CN103045696A - 一种木质纤维素生物质的综合利用方法 - Google Patents

Abstract

一种木质纤维素生物质的综合利用方法，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)用碱溶液处理酸水解残渣，从而提取碱木质素；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液，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。上述方法提高了纤维素酶解的转化率，实现了对木质纤维素生物质资源综合利用。

Description

一种木质纤维素生物质的综合利用方法

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，因此木质纤维素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，将极大地解决人类的能源问题。但是以木质纤维素生物质为原料生产乙醇的过程中遇到的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，纤维素酶解的转化率低的问题，从而提出一种纤维素酶解的转化率高的木质纤维素生物质综合利用的方法。

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，该方法包括以下步骤：

(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)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；

(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液，然后发酵生产乙醇；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 decumbensPD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC)，保藏单位地址：武汉大学保藏中心。登记入册的编号是CCTCC M 2011195，保藏日期是2011年6月13号。以此菌株为酶解纤维素的菌株。

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％)。所述酸溶液为磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度为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。

所述碱溶液处理在40-100℃下进行。

所述碱溶液处理中液固体积比为5∶1-20∶1。

所述碱溶液处理中碱溶液的浓度为5-8重量％。

所述碱溶液处理的时间为1-6小时。

各种碱都可以用于本发明，包括但不限于氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水等。但是，根据某些优选实施方案，碱溶液为氢氧化钠的水溶液。

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。

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用了先酸水解，再碱解，最后酶解的工艺路线，酸解和碱解完成后大部分半纤维素和木质素被提取，纤维素暴露出来，从而消除了纤维素的空间障碍，使纤维素酶更容易接触纤维素，提高了纤维素的转化率；同时由于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，采用该青霉菌生产的纤维素酶具有较高的活力，进一步提高了纤维素酶解的提取率。

2.本发明所用的由青霉菌培养得到的纤维素酶，在底物用量为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天的条件下，酶解转化率最高。

3、所述酸水解反应的温度为100-150℃，时间为0.5-3小时，该温度和时间下既能将半纤维素水解的比较彻底，又能够阻止酸性条件下高温和反应时间过长对木质素和纤维素的破坏。

4、本发明酸水解所用的酸为磷酸溶液，且磷酸溶液的浓度为1-20重量％时，最大限度避免了破坏木质素及纤维素，且由于磷酸腐蚀性较弱，因此，设备维护简单、使用时间长。

5.采用本发明碱溶液处理的条件最终得到的碱木质素的活性非常高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明工艺流程的示意图。

具体实施方式

下面将通过具体实施例对本发明作进一步的描述。

以下实施例所使用的自制纤维酶均由青霉菌培养得到，具体的培养方法为：

(A)菌种增殖培养

将命名编号为Penicillium decumbens PD-G3-08青霉菌种子液以5％(v/v)的接种量接入到经过121℃灭菌30min的含有种子培养基的发酵罐中进行活化，保持罐压0.02-0.05MPa、通气量0.5vvm、搅拌转速100-150rpm、30℃培养30-60小时，得到活化后的种子液。

所述种子培养基中的组分及用量为：取实施例1的酸水解残渣10-30g/L、麸皮20-50g/L、蛋白胨1-4g/L、硫酸铵2-4g/L、其余为水。

所述种子培养基中的组分及用量优选为：酸水解残渣20g/L、麸皮40g/L、蛋白胨3g/L、硫酸铵3g/L、其余为水。

(B)制备纤维素酶

将步骤(A)获得种子液以10％(v/v)的接种量接入已经灭菌的装有3L发酵培养基的5L发酵罐中，发酵过程中添加消泡剂控制发泡，保持罐压0.02-0.05MPa、通气量0.5-0.6vvm、搅拌转速100-150rpm、30℃培养80-136小时，得到发酵液。

所述发酵培养基中各组分用量分别为：酸水解残渣30-50g/L、麸皮20-50g/L、微晶纤维素或羧甲基纤维素4-8g/L、硫酸铵2-5g/L、磷酸二氢钾2-4g/L、硫酸镁0.4-0.6g/L、其余为水，培养基初始pH为5.0-6.0。

所述发酵培养基中各组分用量优选为：酸水解残渣45g/L、麸皮35g/L、微晶纤维素5g/L、硫酸铵4g/L、磷酸二氢钾3g/L、硫酸镁0.6g/L、其余为水，培养基初始pH为5.0-6.0。

得到的发酵液8000rpm离心取得上清液，即得含有纤维素酶的粗酶液，该粗酶液可直接用于纤维素的酶解。

(二)按下述方法测试以下实施例得到的木质素的各种性能

木质素含量的测定：包括酸不溶木质素及酸可溶木质素。其中酸不溶木质素的测定采用Klason法，根据国标GB/T2677.8-94进行；酸可溶木质素根据国标GB 10337-89进行。

水分的测定：根据GB/T 2667.3-93进行。

以下实施例参照图1。

以下实施例中酸水解温度对应的压力均为饱和水蒸汽的压力，因此不再为每个实施例给出压力数据。

以下实施例中，除有特殊说明外，所用百分含量均表示重量百分含量，即“％”表示“重量％”。

实施例1

(1)酸水解

将10.6kg玉米芯(质量成分组成：水分6.12％、纤维素35.19％、半纤维素32.1％、木质素23.7％、其它2.95％，下同)打碎，用水洗涤除尘，然后用80kg磷酸溶液进行水解，磷酸溶液的质量浓度为15％，酸水解的温度为140℃，时间为0.5小时，水解完成后分离得到的酸水解残渣和戊糖溶液，用10kg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到17.9kg酸水解残渣(含水量为65％左右，半纤维素的绝干含量为13.03％、木质素的绝干含量为32.67％、纤维素的绝干含量为49.27％)和82.07kg戊糖溶液，戊糖溶液的浓度为3.16％。则半纤维素的提取率为76％。

半纤维素提取率的计算公式如下：

半纤维素的提取率％＝(戊糖溶液质量×戊糖溶液浓度)/(玉米芯质量×玉米芯中半纤维素的含量)×100％。

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)中得到全部酸水解残渣与氢氧化钠溶液混合，液固体积比为5∶1，氢氧化钠的浓度为6％，升温至70℃，经过2小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用10kg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到碱解残渣12.83kg(水含量65％左右)和34.78kg的碱木质素溶液，溶液中碱木质素的含量为4.8％，碱木质素的提取率为66％。

碱木质素提取率的公式如下：

碱木质素的提取率％＝(碱木质素溶液的质量×碱木质素溶液中木质素的含量)/(玉米芯质量×玉米芯中木质素的含量)×100％

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbensPD-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，下同)培养得到的纤维素酶，取步骤(2)所述碱溶液处理得到的全部残渣作为纤维素底物，按照15FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为150g/L，在温度为48℃、pH为5.0、搅拌转速50rpm的条件下，酶解转化7天，整个酶解过程无需保压，最后得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为70.47kg，浓度为3.56％，纤维素的提取率达67％。

纤维素的提取率的公式如下：

纤维素的提取率％＝(葡萄糖溶液的质量×葡萄糖溶液的浓度)/(玉米芯质量×玉米芯中纤维素的含量)×100％

葡萄糖溶液生产乙醇的工艺为现有工艺，在此不再赘述，其它实施例相同。

实施例2

(1)酸水解

将10.6kg玉米芯打碎，用水洗涤除尘，然后用80kg磷酸溶液进行水解，磷酸溶液的质量浓度为20％，酸水解的温度为100℃，时间为2小时，水解完成后分离得到的酸水解残渣和戊糖溶液，用10kg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到16.42kg酸水解残渣(含水量为65％左右，半纤维素的绝干含量为11.86％、木质素的绝干含量为32.72％、纤维素的绝干含量为49.95％)和83.56kg戊糖溶液，戊糖溶液的浓度为3.26％。则半纤维素的提取率为80％。

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)得到全部酸水解残渣与氢氧化钠溶液混合，按照液固体积比为20∶1，氢氧化钠的浓度为5％，升温至100℃，经过1小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用10kg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到11.49kg碱解残渣(含水率65％左右)和119.2kg的液体(即碱木质素溶液)，溶液中碱木质素的含量为1.36％，碱木质素的提取率为64％。

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbensPD-G3-08)培养得到的纤维素酶，取步骤(2)所述碱溶液处理得到的残渣12.94kg作为纤维素底物，按照10FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为125g/L，在温度为45℃、pH为6、搅拌转速为200rpm的条件下，酶解转化4天，整个酶解过程无需保压，得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为57.67kg，浓度为4.48％，纤维素的提取率为69％。

实施例3

(1)酸水解

将10.6kg玉米芯打碎，用水洗涤除尘，然后用80kg磷酸溶液进行水解，磷酸溶液的质量浓度为5％，酸水解的温度为150℃，时间为3小时，水解完成后分离得到的酸水解残渣和戊糖溶液，用10kg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到18.01kg酸水解残渣(含水量为65％左右，半纤维素的绝干含量为13.52％、木质素的绝干含量为32.495％、纤维素的绝干含量为49％)和81.98kg戊糖溶液，戊糖溶液的浓度为3.12％。则半纤维素的提取率为75％。

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)中得到的全部酸水解残渣按照实施例1步骤(2)工艺方法进行处理。得到13kg碱解残渣(含水率65％左右)和34.8kg的液体(即碱木质素溶液)，溶液中碱木质素的含量为4.72％，碱木质素提取率为65％。

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbensPD-G3-08)培养得到的纤维素酶，取步骤(2)所述碱溶液处理得到的残渣作为纤维素底物，按照12FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为80g/L，在温度为55℃、pH为4.0、搅拌转速50rpm的条件下，酶解转化2天，整个酶解过程无需保压，得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为72.17kg，浓度为3.48％，纤维素的提取率为67％。

实施例4

(1)酸水解

首先将为11.12kg的麦秸秆(质量成分组成：水分10.1％、纤维素44％、半纤维素22.2％、木质素17％、其它6.7％)打碎，用水洗涤除尘，然后用硫酸溶液进行水解，硫酸的质量浓度为0.5％，进行酸水解的温度为140℃，时间为2小时，得到的酸水解残渣和戊糖溶液，所述酸水解残渣用10kg水清洗后，然后清洗液与戊糖溶液合并，最后得到18.23kg酸水解残渣(含水量为65％左右，半纤维素的绝干含量为7.35％，纤维素的绝干含量为58.05％，木质素的绝干含量为22.92％)和戊糖溶液81.74kg，戊糖浓度为2.45％，半纤维素提取率为81％。

(2)碱溶液提取碱木质素

将本实施例步骤(1)得到全部酸水解残渣与氢氧化钠溶液混合，按照液固体积比为10∶1，氢氧化钠的浓度为8％，升温至40℃，经过6小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用10kg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到14.21kg碱解残渣(含水率65％左右)和65.98kg的液体(即碱木质素溶液)，溶液中碱木质素的含量为1.95％，碱木质素的提取率为68％。

(3)纤维素酶解

所述酶解的条件为：纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbensPD-G3-08)培养得到的纤维素酶，取步骤(2)所述碱溶液处理得到的残渣12.94kg作为纤维素底物，按照10FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为125g/L，在温度为45℃、pH为6、搅拌转速为100rpm的条件下，酶解转化4天，整个酶解过程无需保压，得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为84.84kg，浓度为3.75％，纤维素的提取率为65％。

通过实验发现，酸溶液采用重量百分浓度为30％的弱酸时，对木质素和纤维素的破坏较小，能实现本发明的目的。而磷酸溶液的浓度为1％时，也能够实现本发明，只是酸水解所需要的时间和反应温度需要相应增加。

对比例1

工艺和方法同实施例1，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为70.47kg，浓度为2.5％，纤维素的提取率为48％。

对比例2

工艺和方法同实施例2，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为57.62kg，浓度为3.12％，纤维素的提取率为48％。

对比例3

工艺和方法同实施例4，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为84.83kg，浓度为2.65％，纤维素的提取率为46％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(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)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；

(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述酸水解的温度为100-150℃，时间为0.5-3小时。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于：进行所述酸水解时，酸溶液的浓度为0.5-30重量％。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述酸溶液为磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度为1-20重量％。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理在40-100℃下进行。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理中液固体积比为5∶1-20∶1。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理中碱溶液的浓度为5-8重量％。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于：所述碱溶液处理的时间为1-6小时。

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