剂，选择性差，降解过程有许多副产物产生，且降解反应条件较为苛刻，后处理困难，大量副产物会严重抑制微生物的繁殖和生物转化作用；生物预处理方法中，细胞中的酶分子催化降解木质素或者将纤维素水解成葡萄糖，选择性高，反应条件温和，环境友好，是理想的洁净工艺，但是预处理时间较长。
因此，需要一种既能够充分改变木质纤维生物质结构，将纤维素或者半纤维素降解为低糖类便于微生物利用，又没有大量抑制性副产物产生的洁净工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种降解木质纤维生物质的方法。
本发明所提供的降解木质纤维生物质的方法，是对待降解的木质纤维生物质进行蒸汽爆破处理，向得到的蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥进行厌氧发酵。
其中，所述蒸汽爆破处理的条件具体可为：压力1～3MPa，爆破时间1～30min。综合考虑处理时间、效果和处理产物成分的抑制作用等因素，蒸汽爆破处理的条件优选为压力1.6MPa，爆破时间5min。
上述方法中，在向得到的蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥之前，可将蒸汽爆破处理物的pH调至4.0～6.5，优选将蒸汽爆破处理物的pH调至4.5～5.5。
其中，所述厌氧污泥可在接入前，进行如下热处理：60～100℃处理5～30分钟。所述热处理优选为90～100℃处理15～20分钟。
所述厌氧污泥在接入前，也可不进行热处理。
在向得到的蒸汽爆破处理物中接入的是热处理厌氧污泥时，所述厌氧发酵温度为20～65℃，优选为37℃～55℃；在向得到的蒸汽爆破处理物中接入的是未经如上热处理厌氧污泥时，所述厌氧发酵温度为20～65℃，优选为37℃～55℃。
厌氧污泥作为混合菌群起到很好的水解作用，但为了进一步促进水解过程，得到更多的可以利用的糖类物质在上述方法中又引入降解纤维素的高效菌，和厌氧污泥组合成高效、稳定的复合菌群。
所述降解纤维素的高效菌为热纤维梭菌。热纤维梭菌为嗜温菌，最佳培养温度为55～60℃。该菌含有纤维小体结构，纤维小体是结合于细胞表面包含内葡聚酶、木聚糖酶、几丁质酶等多个酶的单元结构，能够有效的降解纤维素。
为了提供热纤维梭菌的适宜降解条件，所述方法中，在接入所述厌氧污泥或经热处理的厌氧污泥之前，将蒸汽爆破处理物的pH调至5.5～6.0，再接入所述厌氧污泥和热纤维梭菌，或经热处理的厌氧污泥和热纤维梭菌。
接入所述热纤维梭菌后进行发酵，所述厌氧发酵温度为55～60℃，优选为55℃。
本发明的降解木质纤维生物质的方法可用于降解能量作物、农业食物和饲料作物剩余物、水生植物、木材和木材残余物、动物废物和其它废物材；如玉米秸秆。
本发明采取物理和生物结合的方法降解木质纤维生物质。其中，初步的物理处理给进一步的降解提供了一定的有利条件，初步改变了木质素和纤维素、半纤维素的空间结构，便于进一步降解。本发明所采用的物理处理是蒸汽爆破处理；为了使发酵底物中含有较少的抑制物和更多的糖类，必须采取进一步的生物处理。木质纤维作为复杂结构的混合物，仅仅依靠单一的微生物是无法起到完全水解的作用，必须构建微生物混合体系，通过混合菌群的作用协同完成生物质的降解强化过程，所以本发明采用的生物处理方法包括向得到的蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥进行厌氧发酵，降解木质素和纤维素、半纤维素；为了进一步促进水解过程，上述方法中又引入热纤维梭菌，该热纤维梭菌和厌氧污泥组合成高效、稳定的复合菌群。实验证明，用本发明的降解木质纤维生物质的方法降解玉米秸秆，按照玉米秸秆的物质组成估算，其中的大部分可利用糖都被水解出来。而且，水解得到的糖有较少的抑制物产生，非常有利于下一步生物燃料的生物转化生成，在工业上有很好的应用前景。
具体实施方式
本发明以玉米秸秆为例，阐明了本发明的降解木质纤维生物质的方法。具体的实验方法和实验结果如下：
实施例1、降解木质纤维生物质
一、生物质原料
自北京市郊区采集玉米秸秆，作为发酵生物质原料。参照国家标准GB/T2677.10-1995、GB/T10337-1989、GB/T2677.8-1994和GB/T747-1989测定玉米秸秆的纤维素含量、半纤维素含量，木质素含量，经分析该玉米秸秆中纤维素含量为35.1％，半纤维素含量为7.2％，木质素含量为18.3％，灰分含量为13.9％，其他成分含25.5％。
二、木质纤维生物质处理
木质纤维生物质处理包括如下步骤：
1、蒸汽爆破处理
综合考虑预处理时间、效果、预处理产物成分的抑制作用等因素，首先选择蒸汽爆破的物理处理方法，将玉米秸秆切成5cm长度片段，蒸汽爆破处理的条件为压力1.6MPa，爆破时间为5min。初步的物理处理给予水解提供了一定的有利条件，初步改变了木质素和纤维素、半纤维素的空间结构，便于进一步水解。
2、生物处理
在生物转化中，发酵底物中应含有较少的抑制物和更多的糖类，因此必须采取进一步的生物预处理方法。而生物预处理方法必须保证高效、稳定。木质纤维作为复杂结构的混合物，仅仅依靠单一的微生物是无法起到完全降解的作用，必须构建微生物混合体系，通过混合菌群的作用协同完成生物质的降解强化过程。
因此，向蒸汽爆破处理物中加入水，使生物质固体和水的质量比例为1∶20，然后采取下述1)-5)中任一处理：
下述1)-5)中的处理均在厌氧条件下进行，通过氮气吹扫的方式去除空气中的氧气，氧化还原电位为-250～100mV；所用的厌氧污泥均采集自河北威远生物药业三厂污水处理车间，是对工业污水进行厌氧处理得到的由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质形成的污泥颗粒。
1)厌氧污泥在接入前，先进行热处理；热处理条件为100℃条件下加热厌氧污泥15分钟。
先将蒸汽爆破处理物和水的混合物的pH调至5.5；然后接入经上述热处理的厌氧污泥，使经上述热处理的厌氧污泥与蒸汽爆破处理物质量比例为1∶1，进行厌氧发酵；发酵6天；发酵温度为37℃。
2)厌氧污泥在接入前，先进行热处理；热处理条件为100℃条件下加热厌氧污泥15分钟。
先将蒸汽爆破处理物的pH调至5.5左右；然后接入上述热处理的厌氧污泥，使经上述热处理的厌氧污泥与蒸汽爆破处理物质量比例为1∶1，进行厌氧发酵；发酵6天；发酵温度为55℃。
3)先将蒸汽爆破处理物的pH调至5.5左右；然后接入厌氧污泥，使厌氧污泥与蒸汽爆破处理物质量比例为1∶1，进行发酵；发酵6天；发酵温度为55℃。
4)厌氧污泥在接入前，先进行热处理；热处理条件为100℃条件下加热厌氧污泥15分钟。
先将蒸汽爆破处理物的pH调至5.5；然后接入经上述热处理的厌氧污泥和热纤维梭菌(Clostridium thermocellum ATCC 27405，购买自美国标准生物品收藏中心ATCC机构)，使经上述热处理的厌氧污泥与蒸汽爆破处理物质量比例为1∶1，使热纤维梭菌的含量为2×108CFU/ml，进行发酵；发酵5天；发酵温度为55℃。
用于接种的热纤维梭菌菌液按如下方法制得：将热纤维梭菌接入到热纤维梭菌培养基制成热纤维梭菌菌液。每升热纤维梭菌培养基的组分为纤维二糖(或者结晶纤维素)10g、磷酸二氢钾1.5g、磷酸氢二钠4.2g、氯化氨0.5g、氯化镁0.18g、酵母提取物2.0g、维他命溶液0.5ml、矿物质溶液1.0ml；每升维他命溶液包括生物素20mg、邻氨基苯甲酸50mg、叶酸20mg、尼克酸50mg、硫胺素50mg、核黄素50mg、硫辛酸50mg、氰基钴胺素10mg；每升矿物质溶液包括次氨基三乙酸钠20.2g、三氯化铁2.1g、氯化钴2.0g、氯化锰1.0g、氯化锌1.0g、氯化镍1.0g、氯化钙0.5g、硫酸铜0.5g、钼酸钠0.5g。
5)先将蒸汽爆破处理物的pH调至5.5；然后接入厌氧污泥和热纤维梭菌(Clostridium thermocellum ATCC 27405，购买自美国标准生物品收藏中心ATCC机构)，使厌氧污泥与蒸汽爆破处理物质量比例为1∶1，使热纤维梭菌的含量为2×108CFU/ml，进行发酵；发酵5天；发酵温度为55℃。
热纤维梭菌菌液按上述4)中的方法制得。
用高压液相色谱方法(Shimadzu 10A高压液相色谱仪，FID示差检测器，ShimadzuSCR-102H色谱柱，流动相为5mM的HClO4，流速为1ml/min)测定发酵液中丙酮酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、乙醇；用硫酸-苯酚法得到总糖含量(Dubois M，GillesKA，Hami lton JK，Rebers PA，Smi th FL.Colorimetric method for determinationof sugars and related substances.Anal Chem 1956；28：350-356)。
蒸汽爆破预处理后，用1)至5)任一所述的生物处理方法降解玉米秸秆后的有机物分布及得糖量结果如表1所示。
表1.有机物分布及得糖量
结果表明：用1)的处理方法，1kg生物质可以得到0.2kg的总糖，其中水解产物中含有少量的丙酮酸、琥珀酸、乳酸、甲酸、乙酸、乙醇和丁酸，但并不影响下一步的发酵菌群生产生物燃料，比如生物燃气氢气、甲烷等的生产；用2)的处理方法，1kg生物质可以得到0.38kg的总糖，有机酸醇类有所减小产生。用3)的处理方法，1kg生物质可以得到0.4kg的总糖，得糖率有少量提高，有机酸醇类有所减小，无琥珀酸、甲酸和乙醇产生，更有利于下一步生物燃料的高效转化。用4)的处理方法，1kg生物质可以得到0.46kg的总糖，得糖率有较大量提高，有机酸醇类有所减小；用4)的处理方法，1kg生物质可以得到0.48kg的总糖，得糖率有进一步提高，有机酸醇类进一步减小，无琥珀酸和甲酸产生，1kg玉米秸秆木质纤维生物质的得糖率为48％(按质量计算)。
Claims (9)
1、一种降解木质纤维生物质的方法，是对待降解的木质纤维生物质进行蒸汽爆破处理，向得到的蒸汽爆破处理物中接入厌氧污泥进行厌氧发酵。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述蒸汽爆破处理的条件如下：压力为1～3MPa，爆破时间为1～30min，所述蒸汽爆破处理优选压力为1.6MPa爆破5min。
3、根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于：所述方法中，在接入之前，所述厌氧污泥还经如下热处理：60～100℃处理5～30分钟；所述热处理优选为100℃处理15分钟。
4、根据权利要求1、2、或3所述的方法，其特征在于：所述方法中，在接入所述厌氧污泥之前，将蒸汽爆破处理物的pH调至4.5～6.0。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法中，向得到的蒸汽爆破处理物中还接入热纤维梭菌。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述厌氧发酵温度为55～60℃，优选为55℃。
7、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述方法中，在接入所述厌氧污泥之前，将蒸汽爆破处理物的pH调至4.0～6.5，优选将蒸汽爆破处理物的pH调至5.5；所述厌氧发酵温度为20～65℃，优选为37℃～55℃。
8、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述方法中，在接入所述厌氧污泥之前，将蒸汽爆破处理物的pH调至4.0～6.5，优选将蒸汽爆破处理物的pH调至4.5～6.0；所述厌氧发酵温度为20～65℃，优选为55℃。
9、根据权利要求1至8所述的方法，其特征在于：所述木质纤维生物质为玉米秸秆。
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