CN104593449B - 一种改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质的高效转化与利用领域，具体的说是一种改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法。将木质纤维素类生物质经药液混合在60‑170℃和0‑0.8MPa的压力下进行预处理；预处理后分离得到的黑液经磺化后作为药液套用；其中，木质素磺酸盐加入量为木质纤维素类生物质质量的0.5‑8％，碱性试剂加入量为木质纤维素类生物质质量的2‑15％，氧化剂加入量为木质纤维素类生物质质量的0.01‑0.5％。本发明预处理方法可在线直接对分离出的黑液进行磺化和利用简单易行，可以实现系统中部分黑液的高效循环利用，降低生产成本。

Description

一种改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法

技术领域

本发明属于生物质的高效转化与利用领域，具体的说是一种改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法。

背景技术

当今社会，随着煤、石油、天然气等石化能源的日渐枯竭，和由温室气体引起的环境问题的日益严重，开发利用可再生能源成为必然趋势和研究热点。因此，作为一种可再生能源，生物质能源的开发和利用具有非常重要的实际意义，并受到了世界各国科研工作者的重视。

木质纤维素生物质是地球上储量最为丰富的生物质资源，具有廉价易得，来源广泛等诸多优点。将木质纤维素生物质转化为生物能源可以缓解现代社会对石化能源的依赖，有利于人类的可持续发展。然而，木质纤维素生物质在漫长进化过程中形成的天然复杂高分子结构对微生物(如纤维素酶)等的破坏作用具有非常强的抵制能力。因此，开发经济高效的预处理技术是破坏木质纤维素生物质天然抗降解屏障，并实现纤维素、半纤维素和木质素高效分离和利用的关键问题之一。预处理的主要作用是脱除木素或半纤维素，降低原料尺寸和纤维素结晶度，增加底物比表面积或空隙率，以提高酶的可及性，并为后续的酶解糖化过程提供尽可能多的碳水化合物。预处理方法可以大致分为物理法、生物法、化学法和复合方法等。

物理法预处理(Fuel Processing Technology,2014,127,80-87)包括机械粉碎、超声波和微波处理等。物理法预处理可减小木质纤维素生物质原料尺寸，增加其比表面积，从而提高酶的纤维可及度，但其能耗大，经济性不高。生物法预处理(BioresourceTechnology,2014,165,9-12)指利用微生物，如白腐菌、软腐菌等脱除物料中相应组分来改善最终的酶解效果。生物法预处理过程中微生物对底物之间的反应时间较长，故其效率一般较低。化学法预处理(Industrial Crops and Products,2014,61,479-491)主要包括酸法、碱法、有机溶剂法等。通常情况下，化学法预处理的效率优于单一机械法和生物法，但化学法预处理往往存在以下缺点：预处理试剂如酸等对设备的腐蚀性较大；有机溶剂的挥发性比较大；在水解产物中易出现高浓度的抑制物等。复合预处理(BioresourceTechnology,2013,127,291-297)是指采用化学、物理、生物中的至少两种方法联合进行的预处理，如氨气爆破法预处理(AFEX)(Biotechnology Advances,2011,29,675-685)、酸性亚硫酸盐加盘磨法预处理(SPORL)(Bioresource Technology,2009,100,2411-2418)、FPI磨浆辅助碱预处理(Bioresource Technology,2014,169,19-26)、双螺杆挤压辅助碱预处理(Biotechnology for Biofuels,2013,6,97)等。相比于单一的预处理方法，复合预处理方法的效率较高，但其对预处理设备的密闭性要求也更严格，工艺操作相对比较复杂。在以上诸多预处理方法中，以添加碱性试剂为主的化学预处理通常简称为碱法预处理。碱法预处理是相对研究较多和比较有效的木质纤维原料预处理方法，而且世界上90％以上的化学浆也都是碱法过程生产的。所以，碱法预处理可以利用造纸工业成熟的设备和配套的化学品回收系统，这便使碱法预处理被认为是最有发展前景的预处理方法之一。

传统的木质纤维素生物质的碱法预处理是采用强碱，如氢氧化钠、氢氧化钾等进行的预处理。中国专利CN101182551提供了对植物纤维进行碱法预处理来生产燃料酒精的方法：在0.5-5wt％氢氧化钠水溶液，蒸汽加热至50-100℃,保温1-10小时条件,经过糖化、发酵、蒸馏后得到燃料酒精。Xu(Bioresource technology,2014,169,19-26)对玉米秸秆进行了氢氧化钠碱法预处理的研究。在氢氧化钠用量10wt％，160℃，30min条件下，原料的木聚糖回收率为66.9％，葡聚糖回收率为93.1％,总糖得率为66.2％。中国专利CN103502460A提到了对玉米芯、玉米植株外皮、玉米植株叶子和玉米植株茎秆等进行氢氧化钾碱法预处理制备浓缩木糖的研究。Sharma(Applied Biochemistry and Biotechnology,2013,169,761-772)采用氢氧化钾处理柳枝稷,在0.5wt％，24h,121℃条件下，最终的糖产量为582.4mg/g，碳水化合物的转化率为91.8％。强碱预处理存在以下缺点：强碱的腐蚀性较大，对设备要求较高，预处理结束后需大量水来冲洗样品至中性，废液量大，碱回收成本较高。

除强碱以外，弱碱也常单独用做碱法预处理的化学试剂。Rabelo(AppliedBiochemistry and Biotechnology，2013，169(5)，1696-1712)等研究了甘蔗渣的氢氧化钙预处理，在90℃，90h，0.47g氢氧化钙/g原料的条件下，最终的乙醇得率为164.1kg/t原料。Zhang(Journal of Agricultural and Food Chemistry，2014,62(20)，4661-4667)研究了氢氧化钙对玉米芯的预处理效果，氢氧化钙的用量为0.8mmol/g时，最终的木聚糖得率，葡聚糖得率和总糖得率分别为0.306g/g,0.305g/g和0.661g/g(相对于原始原料)。绿液(主要成分为碳酸钠和硫化钠)也常被用于碱预处理，Chin(Journal of Biobased Materialsand Bioenergy,2014,8(3),352-357)对棕榈树木材进行了绿液预处理研究。中国专利(CN102827883A)提出一种用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理的方法,在8wt％用碱量,140℃,1h的条件下进行碱法预处理，最终制备出生物乙醇。中国专利CN103370418A提供了一种氨预处理方法。在反应器中,让气态氨冷凝于生物质并与存在于生物质中的水反应以增加经预处理的生物质多糖的反应性。Kim(Bioresource Technology,2014,166,353-357)采用碳酸铵对水稻秸秆进行了预处理，在20wt％用碱量，80℃，12h条件下，最终的总糖酶解效率为72.2％。Dien(Environmental Technology,2013,34,1837-1848)采用氨水对柳枝稷进行预处理，在8wt％用碱量,170℃，20min条件下,葡聚糖转化率为90.5％，木聚糖转化率为84.2％。在弱碱的预处理过程中，由于弱碱的碱性比较弱，一般预处理效率相对比较低，需要的预处理温度略高，时间较长。绿液预处理中，绿液中硫元素的存在也将提高预处理废液的复杂性，并有可能对环境造成负面影响。

除了以上单独用碱作为反应试剂的预处理，添加助剂辅助的碱法预处理也是木质纤维素生物质碱法预处理研究的热点。

氧气是常用的碱法预处理助剂。中国专利CN101134970将玉米秸秆切成段，喷淋含碳酸钠5％-15％碱液后,充入0.1-1MPa氧气或富氧空气，通入100℃-165℃饱和蒸汽蒸煮,最终可将弱碱预处理后得到玉米秸秆进行发酵制备生物乙醇。Geng(BioresourceTechnology,2014,161,63-68)对小麦秸秆进行了氧气(0.5MPa，110℃)辅助的碳酸钠、氢氧化钠碱法预处理研究，结果表明两者的总糖得率分别达到了63.8％和71.9％。氧气作为预处理辅助试剂带来的缺点是,工艺中需要用到的加气加压装置增加了整个预处理操作的难度。

过氧化氢分解衍生出的过氧化氢自由基具有氧化作用，也常被用做碱法预处理助剂。Liu(Energy and Fuels,2014,28,542-548)对芒草进行了过氧化氢辅助的氢氧化钠/氨水预处理研究。经过10wt％氨水、1wt％氢氧化钠，1wt％过氧化氢的碱法预处理，最终得到83％的木质素脱除率和90％的可发酵糖。中国专利CN102758028A提供了碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法,将原料在质量分数5％氢氧化钠和质量分数5％的双氧水的混合溶液中处理10小时，最终半纤维素转化率达到80％,木糖得率达到50％，预处理样品的酶解率比未处理原料高出60％以上。过氧化氢虽具有较强的氧化性，但其自身并不稳定，容易分解，也会对预处理效果造成一定的影响。

蒽醌是制浆造纸工业中常用的助剂，由于制浆过程和木质纤维素生物质的预处理过程具有相似性，蒽醌也被用作碱法预处理的助剂。Li(Bioresource Technology,2012,125,193-199)对玉米秸秆进行了蒽醌辅助的碱法预处理。在氢氧化钠用量7wt％，蒽醌用量0.05wt％,140℃，30min预处理条件下，与不添加蒽醌相比，葡聚糖回收率和木聚糖回收率分别提高了6.2％和2.7％。Yu(Bioresource Technology,2014,167,46-52)对糠醛渣进行了蒽醌辅助的碱法预处理，在绿液用量1.0mg/g，蒽醌用量0.4wt％，140℃，1h条件下，葡聚糖得率为85.9％。蒽醌可降低用碱量，缩短蒸煮时间。但蒽醌自身在水中的溶解性不高，很难均匀分散在预处理料液中，造成在预处理初期阶段蒽醌与木质纤维素原料的接触不够充分，从而对预处理结果产生影响。

表面活性剂因其具有良好的分散效果也常被用作碱法预处理的辅助试剂。Mohsenzadeh(Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2012，87(8),1209-1214)在对云杉木材进行氢氧化钠碱预处理的结果表明：添加的表面活性剂聚乙二醇(PEG)分子可以作为氢键受体来防止纤维素羟基基团之间的重新结合，对整个碱预处理过程中碳水化合物的降解产生积极作用。Cao(Bioresource Technology，2013，131,357-364)等将表面活性剂用于甘蔗渣的氨水碱法预处理，结果表明，加入PEG4000和Tween 80后获得的可酶解纤维素产量分别为62％和66％，相比于仅使用氨水预处理的空白样品(38％和42％)提高了很多。但是，表面活性剂的加入会提高整个木质纤维素类生物质碱法预处理的工艺成本，而且表面活性剂会产生的大量泡沫，使得预处理后的洗涤过程消耗更多的水。

综上所述，现有的木质纤维素碱法预处理方法主要存在最终总糖得率不高，药品难回收，污染严重，水消耗量大，预处理分离出的木质素不能有效利用等问题。所以，开发一种绿色环保、经济高效的木质纤维素生物质碱法预处理的新方法具有非常重要的现实意义。虽然,氧化剂蒽醌、亚硫酸钠等，以及表面活性剂已经被分别单独应用在碱法预处理中，但是尚未见将碱法预处理的黑液直接在线磺化生产木质素磺酸盐，然后将木质素磺酸盐直接回用到碱法预处理过程中的报道,也未见将木质素磺酸盐与碱和蒽醌等氧化剂复配应用于预处理的报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种预处理木质纤维素类生物质的方法。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，将木质纤维素类生物质经药液混合在60-170℃和0-0.8MPa的压力下进行预处理；预处理后分离得到的黑液经磺化后作为药液套用；

其中，药液为木质素磺酸和碱性试剂组成或为木质素磺酸、碱性试剂和氧化剂组成；优选的药液为木质素磺酸、碱性试剂和氧化剂组成；

木质素磺酸盐加入量为木质纤维素类生物质质量的0.5-8％，碱性试剂加入量为木质纤维素类生物质质量的2-15％，氧化剂加入量为木质纤维素类生物质质量的0.01-0.5％。

所述碱性试剂选自氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、碳酸钙中的一种或几种；所述氧化剂选自蒽醌、勿酮、亚硫酸钠、绿氧中的一种或几种；所述木质素磺酸盐选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾中的一种或几种。

所述木质纤维类生物质来源于农业废弃物、林业废弃物、工业废弃物、城市废弃物中的一种或几种的混合。

所述农业废弃物为玉米秸秆、麦草秸秆、稻草秸秆、芦苇和甘蔗渣等中的一种或几种；林业废弃物为木片、锯木屑和树皮等中的一种或几种、工业废弃物为制浆造纸厂的纤维渣，酿酒后的麦糟等中的一种或几种、城市废弃物为废纸、废纸箱等中的一种或几种。

优选地，将木质纤维素类生物质与一种(或两种)碱性试剂和一种木质素磺酸盐接触。

优选地，将木质纤维素类生物质与一种(或两种)碱性试剂、一种氧化剂和一种木质素磺酸盐接触。

所述木质纤维素类生物质破碎至0.18mm-5cm的粒径，待用。

所述预处理后分离得到的黑液直接在线磺化处理，磺化后产物作为预处理中药液的木质素磺酸盐直接加入到后续碱法预处理过程中循环套用；所述在线磺化的黑液为预处理后分离出的黑液总质量的10-50％。

剩余的黑液则进入传统的碱回收系统回收热量和化学品。

所述黑液磺化是向分离获得黑液中加入亚硫酸钠，在60-100℃下机械搅拌反应2-10h，反应后的液体即为木质素磺酸盐溶液(所述木质素磺酸盐数均分子量为100-10000，磺化度为0.3-3mmol/g)；

所述亚硫酸钠的加入量为磺化处理黑液中木质素的绝干重量的5-40％。

所述预处理后的物料经洗涤后磨浆处理，处理后加入酶，使底物中碳水化合物转化为单糖实现水解糖化；

所述酶水解条件为：酶水解固含量2-10％，pH值4.0-5.7，酶水解温度45-55℃，酶水解时间为48-72h；酶为纤维素酶、β葡萄糖苷酶、木聚糖酶中的一种或几种。

所述预处理后的物料洗涤后经PFI磨浆机或盘磨机磨浆，磨浆浓度为5-20％，磨浆机磨盘间隙为0.15-0.3mm，磨浆压力为0-0.4MPa。

原理说明：在碱法预处理过程中，少量氧化剂(例如蒽醌)的加入既可以将碳水化合物的还原性末端基氧化成稳定的糖醛酸基，从而使碳水化合物少受降解，提高得率，也可以还原木质素，使木质素易于脱除。然而蒽醌不溶于水，会使物料处理不均匀。木质素磺酸盐(例如木质素磺酸钠)是一种廉价的表面活性剂，将木质素磺酸盐加入到碱法预处理过程中，既可以促进化学药品的溶解和渗透(例如促进蒽醌分散和溶解)，使物料处理均匀，也有利于木质素和抽出物溶出，进而提高预处理效果。

本发明的优点在于：

1.本发明所用的预处理方法可在相对温和的条件下进行(例如，120℃)，预处理相对较低的温度和压力可以减少其能耗，并可以使碳水化合物少受降解。

2.本发明预处理过程中木质素磺酸盐的加入有利于化学药品的渗透和木质素的脱除，从而显著增加酶解后的总糖得率。

3.本发明预处理方法可在线直接对分离出的黑液进行磺化和利用简单易行，可以实现系统中部分黑液的高效循环利用，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的工艺流程图。

图2为本发明实施例提供的改良碱法预处理前后玉米秸秆表面形貌的扫描电镜图(a：预处理前；b：预处理后)。

图3为本发明实施例提供的改良碱法预处理并经机械磨浆后玉米秸秆表面形貌的扫描电镜图(PFI磨浆转数为4000转)(a：放大2000倍；b：放大5000倍)。

具体实例方式

本发明用以下实例说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.05-1cm后，将切碎的玉米秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)。同时，将所需的水(自来水)和化学药品加入到反应器，控制反应器中液固比为6(mL)：1(g)。化学药品为氢氧化钠、蒽醌和木质素磺酸钠，其中氢氧化钠的加入量为玉米秸秆质量的11％，蒽醌的用量为玉米秸秆质量的0.1％，木质素磺酸钠的用量为玉米秸秆质量的2％。所用木质素磺酸钠的数均分子量为310，磺化度为1.30mmol/g。预处理的升温时间为30min，最高温度为120℃，最高温度下的保温时间为30min。

预处理后,先将黑液挤出,然后用自来水清洗浆料至pH值为中性。然后根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http://www.nrel.gov/biomass/pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agi lent Technologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果显示，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(56.2％)，木聚糖(25.1％)，木质素(6.5％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的木质素已被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理，以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。PFI磨浆浓度为10％，磨浆转数为4000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm。

在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme 188)，以2％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解48h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为54.5％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为90.1％，木糖的酶解率为78.9％；基于初始物料的总糖得率为80.5％(比不加木质素磺酸钠的结果高约10％)。这表明，玉米秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，并且单糖的酶解率和总糖得率都很高。预处理前后玉米秸秆形貌的扫描电镜图如附图2所示(预处理后未磨浆的物料)。预处理并磨浆后玉米秸秆形貌的扫描电镜图片如附图3所示。

实施例2

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.5-8mm后，将切碎的玉米秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)。同时，将所需的水(自来水)和化学药品加入到反应器，控制液固比为5：1。化学药品为氢氧化钾和木质素磺酸钾，其中氢氧化钾的加入量为玉米秸秆质量的11％，木质素磺酸钾的用量为玉米秸秆质量的4％。所用木质素磺酸钾的数均分子量为310，磺化度为1.28mmol/g。预处理的升温时间为30min，最高温度为120℃，最高温度下的保温时间为30min。预处理后,先将黑液挤出,然后用自来水清洗浆料至pH值为中性。然后根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http:// www.nrel.gov/biomass/pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果显示，预处理后的物料中含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(55.8％)，木聚糖(24.9％)，木质素(7.2％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的木质素已被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。PFI磨浆浓度为10％，磨浆转数为6000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm。

在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme 188)，以2％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解48h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为54.0％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为84.1％，木糖的酶解率为72.6％；基于初始物料的总糖得率为75.5％(比不加木质素磺酸钾的结果高约4％)。

实施例3

用切草机将风干的玉米秸秆和麦草秸秆(混合质量比为1:1)切碎到0.5-1cm后，将切碎的混合秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)。同时，将所需的水(自来水)和化学药品加入到反应器，控制液固比为6：1。化学药品为氢氧化钠、勿酮和木质素磺酸钠，其中氢氧化钠的加入量为混合秸秆质量的11％，勿酮的用量为混合秸秆质量的0.075％，木质素磺酸钠的用量为混合秸秆质量的2％。所用木质素磺酸钠的数均分子量为500，磺化度为1.78mmol/g。预处理的升温时间为20min，最高温度为130℃，最高温度下的保温时间为35min。预处理后,先将黑液挤出,用自来水清洗浆料至pH值为中性。然后根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http://www.nrel.gov/biomass/ pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果显示，预处理后的物料中含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(56.8％)，木聚糖(25.9％)，木质素(5.9％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，混合秸秆中的木质素已被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。PFI磨浆浓度为9％，磨浆转数为5000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm。

在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和10IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme 188)，以2％的底物浓度将经预处理和打浆后的物料酶解48h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为60.7％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为92.3％，木糖的酶解效率为79.1％；初始物料的总糖得率为81.6％(比不加木质素磺酸钠的结果高约7％)。

实施例4

用切草机将风干的麦草秸秆切碎到0.5-1cm后，将切碎的麦草秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)。同时，将所需的水(自来水)和化学药品加入到反应器，控制液固比为5：1。化学药品为氢氧化钠、绿氧和木质素磺酸钙，其中氢氧化钠的加入量为麦草秸秆质量的10％，绿氧的用量为麦草秸秆质量的0.1％，木质素磺酸钙的用量为麦草秸秆质量的3％。所用木质素磺酸钙的数均分子量为400，磺化度为2.0mmol/g。预处理的升温时间为20min，最高温度为120℃，最高温度下的保温时间为40min。

预处理后,将挤出的黑液直接进行磺化处理，其中亚硫酸钠用量为30％(相对于黑液中固形物的绝干质量)，磺化温度为95℃，磺化时间6个小时。这种条件下所得的木质素磺酸钠的磺化度为1.34mmol/g，数均分子量为452。所得木质素磺酸钠液体可直接用于后续预处理过程中，其中预处理条件如上所述。预处理后,先将黑液挤出,然后用自来水清洗浆料至pH值为中性。然后根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http://www.nrel.gov/ biomass/pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果显示，预处理后的物料中含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(57.4％)，木聚糖(26.2％)，木质素(5.1％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，麦草秸秆中的木质素已被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。PFI磨浆浓度为11％，磨浆转数为4500转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1460rpm。

在pH5.0，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和8IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme 188)，以2％的底物浓度将经预处理和打浆后的物料酶解48h。根据制造商的说明书，使用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为58.9％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为91.5％，木糖的酶解效率为78.6％；初始物料的总糖得率为82.2％(比不加木质素磺酸钠的结果高约9％)。

实施例5

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.5-2cm后，将切碎的玉米秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)。同时，将所需的水(自来水)和化学药品加入到反应器，控制液固比为7：1。化学药品为氢氧化钠、蒽醌和木质素磺酸钠，其中氢氧化钠的加入量为玉米秸秆质量的12％，蒽醌的用量为玉米秸秆质量的0.02％，木质素磺酸钠的用量为玉米秸秆质量的3％。所用木质素磺酸钠为实施例4中制备的木质素磺酸钠(磺化度为1.34mmol/g，数均分子量为452)。预处理的升温时间为30min，最高温度为110℃，最高温度下的保温时间为60min。

预处理后,将挤出的黑液直接进行磺化处理，其中亚硫酸钠用量为40％(相对于黑液中固形物的绝干质量)，磺化温度为98℃，磺化时间5个小时。这种条件下所得的木质素磺酸钠的磺化度为1.78mmol/g，数均分子量为422。所得木质素磺酸钠液体可直接用于后续预处理过程中，其中预处理条件如上所述。预处理后,先将黑液挤出,然后用自来水清洗浆料至pH值为中性。然后根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http://www.nrel.gov/ biomass/pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果显示，预处理后的物料中含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(50.4％)，木聚糖(24.2％)，木质素(9.3％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的木质素已被有效地脱除。

清洗后的浆料用盘磨磨浆机(山东晨钟机械股份有限公司)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。盘磨磨浆浓度为10％，磨浆间隙为0.2mm，磨浆转速为1500rpm，盘磨压力为0.4MPa。

在pH4.5，50℃下，使用20FPU/g底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme 188)和5U/g底物的木糖酶，以8％的底物浓度将经预处理和打浆后的物料酶解48h。根据制造商的说明书，使用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为62.4％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为87.9％，木糖的酶解效率为75.1％；初始物料的总糖得率为77.6％(比不加木质素磺酸钠的结果高约6％)。

实施例6

用切草机将风干的芦苇切碎到0.1-1.5cm后，将切碎的芦苇装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)。同时，将所需的水(自来水)和化学药品加入到反应器，控制液固比为8：1。化学药品为氢氧化钠、勿酮和木质素磺酸钠，其中氢氧化钠的加入量为芦苇质量的10％，勿酮的用量为芦苇质量的0.1％，木质素磺酸钠的用量为芦苇质量的1.5％。所用木质素磺酸钠为实施例5中生产的木质素磺酸钠产品(磺化度为1.78mmol/g，数均分子量为422)。预处理的升温时间为30min，最高温度为135℃，最高温度下的保温时间为20min。

预处理后,将挤出的黑液直接进行磺化处理，其中亚硫酸钠用量为20％(相对于黑液中固形物的绝干质量)，磺化温度为95℃，磺化时间7个小时。这种条件下所得的木质素磺酸钠的磺化度为1.25mmol/g，分子量为783。所得木质素磺酸钠液体可直接用于后续预处理过程中，其中预处理条件如上所述。预处理后,先将黑液挤出,然后用自来水清洗浆料至pH值为中性。然后根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http://www.nrel.gov/biomass/ pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果显示，预处理后的物料中含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(54.1％)，木聚糖(26.4％)，木质素(8.2％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，芦苇中的木质素已被有效地脱除。

清洗后的浆料用盘磨磨浆机(山东晨钟机械股份有限公司)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。盘磨磨浆浓度为8％，磨浆间隙为0.2mm，磨浆转速为1500rpm，盘磨压力为0.4MPa。

在pH4.3，50℃下，使用15FPU/g底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme 188)和10U/g底物的木糖酶，以10％的底物浓度将经预处理和打浆后的物料酶解48h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model 1200,Agilent Technologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为58.1％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为89.9％，木糖的酶解效率为78.4％；初始物料的总糖得率为78.3％(比不加木质素磺酸钠的结果高约5％)。

Claims (7)

1.一种改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：将木质纤维素类生物质经药液混合在110-135℃进行预处理；

预处理后经分离得到黑液，将黑液磺化处理，反应后的液体即为木质素磺酸盐溶液，将其直接加入到后续碱法预处理过程中循环套用；

其中，药液由木质素磺酸盐、碱性试剂和氧化剂组成；

所述木质素磺酸盐加入量为木质纤维素类生物质质量的0.5-8％，碱性试剂加入量为木质纤维素类生物质质量的2-15％，氧化剂加入量为木质纤维素类生物质质量的0.01-0.5％；

所述碱性试剂选自氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、碳酸钙中的一种或几种；所述氧化剂选自蒽醌或绿氧。

2.按权利要求1所述的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述木质素磺酸盐选自木质素磺酸钠、木质素磺酸钙、木质素磺酸钾中的一种或几种。

3.按权利要求1所述的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述木质纤维类生物质来源于农业废弃物、林业废弃物、工业废弃物、城市废弃物中的一种或几种。

4.按权利要求1或3所述的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述木质纤维素类生物质破碎至0.18mm-5cm的粒径，待用。

5.按权利要求1所述的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述黑液磺化是向分离获得黑液中加入亚硫酸钠，在60-100℃下机械搅拌反应2-10h，反应后的液体即为木质素磺酸盐溶液；

所述亚硫酸钠的加入量为磺化处理黑液中木质素的绝干重量的5-40％。

6.按权利要求5所述的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：将预处理后的物料经洗涤后磨浆处理，处理后加入酶，使底物中碳水化合物转化为单糖实现水解糖化；

酶水解条件为：酶水解液中的固体含量2-10%，pH值4.0-5.7，酶水解温度45-55℃，酶水解时间为48-72h；酶为纤维素酶、β葡萄糖苷酶、木聚糖酶中的一种或几种。

7.按权利要求5所述的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：将预处理后的物料洗涤后经PFI磨浆机或盘磨机磨浆，磨浆浓度为5-20％，磨浆机磨盘间隙为0.15-0.3mm，磨浆压力为0-0.4MPa。