CN103409483B - 一种水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，包括原料预处理、洗涤、酶水解步骤；在所述的洗涤步骤中，预处理植物纤维原料经过滤后，先用酸中和再用少量水洗涤，得到易于酶水解的底物，经酶水解制取可发酵性糖。该方法的植物纤维原料在绿液预处理、过滤后，经酸中和及固液比为1:2-20的批式分段洗涤，在底物浓度（w/v）为5-15%下，用纤维素酶批式水解48-72h，得到可发酵性糖。该法实现了用制浆造纸工艺已有的成熟工艺和设备回收化学药品、热能，减少了洗涤水的消耗和废水的产生，降低了对环境的污染，实现了可发酵性糖的清洁生产。

Description

一种水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法

技术领域

本发明涉及可发酵性糖的制备工艺，具体涉及一种水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法。

背景技术

随着人类社会对以石油为代表的化石资源的开采利用以及大量使用化石资源引发的全球气候变暖趋势，寻找可再生的资源替代化石原料生产能源和化学品成为近年来的研究热点。生物质资源以其含量丰富、可再生性以及在生长过程中吸收二氧化碳的特点成为石油替代战略的最佳原料之一，可用于生产能源、化学品的生物质资源主要包括淀粉质原料、糖质原料和植物纤维原料。以粮食来源的淀粉质、糖质原料生产能源、化学品由于受到全球粮食供需矛盾的制约，发展前景不大。中国政府也提出发展生物质能源与化学品必须遵循“不与民争粮、不与粮争地”的原则。另一方面，我国有丰富的以农作物秸秆为代表的农林废弃物资源，这些废弃物资源目前利用率较低，大量秸秆由于得不到有效利用而在田间焚烧，严重污染了环境。如果将包括农作物秸秆、林业生产剩余物、城市纤维垃圾以及能源植物等植物纤维原料中的纤维素、半纤维素降解成可发酵性单糖，继而通过不同微生物将可发酵性单糖发酵成乙醇、丁醇、有机酸等化工产品，将有助于我国工业向低碳、低能耗、环保型工业转型，从而实现经济的可持续发展。

天然植物纤维原料中，可利用的糖类物质主要是纤维素和半纤维素，它们和木质素之间相互粘合形成致密的交联结构。大多数微生物不能直接转化纤维素或半纤维素，首先需将纤维素、半纤维素降解成可发酵性单糖后方可利用。采用酶法降解植物纤维原料中的纤维素和半纤维素成单糖，必须经过适当的预处理手段除去原料中的部分木质素或半纤维素，以增加纤维素和半纤维素对酶的可及度，从而提高酶水解得率。植物纤维原料中的纤维素和半纤维素经酶水解后可降解成包括己糖和戊糖在内的可发酵性单糖，单糖经微生物发酵即可生成乙醇、有机酸等化工产品。

植物纤维原料预处理的方法主要包括物理法、化学法、物理化学法和生物法等，其中借鉴碱法制浆的碱性预处理方法主要是通过碱在高温条件下溶解植物纤维原料中的大量木质素和部分半纤维素从而提高原料中纤维素和半纤维素对酶的可及度。然而植物纤维原料的碱性预处理过程中，碱性物质通过纤维素润涨作用进入纤维内部，造成处理后的碱性预处理物料采用常规洗涤的方法难以除去残余化学药品，不仅降低了后续化学药品的回收利用，而且物料中残留的碱性化学品对后续的酶解发酵过程不利。同时，碱性预处理过程还产生诸如甲酸、乙酸、乙酰丙酸和酚类物质等对酶解、发酵过程有害的抑制物质，须通过一定的措施以减少或除去其中的抑制物质。传统的制浆造纸工艺采用大量的水洗涤碱性预处理后的植物纤维原料来达到去除残余化学药品的目的，耗水量大，废水产生量大，生产成本高。

综上所述，从生产成本和有效性角度出发，目前的碱性预处理植物纤维原料的洗涤方法均存在着一些问题，有待于进一步优化。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种水洗碱处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，以使其满足工业化的要求。通过酸中和及批式分段洗涤的绿液预处理植物纤维原料，经酶解制取可发酵性糖的工艺，以期实现用已有的成熟工艺和设备回收化学药品、热能，减少洗涤水用量和对环境的污染，降低生产成本，实现产品的清洁生产。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，包括原料预处理、洗涤、酶水解步骤；在所述的洗涤步骤中，预处理植物纤维原料经过滤后，先用酸中和再用少量水洗涤，得到易于酶水解的底物，经酶水解制取可发酵性糖。

所述的洗涤步骤中：碱性预处理的植物纤维原料经过滤回收化学药品后，先用酸中和，再用固液比为1:2-20（g处理前绝干植物纤维原料：mL水）的洗涤水进行批式分段洗涤，得到易于酶水解的底物。

所述的预处理植物纤维原料指以提高纤维质原料中纤维素和半纤维素对酶的可及度所采用的碱性预处理方法处理后的植物纤维原料。

在所述的酶水解步骤中，所用的酶为纤维素酶，是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。酶水解底物浓度（w/v）为5-15%。

所述的水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，具体步骤如下：

（1）用绿液（由Na₂CO₃和Na₂S组成的蒸煮液）对风干植物纤维原料进行预处理，碱用量8%，处理温度140℃，保温时间1h，硫化度40%，并对绿液处理后的植物纤维原料进行磨浆、过滤、回收化学药品；

（2）对磨浆、过滤、回收化学药品后的植物纤维原料用酸进行中和至pH4.5-5.5，再用固液比为1:2-20的水分三次批式分段洗涤、过滤，以去除残余化学药品和抑制物；

（3）将水洗后的植物纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物浓度（w/v）5-15%，控制pH值在4.0-6.0，反应体系中每克水洗植物纤维原料的纤维素酶用量为8-15FPIU，于45-55℃下酶解反应48-72h得到可发酵性糖。

本发明的方法，提出先过滤回收化学药品，后酸中和、再少量水洗涤碱性预处理植物纤维原料的工艺。该法既避免了传统工艺用大量的水洗涤碱性预处理后的植物纤维原料来去除残余化学药品和抑制物导致的洗涤水用量高，废水处理的压力大，糖生产成本高的问题；同时避免了抑制物和残余化学药品对后续酶解发酵的影响。

有益效果：本发明提出植物纤维原料经绿液预处理和磨浆处理后，先过滤回收化学药品，后用酸中和至pH4.5-5.5，再用少量水批式分段洗涤，经酶水解得到可发酵性糖的工艺。该法避免了绿液预处理后，由于碱对纤维间的润涨导致化学药品难以脱除，若不中和而直接水洗需要耗用大量水的问题，减少了洗涤水用量，降低了植物纤维原料制取可发酵性糖的成本；另一方面又保证了抑制物的移除和化学药品的回收，减少抑制物和化学药品对后续酶解发酵的抑制作用，保证了酶解的高效进行。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

以下实施例中，葡萄糖浓度、木糖浓度、纤维二糖浓度以及乙醇浓度均采用高效液相色谱法（HPLC）测定。色谱条件如下：色谱仪：Agillent1200高效液相色谱仪；色谱柱：Bio-Rad Aminex HPX-87H；流动相：0.005mol/L硫酸，流速：0.6mL/min；柱温：55℃；检测器：示差折光检测器；进样量：10μL。外标法测定。

实施例1绿液预处理玉米秸秆的洗涤

玉米秸秆粉碎至2-5cm，以绿液（Na₂CO₃和Na₂S）为预处理蒸煮药液，用碱量8%（w/w），硫化度40%，蒸煮固液比为1:6（w/v），在60℃下空转0.5h后，将温度升高至140℃，保温1h，冷却后连同黑液磨浆、过滤出大部分黑液以回收化学药品。过滤后的玉米秸秆用酸中和并用固液比1:5、1:10、1:15的水分三段批式分段洗涤：第一段洗涤加入1/3的洗涤水，并加入一定量的酸中和至pH4.5-5.5，过滤；第二段和第三段分别加入1/3的洗涤水并过滤挤干物料。分别收集黑液和第三段的滤液，分析黑液和滤液的抑制物成分。收集不同固液比洗涤后的物料，分析物料组分，作为后续酶水解的底物。

表1  黑液和不同固液比洗涤第三段滤液的抑制物成分

黑液的过滤回收既保证了热能和化学药品的回收再利用，又减少了后续酸中和过程中酸的消耗，减少了化学药品的投入。酸中和过程使得原本较难洗涤的残余在纤维间的碱被中和成比较容易去除的盐，有利于后续洗涤的进行和洗涤水用量的降低。

如表1所示，玉米秸秆经绿液预处理后黑液中存在大量的抑制物，如此高浓度的抑制物对后续的酶解发酵有强烈的抑制作用。经酸中和、洗涤后，滤液中的抑制物基本脱除。尤其是在洗涤水用量为固液比1:5的条件下，主要抑制物被洗脱（除微量乙酸），乙酸浓度低于0.5g/L。

实施例2 底物浓度5%（w/v）下洗涤玉米秸秆的纤维素酶水解

分别称取绝干重为2.50g的实施例1的水洗玉米秸秆于3个250mL三角瓶中，在每个三角瓶中加入1mol/L柠檬酸缓冲液2.5mL、按纤维素酶用量为13.94FPIU/g绿液预处理玉米秸秆（25FPIU/g葡聚糖，纤维素酶活力:β-葡萄糖苷酶活力:木聚糖酶活力=1:1.15:6.61)分别在每个三角瓶中加入相应的酶，在每个三角瓶中添加适量的蒸馏水使酶解体系中水分总体积为50mL，用玻棒将反应体系充分混匀后盖上盖子，于150转/分、50℃的恒温摇床中酶解48h。水解结束后，分别将水解物用离心机于4000转/分条件下离心10min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，并计算酶水解得率。其中，葡聚糖酶解得率（%）=（水解液中葡萄糖浓度g/L×0.9+水解液中纤维二糖浓度g/L×0.95）×0.05÷（底物绝干重g×葡聚糖含量）×100%；木聚糖酶解得率（%）=水解液中木糖浓度g/L×0.88×0.05÷（底物绝干重g×木聚糖含量）×100%。式中：0.9为葡萄糖与葡聚糖的转换系数；0.95为纤维二糖与葡聚糖的转换系数；0.88为木糖和木聚糖的转换系数；0.05为水解液体积，L。结果如表2所示。

表2  不同固液比洗涤对酶水解的影响

由表2可知，水洗玉米秸秆在底物浓度5%、纤维素酶用量13.94FPIU/g水洗玉米秸秆、pH4.8条件下经纤维素酶水解48h，葡聚糖酶解得率高于80%，木聚糖酶解得率高于70%。随着洗涤水用量的增加，聚糖酶解得率略微有所增加，但总体上水洗量对酶解影响不大，这说明中和洗涤方式能有效地去除抑制物，保证较高的酶解得率，即使在洗涤水用量很少的情况下。

实施例3 水解糖液的浓缩和乙醇发酵

分别称取绝干重为25g的实施例1的水洗玉米秸秆于底物浓度5%（w/v），纤维素酶用量为13.94FPIU/g水洗玉米秸秆（25FPIU/g葡聚糖，纤维素酶活力:β-葡萄糖苷酶活力:木聚糖酶活力=1:1.15:6.61)，pH4.8-5.0条件下进行酶水解，用玻棒将反应体系充分混匀后盖上盖子，于150转/分、50℃的恒温摇床中酶解48h。固液分离后上清液在旋转蒸发器上于70℃、160mbar下浓缩葡萄糖浓度至150-200g/L。

取上述浓缩糖液100mL于250mL三角瓶中，加入0.024g尿素、0.008g硫酸镁、0.008g硫酸锌，1.0g活性酿酒酵母干粉，盖上橡皮塞（在橡皮塞上插一个针头便于发酵过程中CO₂的逸出），充分摇匀后于100转/分、30℃的摇床上发酵30h。发酵结束后取上清液适当稀释后用HPLC测定葡萄糖和乙醇浓度，并计算糖利用率和乙醇得率。其中，葡萄糖利用率（%）=（发酵液初始葡萄糖浓度g/L－发酵液残余葡萄糖浓度g/L）÷发酵液初始葡萄糖浓度g/L×100；乙醇得率（%）=发酵液乙醇浓度g/L÷（发酵液初始葡萄糖浓度g/L－发酵液残余葡萄糖浓度g/L）×0.51×100；式中，0.51为酿酒酵母乙醇发酵葡萄糖和乙醇的理论糖醇转化率。

经己糖发酵的醪液，在旋转蒸发器上于70℃、160mbar下分别进行乙醇蒸馏，将乙醇完全蒸馏出。取上述蒸馏剩下的含木糖的糖液50mL于250mL三角瓶中，加入0.012g尿素、0.0125氯化钙、0.0125g硫酸镁和0.125g磷酸二氢钾作为营养盐，并加入16g/L的树干毕赤酵母，用封口膜封住，充分摇匀后于150转/分、30℃的摇床上发酵72h，发酵结束后取上清液适当稀释后用HPLC测定木糖和乙醇浓度，并计算糖利用率和乙醇得率。其中，木糖利用率（%）=（发酵液初始木糖浓度g/L－发酵液残余木糖浓度g/L）÷发酵液初始木糖浓度g/L×100；乙醇得率（%）=发酵液乙醇浓度g/L÷（发酵液初始木糖浓度g/L－发酵液残余木糖浓度g/L）×0.46×100；式中：0.46为树干毕赤酵母乙醇发酵木糖和乙醇的理论糖醇转化率。

表3  不同固液比洗涤对己糖发酵的影响

表4  不同固液比洗涤对木糖发酵的影响

浓缩水解糖液己糖发酵结果表3，结果表明，不同浓缩倍数的糖液都能在30h之内被酿酒酵母完全利用葡萄糖，并且乙醇得率在90%以上。蒸馏后糖液木糖发酵结果如表4所示，结果表明木糖很难被完全利用。随着洗涤水用量的增加，木糖利用率和乙醇得率有所提高。总体上洗涤水用量对乙醇发酵影响不大，这说明中和洗涤方式即使在洗涤水用量很少的情况下都能有效地去除抑制物，保证发酵尤其是木糖发酵的高效进行，为降低碱性预处理原料洗涤水用量提供了依据。

比较例1不中和直接水洗玉米秸秆的洗涤

玉米秸秆粉碎至2-5cm，以绿液（Na₂CO₃和Na₂S）为预处理蒸煮药液，用碱量8%（w/w），硫化度40%，蒸煮固液比为1:6（w/v），在60℃下空转0.5h后，将温度升高至140℃，保温1h，冷却后连同黑液磨浆、过滤出部分黑液。过滤后的玉米秸秆用固液比1:5、1:10、1:15、1:20、1:30、1:40、1:50的水进行分三段批式分段洗涤，每段分别加入1/3的洗涤水并过滤挤干物料。分别收集第三段的滤液，分析滤液的抑制物成分。

表5  黑液和不同固液比洗涤第三段滤液（直接水洗）的抑制物成分

由表5可知，经直接洗涤后，滤液中的抑制物浓度有所降低，但在洗涤水用量比较低的情况下，甲酸和乙酸的浓度仍然比较高，对后续的发酵产生影响。即使在洗涤固液比为1:40的条件下，仍有0.04g/L甲酸和0.06g/L乙酸的残余。结果表明，中和洗涤的残余抑制物浓度都要低于不中和直接洗涤的结果，因此中和洗涤的效果更好，为降低洗涤水用量提供了依据。

比较例2不中和直接水洗玉米秸秆的酶解发酵

分别称取绝干重为25g的比较例1的水洗玉米秸秆于底物浓度5%（w/v），纤维素酶用量为13.94FPIU/g水洗玉米秸秆，pH4.8-5.0下进行酶水解，用玻棒将反应体系充分混匀后盖上盖子，于150转/分、50℃的恒温摇床中酶解48h。固液分离后上清液在旋转蒸发器上于70℃、160mbar下浓缩葡萄糖浓度至170g/L左右。取上述浓缩糖液100mL于250mL三角瓶中，加入0.024g尿素、0.008g硫酸镁、0.008g硫酸锌，1.0g活性酿酒酵母干粉，盖上橡皮塞（在橡皮塞上插一个针头便于发酵过程中CO₂的逸出），充分摇匀后于100转/分、30℃的摇床上发酵30h。发酵结束后取上清液适当稀释后用HPLC测定葡萄糖和乙醇浓度，并计算糖利用率和乙醇得率。经己糖发酵的醪液，在旋转蒸发器上于70℃、160mbar下分别进行乙醇蒸馏，将乙醇完全蒸馏出，并浓缩至木糖浓度为45g/L左右。取上述浓缩糖液50mL于250mL三角瓶中，加入0.012g尿素、0.0125氯化钙、0.0125g硫酸镁和0.125g磷酸二氢钾作为营养盐，并加入16g/L的树干毕赤酵母，用封口膜封住，充分摇匀后于150转/分、30℃的摇床上发酵72h，发酵结束后取上清液适当稀释后用HPLC测定木糖和乙醇浓度，并计算糖利用率和乙醇得率。

表6  直接水洗下不同固液比洗涤对酶解发酵的影响

结果表明，在固液比为1:5中和洗涤的酶解和己糖发酵中，葡聚糖和木聚糖酶水解得率分别为84.41%和72.24%，己糖发酵的糖利用率和乙醇得率分别为97.11%和92.33%。而在不中和直接洗涤物料的酶解发酵中，达到同等的酶解和己糖发酵效率至少需要洗涤固液比为1:15，因此不中和直接水洗物料的聚糖酶解得率和己糖发酵效率都要低于中和水洗的结果。而不中和直接水洗物料的工艺严重抑制了木糖发酵。在固液比为1:5的洗涤水用量下，木糖发酵不能进行；在固液比为1:50的洗涤水用量下，木糖发酵的木糖利用率和乙醇得率只有78.64%和74.32%，明显低于中和洗涤的结果。由此可知，中和洗涤解决了耗用大量水的问题，减少了洗涤水用量，降低了植物纤维原料制取可发酵性糖及乙醇的成本；另一方面又保证了抑制物的移除和化学药品的回收，减少抑制物和化学药品对后续酶解发酵的抑制作用，保证了酶解和发酵的高效进行，进一步降低了植物纤维原料制取乙醇的原料成本。

Claims (5)

1.一种水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，包括原料预处理、洗涤、酶水解步骤；其特征在于：在所述的洗涤步骤中，预处理植物纤维原料经过滤后，先用酸中和再用少量水洗涤，得到易于酶水解的底物，经酶水解制取可发酵性糖；所述的洗涤方法为：用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理，碱用量8％，处理温度140℃，保温时间1h，硫化度40％，并对绿液处理后的植物纤维原料进行磨浆、过滤回收化学药品；对磨浆、过滤回收化学药品后的植物纤维原料用酸进行中和至pH值4.5-5.5，再用固液比为1:2-20的洗涤水进行批式分段洗涤，得到易于酶水解的底物。

2.根据权利要求1所述的水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，其特征在于：所述的植物纤维原料预处理指以提高纤维质原料中纤维素对纤维素酶的可及度所采用的碱性预处理方法。

3.根据权利要求1所述的水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，其特征在于：在所述的酶水解中，所用的酶为纤维素酶，是以木霉、曲霉或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。

4.根据权利要求1的水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，其特征在于：所述的酶水解底物w/v浓度为5-15％。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的水洗碱性预处理植物纤维原料制取可发酵性糖的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理，碱用量8％，处理温度140℃，保温时间1h，硫化度40％，并对绿液处理后的植物纤维原料进行磨浆、过滤回收化学药品；

(2)对磨浆、过滤回收化学药品后的植物纤维原料用酸进行中和至pH值4.5-5.5，再用固液比为1:2-20的水分三次进行批式分段洗涤、过滤，以去除残余化学品和抑制物；

(3)将水洗后的植物纤维原料与纤维素酶混合，加入水，pH缓冲液、酸或碱，混合至底物w/v浓度5-15％，控制pH值在4.0-6.0，反应体系中每克水洗植物纤维原料的纤维素酶用量为8-15FPIU，于45-55℃下酶解反应48-72h得到可发酵性糖。