CN103361392A

CN103361392A - 一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法

Info

Publication number: CN103361392A
Application number: CN2013101991223A
Authority: CN
Inventors: 袁其朋; 李梦华; 范晓光; 张靖坤; 王世曾
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2013-05-25
Filing date: 2013-05-25
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法，首先以SO₂气体作为酸性介质催化木质纤维原料水解得到富含木糖的溶液，再利用纤维素酶酶解剩余固渣得到葡萄糖溶液。由于SO₂气体在水中的溶解度随温度的升高而降低，便于脱除和再收集使用，且水解后剩余固渣中酸含量极低、易于酶解，有效的解决了木质纤维原料制糖过程中含酸废水排放量高、废渣利用率低的问题，实现了木质纤维原料的高效利用。

Description

一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法

技术领域

本发明属于生物化工领域，特别涉及利用酸性气体SO₂催化木质纤维原料水解得到富含木糖的溶液，再利用纤维素酶酶解剩余固渣得到葡萄糖溶液的方法。

背景技术

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源之一，据测算年总产量高达1500亿吨，蕴藏着巨大的生物质能。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素是植物细胞壁的主要组成成分，半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，木质素则作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素。

木质纤维素原料包括农业废弃物、工业废弃物、林业废弃物以及城市固体废弃物等。木质纤维素经过降解可以得到可发酵糖用于后续的生物炼制过程。例如，半纤维素可以降解为木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等，其中木糖为半纤维素降解糖的主要成分；纤维素降解可以得到葡萄糖。上述糖经处理后可以通过生物转化得到生物燃料和生物基化学品等，具有很高的经济价值和环境价值。

木质纤维素中半纤维素是最容易降解的组分，而纤维素则由于植物细胞壁的表面结构和自身的晶体结构而难于被降解。目前，对于纤维素的降解主要依靠纤维素酶的作用，而果胶、半纤维素和木质素的交联结构及植物细胞壁的纤维素微纤丝限制了水解酶与纤维素的可及度，因此往往需要通过预处理打破原有的平衡结构，促进酶解反应的进行。常用的木质纤维原料预处理方法分为物理法、化学法、物理化学法和生物法等，许多成果已经转化为专利。例如，ZL200810057041.9和ZL201010197815.5使用酸处理木质纤维素原料得到糖液，但该方法酸用量较大，且无法回收，废水排放污染严重；ZL200810023479.5和ZL200910264392.1使用蒸汽爆破对木质纤维原料进行预处理，再通过木聚糖酶、纤维素酶、葡萄糖苷酶酶解制糖，该方法虽然不使用酸、碱等化学试剂，整个工艺较为环保，但酶解收率较低，且半纤维素降解产物多为低聚木糖，无法被微生物利用；ZL200710011882.1和专利201010226103.1使用离子液体将半纤维素和纤维素组分溶解，再加入酶或无机酸催化降解得到单糖，该方法反应条件较温和，但离子液体成本较高，加入量较大且难于回收，不适用于工业化生产。

鉴于上述发明存在的不足，同时考虑工业放大的要求，本发明使用SO ₂酸性气体代替硫酸作为催化剂，水解半纤维素得到富含木糖的溶液；再利用纤维素酶处理水解后剩余残渣得到葡萄糖溶液。利用上述方法能够分别得到五碳糖和六碳糖两种可发酵糖，可以根据需要有针对性的选择微生物进行生物炼制；同时，SO₂可以反复收集循环使用，从而有效减少了催化剂的污染和废水排放。本发明适用于木质纤维原料，尤其是农业废弃物资源，对设备要求简单，可操作性强，易于大规模生产。

发明内容

本发明主要包括以下技术方案：

一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法，其特征在于：

对木质纤维原料进行粉碎后过20目筛，收集20目以上的物料。所述的木质纤维素原料可以是玉米芯、玉米秸秆、甘蔗渣、棉籽壳中的一种。

向密闭反应釜注入去离子水，打开进气阀，通入SO₂气体，通气量为去离子水质量的1%-5%。关闭进气阀，调节反应釜转速为50-150rpm，搅拌20-40min使气液两相达到平衡。

从密闭反应釜的进料口加入相当于SO₂水溶液质量1/20-1/7的物料，调节搅拌转速为50-200rpm，加热升温，进行水解反应。控制反应温度为140-170℃，反应时间为0.5-2.5h。反应结束后，停止加热，开启放气阀，使SO₂气体排入到装有去离子水的收集罐中，注意控制流速，防止SO₂气体倒吸。待釜内温度降至110-130℃时，全开放气阀，维温30-60min，使釜内SO₂气体尽可能的排除干净。收集的SO₂-水溶液可以回复使用多次。

脱除SO₂气体后，用冷水冷却釜体至室温。开启密闭反应釜的出料口，收集料液。减压过滤进行固液分离，液体部分为木质纤维原料半纤维素降解后得到的富含木糖的溶液，固体部分主要为剩余的纤维素、木质素和其他成分。

收集剩余固渣，水洗二至四次后，减压干燥至恒重。配置pH4.8的醋酸缓冲溶液或柠檬酸缓冲溶液，向其中加入水洗后的固渣，固液比（m/m）为1/8-1/15。加入纤维素酶进行酶解反应，加酶量为水洗后固渣干重的1%-5%，其中酶解温度为40-60℃，搅拌转速为120-170rpm，酶解时间为48-72h。本实验室所用的纤维素酶品种有诺维信Cellic CTec 2液体酶、帝斯曼固体酶及和氏璧固体酶。

酶解结束后离心（3000-5000rpm,5-15min），收集上清，得到富含葡萄糖的溶液。剩余残渣主要为木质素和其他成分。

用高效液相色谱分析上述两步处理得到的糖液，计算单糖收率和半纤维素、纤维素的降解率。检测条件如下：色谱仪为日立L7000高效液相色谱仪；色谱柱为Waters sugar pak糖分析柱；检测器为示差折光检测器；流动相为超纯水；流速0.5ml/min；柱温80℃。

本发明采用SO₂和酶催化木质纤维原料降解制备可发酵糖，与现有的半纤维素水解和纤维素酶解技术相比具有以下优势：

1有效实现了木质纤维原料的分级利用，既解决了硫酸水解半纤维素工艺中酸用量高的问题，又解决了纤维素酶解工艺中前处理（蒸汽爆破、离子液体等）条件苛刻的问题。整个工艺操作简单，设备投资小、实用性强。

2利用SO₂气体易挥发的特点，对酸性催化剂进行回收利用。水解后剩余固渣中酸含量极低，无需大量水冲洗即可进行酶解过程。两步处理得到的糖液 pH较高、透光率好、副降解产物少（如糠醛、羟甲基糠醛、甲酸、乙酸、酚类化合物等），可发酵性能优越。

具体实施方式

实施例1

将玉米芯粉碎后过20目筛，收集20目以上的玉米芯，称取80g备用。向密闭反应釜中加入800ml去离子水，并通入相当于去离子水质量4%的SO₂气体，调节转速为100rpm，常温搅拌40min使气液两相达到平衡。将称好的玉米芯加入到釜中，设定搅拌转速100rpm，反应温度140℃，反应2h。反应结束后，停止加热，开启放气阀，使SO₂气体排入到装有去离子水的收集罐中，注意控制流速，防止SO₂气体倒吸。待釜内温度降至120℃时，全开放气阀，维温50min，排出釜内剩余的SO₂气体。用冷水使釜体冷却至室温后，收集料液。减压过滤进行固液分离，将固体部分用水洗3次，减压干燥至恒重后加入pH4.8的醋酸缓冲溶液，固液比（m/m）为1/10。使用诺维信Cellic CTec 2酶进行酶解，加酶量为固渣质量的5%，温度控制在50℃，转速130rpm，酶解60h。酶解结束后离心（5000rpm,10min），收集上清，得到富含葡萄糖的溶液。用高效液相色谱分析上述两步处理得到的糖液，其中木糖收率为0.2135 g/g玉米芯，葡萄糖收率为0.3412 g/g玉米芯，半纤维素降解率为65.8%，纤维素降解率为85.3%。

实施例2

将玉米秸秆粉碎后过20目筛，收集20目以上的玉米秸秆，称取80g备用。向密闭反应釜中加入1L去离子水，并通入相当于去离子水质量3%的SO₂气体，调节转速为130rpm，常温搅拌20min使气液两相达到平衡。将称好的玉米秸秆加入到釜中，设定搅拌转速150rpm，反应温度150℃，反应1.5h。反应结束后，停止加热，开启放气阀，使SO₂气体排入到装有去离子水的收集罐中，注意控制流速，防止SO₂气体倒吸。待釜内温度降至120℃时，全开放气阀，维温40min，排出釜内剩余的SO₂气体。用冷水使釜体冷却至室温后，收集料液。减压过滤进行固液分离，将固体部分用水洗4次，减压干燥至恒重后加入pH4.8的柠檬酸缓冲溶液，固液比1/10。使用帝斯曼X-Cell酶进行酶解，加酶量为固渣质量的5%，控制温度60℃，转速120rpm，酶解72h。酶解结束后离心（4500rpm,10min），收集上清，得到富含葡萄糖的溶液。用高效液相色谱分析上述两步处理得到的糖液，其中木糖收率为0.1847 g/g玉米秸秆，葡萄糖收率为0.3067 g/g玉米秸秆，半纤维素降解率为75.6%，纤维素降解率为80.7%。

实施例3

将甘蔗渣粉碎后过20目筛，收集20目以上的甘蔗渣，称取80g备用。向密闭反应釜中加入800ml去离子水，并通入相当于去离子水质量3%的SO₂气体，调节转速为100rpm，常温搅拌30min使气液两相达到平衡。将称好的甘蔗渣加入到釜中，设定搅拌转速150rpm，反应温度160℃，反应1h。反应结束后，停止加热，开启放气阀，使SO₂气体排入到装有去离子水的收集罐中，注意控制流速，防止SO₂气体倒吸。待釜内温度降至130℃时，全开放气阀，维温30min，排出釜内剩余的SO₂气体。用冷水使釜体冷却至室温后，收集料液。减压过滤进行固液分离，将固体部分用水洗3次，减压干燥至恒重后加入pH4.8的醋酸缓冲溶液，固液比1/15。使用和氏璧酶进行酶解，加酶量为固渣质量的5%，温度50℃，转速130rpm，酶解72h。酶解结束后离心（5000rpm,8min），收集上清，得到富含葡萄糖的溶液。用高效液相色谱分析上述两步处理得到的糖液，其中木糖收率为0.1954 g/g甘蔗渣，葡萄糖收率为0.3172 g/g甘蔗渣，半纤维素降解率为78.2%，纤维素降解率为70.5%。

实施例4

将棉籽壳过20目筛，收集20目以上的棉籽壳，称取80g备用。向高压反应釜中加入 600ml去离子水，并通入相当于去离子水质量2%的SO₂气体，调节转速为100rpm，常温搅拌30min使气液两相达到平衡。将称好的棉籽壳加入到釜中，设定搅拌转速120rpm，反应温度170℃，反应0.5h。反应结束后，停止加热，开启放气阀，使SO₂气体排入到装有去离子水的收集罐中，注意控制流速，防止SO₂气体倒吸。待釜内温度降至130℃时，全开放气阀，维温30min，排出釜内剩余的SO₂气体。用冷水使釜体迅速冷却至室温后，收集料液。减压过滤进行固液分离，将固体部分用水洗4次，减压干燥至恒重后加入pH4.8的醋酸缓冲溶液，固液比1/12。使用诺维信Cellic CTec 2液体酶进行酶解，加酶量为固渣质量的5%，温度50℃，转速130rpm，酶解60h。酶解结束后离心（4000rpm,15min）,收集上清，得到富含葡萄糖的溶液。用高效液相色谱分析上述两步处理得到的糖液，其中木糖收率为0.1802 g/g棉籽壳，葡萄糖收率为0.3816 g/g棉籽壳，半纤维素降解率为72.1%，纤维素降解率为84.8%。

附图说明

图1是本发明流程图。

Claims

1.一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法，其特征在于步骤如下：

对木质纤维原料进行粉碎后过20目筛，收集20目以上的物料；所述的木质纤维素原料是玉米芯、玉米秸秆、甘蔗渣、棉籽壳中的一种；

向密闭反应釜注入去离子水，打开进气阀，通入SO₂气体，通气量为去离子水质量的1%-5%；关闭进气阀，调节反应釜转速为50-150rpm，搅拌20-40min使气液两相达到平衡得到SO₂水溶液；

从密闭反应釜的进料口加入相当于SO₂水溶液质量1/20-1/7的木质纤维原料，调节搅拌转速为50-200rpm，加热升温，进行水解反应；控制反应温度为140-170℃，反应时间为0.5-2.5h；反应结束后，停止加热，开启放气阀，使SO₂气体排入到装有去离子水的收集罐中，注意控制流速，防止SO₂气体倒吸；待釜内温度降至110-130℃时，全开放气阀，维温30-60min，使釜内SO₂气体尽可能的排除干净；

脱除SO₂气体后，用冷水冷却釜体至室温；开启密闭反应釜的出料口，收集料液；减压过滤进行固液分离，液体部分为木质纤维原料半纤维素降解后得到的富含木糖的溶液，固体部分主要为剩余的纤维素、木质素；

收集剩余固渣，水洗二至四次后，减压干燥至恒重；配置pH4.8的醋酸缓冲溶液或柠檬酸缓冲溶液，向其中加入水洗后的固渣，固液质量比为1/8-1/15；加入纤维素酶进行酶解反应，加酶量为水洗后固渣干重的1%-5%，其中酶解温度为40-60℃，搅拌转速为120-170rpm，酶解时间为48-72h；

酶解结束后离心，收集上清，得到富含葡萄糖的溶液；剩余残渣主要为木质素。

2.根据权利要求1所述的一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法，其特征在于所用的纤维素酶品种有诺维信Cellic CTec 2液体酶、帝斯曼固体酶或和氏璧固体酶。

3.根据权利要求1所述的一种木质纤维原料降解制备可发酵糖的方法，其特征在于收集的SO₂水溶液可以回复使用多次。