CN103451986B - 用于生物炼制的木质纤维素原料的预处理方法 - Google Patents

Abstract

用于生物炼制的木质纤维素原料的预处理方法，本发明公开了一种生物炼制原料预处理方法。使用少量碱促进预处理过程中半纤维素上乙酰基的脱落，将由此形成的乙酸予以中和。通过预校正水热预处理过程中形成的酸性环境，利用高温液态水环境破坏半纤维素和木质素之间的化学键，改变纤维素的存在状态。该处理方法有效的避免了预处理过程中由半纤维素和木质素来源的降解物的产生，极大地提高了半纤维素的回收率，同时使纤维素和半纤维素易于酶解。预处理后的生物质原料可用于纤维素乙醇、低聚糖、木糖醇和高品质木质素的生产。

Description

用于生物炼制的木质纤维素原料的预处理方法

发明领域

本发明属于木质纤维素生物炼制的预处理技术，具体地说就是通过在水热预处理前添加少量的碱来预处理木质纤维素原料的方法。

背景技术

随着化石资源的大量使用，给人们带来便利的同时，也带来一系列的问题，比如环境污染，温室效应。即使这样，随着人类能源和资源消耗量的不断增加，通过漫长地质年代形成的化石资源也面临着枯竭的问题。

生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。生物炼制大幅扩展可再生植物基原材料的应用，使其成为环境可持续发展的化学和能源经济转变的手段。但是，占生物炼制原料最大比例的木质纤维素原料却是非常难以利用的。木质纤维素原料中的纤维素，半纤维素和木质素三种主要结构性成分通过化学键形成复杂的三维立体结构，对于外界环境的微生物和理化因素具有较强的抗性。为了将原料中的主要成分分别加以高利用，预处理就成为生物炼制的前提和核心。

比较常见的预处理技术有水热、汽爆、稀酸、氨爆、碱和有机溶剂等。Mosier等人的论文对这些方法进行分析比较【Mosieretal.,BioresourTechnol2005,96:673-686.】。传统的理论认为，预处理起作用的关键是将次要的组分在预处理过程中降解去除。例如，汽爆和水热预处理就强调将半纤维素在预处理过程中降解并在水解液中进行回收，从而使保留在残渣中的纤维素的酶解性提高，而碱处理和有机溶剂处理则强调对木质素的溶解和去除。溶解到水解液中的半纤维素和木质素如果不能得到很好的回收利用，或者降解为发酵的抑制物，则会降低生物质的总体原料利用率，同时给生物炼制的后续工序带来麻烦。比如半纤维素在预处理过程中会产生糠醛，木质素降解产生酚类化合物，这些降解物在浓度较高时，必须进行脱毒，才不至于给后续利用造成影响。但是也不是所有的预处理都将某些组分从原料中分离出来才能增加纤维素的酶解效率，比如氨爆预处理【US20090053771A1】，预处理过程中几乎获得了100%的固形物回收率，属于一种“干法”预处理。虽然没有将木质素或半纤维素从原料中分离出去，但是研究者认为预处理还是破坏了木质素-碳水化合物之间的化学键，脱除了半纤维上的乙酰基，断裂了木质素间C-O-C化学键，这样即使半纤维素和木质素没有被分离出去，但是它们对于纤维素酶解的屏蔽作用还是显著降低了。

在水热预处理过程中，由于半纤维素上结合的乙酰基释放到水解液中，导致预处理的环境酸化。这导致半纤维素的降解物（木糖）进一步降解为糠醛等其他副产物，从而影响木糖的回收率。为了提高木糖的得率，有人在水热预处理中监控水解液pH，使用KOH连续调节水解液的pH值在5-7之间来减少木糖的降解【U.S.Pat.No.5,789,210】。半纤维素的乙酰化程度对于纤维素的酶解影响也受到了研究者的关注。Kong等人的研究表明增加Aspenwood脱乙酰化的程度可以增加糖的酶解产量。Selig等人的研究表明玉米秸秆中乙酰基的去除不但可以增加木聚糖的初始酶解速度，还可以改善木聚糖总的酶解比例。Chen xiaowen等人在稀酸预处理前首先使用额外的单元操作，用碱溶液脱除玉米秸秆中的乙酰基，有效的增加了木糖的产率，同时也使葡萄糖的产率增加。

发明内容

【发明基本原理】将pH水解液的pH控制和脱乙酰过程相耦合，将pH过程控制改为预先控制（校正）以减少酸性环境中半纤维素的降解。减弱预处理过程中pH（或者氢离子催化）对纤维素和半纤维素的作用，增加高温环境对纤维素和半纤维素的作用。在保留预处理效果的同时，降低半纤维素的损失，同时将半纤维素保留在预处理后的固形物中。实现的基本方法是优化，或者根据文献报道的原料中的乙酰基含量，确定添加的碱量，确保添加的碱在预处理过程中将水解产生的大部分酸性化合物（主要是乙酸）中和，从而保证预处理过程中，水解液在大部分时间（尤其是高温阶段）为近中性的弱酸环境。

【本发明技术方案】根据上述的基本原理，本发明通过如下步骤实现：a)将木质纤维素原料与稀碱混合，形成木质纤维素原料-碱液混合物，其中的碱用量以中和原料中释放出来的酸性化合物（主要是乙酸）为限，使预处理后的水解液保持在弱酸性到中性；b）将上述混合物置于高压反应器中加热到150-230℃，处理0-2h后冷却，得到用于生物炼制的木质纤维素浆。

为了获得恰当的碱用量，较为保险的方法是使用设计方法（比如正交设计或者响应面法）进行一组实验，这一过程对于行业人士非常熟悉，这里无需赘述。

为了获得恰当的碱用量，检索文献中报道的原料的半纤维素中乙酰取代基的含量，根据乙酰基可能释放的量，使用相应的碱用量，也是一种方法。一般来说，可以使用乙酰基量的60%-100%，较优的选择为80%-90%。

通过上述方法可以将水解液的pH控制在5-7之间，更优的pH范围为6-7之间。

预处理的反应器选择较为宽泛，基本上只要具有耐高压的性能即可（主要考虑高温下水蒸汽的压力）。反应器带有搅拌桨更好，可以使物料的混合更为均匀，及时中和反应过程中释放出的酸性物质。反应器需要带有温度传感器检测物料温度，也可使用压力估算物料温度。根据反应器的大小，需配备夹套，蛇管等装置来加热或冷却反应体系。加热可以根据需要使用直接通入高温蒸汽、夹套加热、电加热或者微波加热等方法。

根据原料的不同，使用不同的预处理强度（处理温度和处理时间的共同作用）。对于较小的反应器可以选择快速将物料的温度升高到一定程度，然后保温一段时间。对于较大的反应器，可以选择将温度较缓慢的加热到一定温度，然后维持较短的时间或者达到一定温度时立即开始冷却。一般来说选择的温度范围为150-230℃，选择的处理时间是0-2h。

该方法适用于处理含有一定量半纤维素的木质纤维素原料，比如：玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、稻草秸秆、玉米芯、甘蔗渣、柳枝稷、芒草、树枝、木屑和杂草等。

本发明相对于其他方法的创造性和新颖性：

1.本发明是在pH控制水热预处理（Ladischetal.,BioresourTechnol2005,96:1986-1993.）的基础上进行创新的，Ladisch等人方法其核心思想在于通过水热预处理过程中的碱液添加将水解液的pH始终控制在5-7.5，从而抑制半纤维素水解物在酸性环境中的降解得到较高的半纤维素和纤维素的回收率，减少发酵抑制物的产生。但是这种预处理方式需要额外的取样和pH调节系统，增加了设备的投资成本，操作也相对复杂。本发明着眼于水热预处理过程中环境酸化的根本原因，即半纤维素中酸性取代基的释放，主要是乙酰基的释放，将pH后控制，改为pH预校正，通过实验或者计算获得乙酰基的释放量，通过在水解液中提前加入定量的碱，将释放的乙酸的等酸性化合物在位中和从而保证预处理环境的理想状态。本发明虽然从结果上看和pH控制水热预处理具有相似的结果，但是简化的操作显示了本方法的新颖性；

2.前人使用过程pH校正而非预校正可能顾忌到预先添加的碱可能会将木质纤维素原料中的木质素降解出来，从而产生较多的发酵抑制物。但是我们通过分析文献中脱乙酰化过程的操作条件发现，半纤维素中的乙酰基的脱除条件较为温和，在碱液中室温至80℃就可以有效的脱乙酰基，而在这样的条件下，木质素的降解并不严重。因此将脱乙酰基和pH预校正完全可以结合在水热预处理过程中，而这并不会使水热预处理变成碱处理，因为，在本发明中，虽然水解液的初始pH值可以高达13，但是处理的初期pH会快速下降到8以下，在预处理的大部分时间内，预处理的水解液是处于pH近中性和弱酸性的环境中的。本发明虽然看起来是简单的在预处理前添加了少量的碱，但是碱的添加量和碱的添加的效果却是从大量的文献调研和实验数据分析中得到启发和验证，体现了本发明所蕴含的创造性；

3.本发明虽然添加了碱，但是和一般的碱处理不同。不同之处至少体现在以下两点：1）一般的碱处理使用碱的量较大（大于原料干重的8%），处理的目的在于使用碱将秸秆中的木质素部分或全部溶解以增加纤维素的酶解表现。碱处理后需要使用水洗等方法将产生的可溶解木质素去除以避免发酵抑制，处理后的纤维浆也需要中和处理以除去其中剩余的碱液。但是本发明，加入的碱一般占原料干重的2%-4%，在预处理结束后水解液基本为弱酸性，先前加入的碱被释放的酸性化合物中和完毕。2）由于碱的用量和目的不同，水解液中可溶性木质素的含量差异明显，在高温环境下，木质素会部分甚至全部溶解到水解液中，温度降低时，如果水解液的pH偏酸则会有部分木质素发生再沉积，以木质素液滴的形式沉积到纤维表面，减少水解液中的木质素含量。而对于水解液pH偏碱的条件，则木质素会趋向于溶解在水解液中。因此，相对于碱处理，本发明无疑具有新颖性；

4.本发明的目的在于为生物炼制提供合适的原料。这就和现有的多数预处理具有差异。现有的预处理一般是通过牺牲原料中的次要组分（半纤维素和木质素）来强化纤维素的可降解性。本发明通过预处理环境pH的预校正，主要利用高温环境对于木质素-碳水化合物间化学键的断裂作用，破坏木质素和纤维素和半纤维素之间的交联和三维结构，使后续的组分分离和利用得到改善。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

pH预校正水热预处理玉米秸秆。

玉米秸秆产量巨大，充分利用玉米秸秆生产生物质能源，化学品和材料具有重要的意义。

将风干的玉米秸秆（含水量8%（w/w）左右）粉碎到2mm。在实验室定制的1.6L水热反应器内进行预处理。为了确定最优的碱用量，固定玉米秸秆粉的用量为100g，自来水900ml,分别使用2g，3g，4g和5g的NaOH预校正水解液，不添加NaOH的批次用做对照。将原料水和NaOH充分混合后放入反应器。将反应器置于230℃的盐浴中加热，当反应器内的温度达到204℃时，立即将反应器从盐浴中取出，向反应器内部的冷却管通入冷却水，并将反应器置于水浴中冷却至80℃下，打开反应器将得到的预处理纤维浆取出得到pH预校正水热预处理后的玉米秸秆。

表1总结了预处理前后水解液的pH。从中可以看出，添加了pH预校正剂后，水解液的pH值从最初的13左右，降到了预处理结束后的4.6-7.1，这个区间包含了中性点，因此可以推断，使用NaOH进行预校正，可以将最后的pH校正到想要的范围，比如pH6.0这一点。

表1：预处理前后水解液的pH

NaOH用量g/100g玉米秸秆	0	2	3	4	5
						预处理前pH	7.8	12.5	12.9	13.0	13.1
预处理后的pH	4.4	4.6	5.1	5.5	7.1

表2总结了预处理后水解液中使用高效液相（HPLC）法测定的糠醛和5-甲基糠醛（HMF）的含量，所采用的的方法为业界所熟知，再次不做赘述。可以看出pH预校正使水解液pH的轻微变化，却使半纤维素来源的抑制物产量大幅减少。

表2：预处理后水解液中糠醛和5-甲基糠醛（HMF）产量

NaOH用量g/100g玉米秸秆	0	2	3	4	5
						糠醛mg/100g玉米秸秆	1500	142	30	10	2
HMFmg/100g玉米秸秆	130	9	1.65	0.46	0.13

表3总结了预处理后半纤维素的回收率。一般来说，预处理过程中半纤维素非常容易降解，有些预处理方式追求半纤维素的降解，并将其作为判断预处理好好的一个标准。认为半纤维素的去除会强化纤维素的酶解表现。在本实施例中可以看出，半纤维素得到了较好的保留。同时表4也显示，保留的半纤维素并未对纤维素的酶解产生显著的负面影响。

表3：预处理后半纤维素的回收率

NaOH用量g/100g玉米秸秆	0	2	3	4	5
						在固形物中的半纤维素%	25.66	66.96	84.33	56.41	77.31
在水解液中以寡糖存在的半纤维素%	20.33	12.74	11.02	12.99	12.7
						在水解液中以单糖存在的半纤维素%	7.2	1.24	1.03	0.31	0.12

总的半纤维素回收率%	53.19	80.94	96.38	69.71	90.13
						降解的半纤维素%	46.81	19.06	3.62	30.29	9.87

表4：预处理后的玉米秸秆浆的酶解表现（纤维素酶用量为15FPU/g玉米秸秆，酶解温度50℃，摇床转速200rpm）

NaOH用量g/100g玉米秸秆	0	2	3	4	5
						24h纤维素酶解率%	86.38	83.24	85.24	83.55	89.70
48h纤维素酶解率%	95.19	92.55	93.44	95.68	97.68

表5总结了水解液中可溶性木质素的相对含量（使用水解液在280nm波长下的吸光度表示）。从结果来看，使用NaOH进行水解液的pH预校正后，水解液中的可溶性木质素含量不但没有增加，反而有所降低。可溶性木质素对于某些微生物，比如丁醇生产菌丙酮丁醇梭菌具有极强的抑制作用，极低的含量就会对其产丁醇造成显著的影响。本方法处理得到的水解液中较低的可溶木质素含量对于生产可发酵糖具有好处。pH校正后可溶性木质素含量的减低，可能和酸性环境对于木质素内部化学键的断裂有关系。

表5：pH预校正预处理后水解液中可溶性木质素的相对含量

NaOH用量g/100g玉米秸秆	0	2	3	4	5
						可溶性木质素的相对含量%	100	85.24	80.39	78.77	72.18

通过上述实验，对于玉米秸秆的预处理，可以使用2-5g/100g玉米秸秆，或者是2%-5%原料重量的NaOH用于pH的预校正。预处理后的玉米秸秆可以用于乙醇发酵，低聚木糖提取，生产高品质木质素。

实施例2

pH预校正水热预处理芒草。

芒草是典型的C4植物，具有生物量大，耐贫瘠的优势，是非常有潜力的生物质能原料。

将风干的芒草（Miscanthus lutarioriparious）粉碎到5-10mm。在KCR-50反应器内进行预处理。文献【LeNgocHuyenT,RémondC,DheillyR,ChabbertB:Effect of harvesting date on the composition and saccharification of Miscanthus xgiganteus.Bioresour Technol2010,101:8224-8231.】报道的芒草乙酰基含量为3.43%-4.21%之间。根据简单的为业内人士说熟知的化学计量学方法，完全中和这些乙酰基所需的碱用量，以KOH为例，为3.26-4.00g。考虑到右部分乙酰基仍保留在半纤维素中，因此使用3gKOH/100g芒草用于水解液的pH预校正。

将4kg原料，16L水和120gKOH充分混合后，形成约20%（w/w）混合物后放入反应器。设定温度为150℃，打开加热器将反应器加热到150℃后保温1h，保温时间结束后，向反应器内部的冷却管通入冷却水，打开反应器将得到的预处理纤维浆取出得到pH预校正水热预处理后的芒草。其pH值测定为6.1。处理后的样品用于酶解生产可发酵糖，己糖和戊糖的总得率为89.4%。残渣用于提取高品质木质素。

实施例3

pH预校正水热预处理玉米芯。

将风干的玉米芯粉碎到5mm。在TFCF反应器内进行预处理。文献【GarroteG,DomínguezH,ParajoJC:Kineticm odelling of corncob autohydrolysis.ProcessBiochem2001,36:571-578.】报道的玉米芯乙酰基含量为3.78%（w/w）。根据简单的为业内人士说熟知的化学计量学方法，完全中和这些乙酰基所需的碱用量，以K₂CO₃为例，为8.84g。考虑到右部分乙酰基仍保留在半纤维素中，因此使用6gK₂CO₃/100g芒草用于水解液的pH预校正。

将100kg原料，600L水和6kgK₂CO₃充分混合后，形成约14%（w/w）混合物后放入反应器。设定温度为170℃，通入高温蒸汽将反应器加热到170℃后保温20min，保温时间结束后，向反应器内部的冷却管通入冷却水，打开反应器将得到的预处理纤维浆取出得到pH预校正水热预处理后的玉米芯。其pH值测定为5.1。处理后的样品用于木聚糖酶解提取低聚木糖，产品得率为14%。酶解残渣用于提取高品质木质素。

Claims (10)

1.一种生物炼制木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于：a)将木质纤维素原料与稀碱混合，形成木质纤维素原料-碱液混合物，其中的碱用量以中和原料中释放出来的乙酸为限，使预处理后的水解液保持在弱酸性到中性；b)将上述混合物置于高压反应器中加热到150℃-230℃，处理0-2h后冷却，得到用于生物炼制的木质纤维素浆。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料-碱液混合物具有50％-95％的含水量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料-碱液混合物具有较适宜的80％-90％的含水量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾及其组合。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料选自玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、稻草秸秆、玉米芯、甘蔗渣、柳枝稷、芒草、树枝、木屑和杂草。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱的用量根据实验优化，使添加的碱量保证预处理结束的水解液pH值在4-7。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱的用量根据实验优化，使添加的碱量保证预处理结束的水解液pH值在6-7。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱的用量根据原料的乙酰基含量测算，使用的碱量(摩尔数)为原料中乙酰基量(摩尔数)的60％-100％。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱的用量根据原料的乙酰基含量测算，使用的碱量(摩尔数)为原料中乙酰基量(摩尔数)的80％-90％。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的处理0h是指加热到设定温度后立即开始冷却。