CN104046655A - 一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺 - Google Patents

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杨旭
马晓建
李洪亮
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Abstract

本发明提供了用于将木质纤维原料如稻草、小麦或玉米秸秆等农林废弃物转化成生物基化学品（沼气，木糖醇，乙醇，丁醇，丁二醇等）的热洗脱毒工艺。对木质纤维原料进行预处理（酸处理、碱处理，蒸汽爆破等），后进行热洗脱毒并进行酶促液化和糖化发酵。本发明的热洗脱毒工艺主要包括：对预处理产生的物料进行高温热洗反应，后在保压条件下分离出液体部分，余下固体部分降温进行酶促液化和糖化发酵。本发明在高于木质素玻璃转化温度下对原料进行热洗，具有降低木质纤维原料中木质素对纤维素的结合作用，提高酶促液化和糖化效率，减少纤维素酶的用量，并在一定程度上去除了预处理过程产生的影响酶解和发酵的抑制物，起到脱毒作用。

Description

一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺
技术领域
本发明属于生物质技术领域，具体涉及一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺。
背景技术
在天然木质纤维原料结构中，纤维素是被木质素和半纤维素包裹在里面的。纤维素酶水解木质纤维原料是固液双相反应过程，纤维素酶能否有效地吸附到纤维素上是影响酶解效率的关键因素。预处理方法（酸处理、碱处理，蒸汽爆破等）可在一定程度上使物料结构变得松散，半纤维素得到很大程度降解，但是木质素的刚性结构未能得到有效改变，影响了后续的酶解过程。且木质素的存在会造成纤维原料酶解过程中的负面影响：屏蔽纤维素酶对纤维素的吸附作用；可溶木质素片段抑制酶的活性；吸附纤维素酶造成“无效吸附”，产生这些影响的原因很大程度上取决于木质素的物理结构。预处理过程中也相应产生了抑制纤维素酶解和发酵的物质如乙酰丙酸、糠醛、羟甲基糠醛和酚类化合物等。
本发明通过测定木质纤维原料中木质素的玻璃转化温度Tg，国内首次提出采用热洗工艺（温度大于Tg）对原料进行处理，去除预处理过程中产生的复杂抑制物，并改变木质素的物理形态，降低与纤维素的结合作用，进行高底物浓度酶解，为纤维素酶解反应的进一步工艺优化提供参考。
热洗工艺的核心思想是对原料进行脱毒，不强求木质素裂解溶出，只是利用木质素在一定温度条件下可以由玻璃态转化为偏软的橡胶态这一特性，使原料在高温状态破坏木质素对纤维素的粘合力，使纤维素得以暴露，有利于吸附纤维素酶和降低原料粘度，从而增加底物浓度，提高酶解效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，该工艺利用木质素玻璃态转化温度下木质素的物理性质发生改变，使纤维素得以暴露，有利于吸附纤维素酶和降低原料粘度，并且去除了预处理过程中产生的复杂抑制物，大幅度降低了生产成本。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，该工艺为：将木质纤维原料经粉碎、预处理、热洗、保温保压分离后得到固相和液相，其中含有半纤维素水解物的液相（含有木糖）可用于生产其他化学品如沼气，木糖醇等；含有纤维素和木质素的固相经酶解和发酵可用于发酵成其他化学品，如乙醇，丁醇，丁二醇等。
具体的，热洗工艺过程在特定的反应器中进行，热洗反应器和保温保压分离设备可以是一体设备，也可以是单独设备进行。
在具体的实施过程中，可以把木质纤维原料粉碎至长度不大于50mm，脱除杂质后送至预处理工段（酸处理、碱处理，蒸汽爆破等）；预处理后的物料加1～15重量倍水（或加入少量添加剂）进行热洗反应，洗涤后保温保压分离出的含半纤维素水解物的液相可直接用于生产其他化学品，如木糖醇，沼气等；含有纤维素和木质素的固相按10～200U/g纤维素加入纤维素酶进行糖化和后续发酵为乙醇、丁醇、丁二醇等。
本发明方法的技术方案主要包括原料粉碎、预处理、热洗、糖化、发酵等，生产流程如图1所示。
附图说明
图1是热洗脱毒工艺及酶促糖化发酵的生产流程。
具体实施方式
以下以玉米秸秆为例对本发明方法作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例
1）将500g玉米秸秆原料粉碎至长度不大于50mm，利用振动筛将杂质脱除后送至蒸汽爆破工段，在1.6MPa压力下维持20min进行汽爆处理。
2）蒸汽爆破后的固体物料加5L的水进行热洗，控制热洗温度在140℃，反应20min后保压过滤，分离后所产生的洗涤水（即含半纤维素水解物的液相）可以用于生产其他化学品；过滤分离后所得固体（即含有纤维素和木质素的固相）按25U/g纤维素加入纤维素酶及水溶液，并加入活化好酵母液55ml进行同步糖化发酵乙醇，控制总固形物浓度为30%，温度控制在37℃，周期为80h。
3）发酵好的成熟醪直接带渣在反应器内进行蒸馏，蒸馏温度保持在90℃，可得到510ml纯度为7.32%（V/V）的乙醇溶液。

Claims (7)

1.一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，步骤如下：
1) 木质纤维原料粉碎至长度不大于50mm，脱除杂质后送至预处理工段；
2) 预处理之后的物料泵入热洗反应器中，控制温度在130~160℃，加入适量溶液，反应10~30min，进行热洗；后在该温度和压力下进行压滤；得到液体送入沼气发酵工段；固体部分送入反应器中进行酶解发酵；
3) 固体部分按10～200U/g纤维素加入纤维素酶进行糖化和后续发酵工艺。
2.如权利要求1所述一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，热洗控制温度为130~160℃，反应10~30min。
3.如权利要求1所述一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，热洗过程加入溶液为水、稀酸溶液、稀碱溶液或稀乙醇溶液。
4.如权利要求3所述一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，热洗过程加入稀酸应为一种无机酸，可以从硫酸、磷酸、硝酸或者碳酸中挑选。
5.如权利要求3所述一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，热洗过程加入稀碱应可以从氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中挑选。
6.如权利要求1所述一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，热洗过程加入添加剂最终浓度为0.5%~1.5%，溶液体积为固体重量的5~20倍。
7.如权利要求1所述一种提高木质纤维原料酶促糖化效率的热洗脱毒工艺，其特征在于，热洗及压滤设备可以是一体的，也可以单独设备进行，包括但不局限于螺杆压滤机，带过滤装置反应器，保温保压过滤机等。
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