CN104611391B - 一种木质纤维素原料制备水解糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种木质纤维素原料制备水解糖的方法，包括如下内容：（1）将木质纤维素原料颗粒装填到柱式反应器中，反应器顶部设有液压活塞式结构，可将原料压实；（2）将稀酸洗脱液加热至60‑99℃，从反应器顶部加入进行洗脱，脱除部分抑制物；（3）将稀酸水解液加热至60‑99℃，通过循环泵从反应器顶部加入进行循环水解，得到浓缩水解糖液；（4）调节浓缩水解糖液的pH值为4.5‑5.5，然后将纤维素酶加入到水解糖液中进行循环酶解，得到含木糖和葡萄糖的浓缩糖液。本发明制备的浓缩糖液中抑制物少，糖浓度高，解决了稀酸水解过程中产生的抑制物对纤维素酶解以及酶解的葡萄糖发酵产乙醇的负面影响，省略了水解糖浓缩过程。

Description

一种木质纤维素原料制备水解糖的方法

技术领域

本发明涉及一种木质纤维原料制备水解糖的方法，具体涉及一种两步法水解木质纤维素原料制备木糖和葡萄糖的方法。

背景技术

全球每年经光合作用产生的生物质约1700亿吨，其能量相当于全球能量年消耗总量的10倍，作为能源的利用量还不到总量的l%。由于国家限制粮食作物用于生物能源原料，木质纤维原料的利用途径显得越来越重要。我国每年农作物秸秆产量即可达到7亿吨，除部分作为造纸原料、炊事燃料、饲料肥料和秸秆还田之外，可作为能源用途的秸秆约3.5亿吨，折合1.8亿吨标准煤，可以转化为1亿吨燃料酒精或5000万吨生物柴油。

目前木质纤维原料的主要利用途径为半纤维素或/和纤维素水解产生水解糖，水解糖经过发酵产生乙醇和丁醇等生物能源产品，或/和乳酸、柠檬酸和丁二酸等。木质纤维素原料制备水解糖过程主要包括稀酸预处理与酶解两个步骤。中国专利CN201010221149.4公开了一种生物质制取糖的方法，该方法包括如下内容：生物质原料、无机金属盐和表面活性剂组成的原料浆液在120～180℃反应5～30min，反应结束后固液混合物不经分离，直接将其作为酶水解的原料，酶水解后得到含有糖的水解液。中国专利CN200710121557.0公开了一种蒸汽爆破含纤维素的原料的方法，该方法包括蒸汽爆破含纤维素的原料，其中，该方法包括将含纤维素的原料连续输送至保温压力装置中，使含纤维素的原料在该保温压力装置中保持3-10分钟后，每隔5-12秒使所述保温压力装置中的部分含纤维素的原料释放到常压，利用该装置达到破坏含纤维素原料中包埋纤维素和半纤维素的木质素，以增加含纤维素原料中能与酶接触的纤维素比例，提高制备单糖的产率。

虽然利用木质纤维素原料制备水解糖已经有了较大的进展，但是还存在一些问题：（1）酸水解过程产生的抑制物影响纤维素酶解和乙醇发酵效果，需要进行水洗脱毒；（2）水解糖浓度低，糖液发酵前需经过浓缩，否则影响乙醇精馏能耗等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种木质纤维素原料制备水解糖的方法。本发明方法制备的水解糖液中抑制物少，糖浓度高，解决了稀酸水解过程中产生的抑制物对纤维素酶解以及酶解的葡萄糖发酵产乙醇的负面影响，省略了水解糖浓缩过程，提高了最终乙醇发酵浓度。

本发明木质纤维素原料制备水解糖的方法，包括如下内容：

（1）装填：将木质纤维素原料颗粒装填到柱式反应器中，柱式反应器顶部设有液压活塞式结构，可将木质纤维素原料压实；

（2）洗脱：将稀酸洗脱液加热至60-99℃，优选为70-90℃，从柱式反应器顶部加入进行洗脱，脱除部分抑制物；

（3）酸解：将稀酸水解液加热至60-99℃，通过循环泵从柱式反应器顶部加入进行循环水解，得到浓缩水解糖液；

（4）酶解：调节浓缩水解糖液的pH值4.5-5.5，然后将纤维素酶加入到水解糖液中进行循环酶解，得到含木糖和葡萄糖的浓缩糖液。

本发明中，步骤（1）所述木质纤维素原料包括一切含纤维素的原料，如秸秆、木屑或能源作物等，优选玉米秸秆。将木质纤维素原料粉碎到粒径0.1-2.0mm，优选粒径为0.12-1.0mm。柱式反应器为圆柱形，采用防酸材质或防酸内衬，优选防酸内衬，如聚四氟或陶瓷内衬；柱式反应器上部设有液压活塞式结构，活塞底部靠近反应器圆柱体内壁部位有密封圈，密封圈具有锁死和解锁功能，在填充过程中，活塞密封圈处于解锁状态，木质纤维原料装填满柱式反应器后，利用液压活塞式结构把原料压实，然后调节活塞密封圈处于锁死状态。

本发明中，步骤（2）中的稀酸洗脱液可采用一切有机酸或无机酸，优选甲酸、盐酸或硫酸等，更优选硫酸，酸浓度为0.05wt%-5wt%，优选为0.5wt%-2.5wt%。稀酸洗脱液中还包括草酸铵，草酸铵的浓度为0-1.0wt%，优选为0.2 wt%-0.6wt%。稀酸洗脱液中最好还包括氯化钠和表面活性剂，氯化钠的浓度为0-5.0wt%，优选为0.5wt%-1.0wt%；表面活性剂为十二烷基磺酸钠SDS、Tween80或多元醇等，优选为SDS，浓度为0-0.2wt%，优选为0.01wt%-0.05wt%。洗脱液中的稀酸具有水解功能，有利于水解产生抑制物，特别是水解产生酚类化合物；草酸铵可将木质纤维素原料中的果胶脱除，破坏纤维素、半纤维素和木质素上的附作物，提高水解效率，并且在一定程度上可以抑制木糖的生成；氯化钠可以为水解体系提供氯离子，有助于提高稀酸水解过程中抑制物的快速水解；表面活性剂可以降低水相表面张力，提高木质纤维素原料蜡质层的亲水性，有助于水解过程中抑制物的产生。

本发明中，步骤（2）的稀酸洗脱液与木质纤维素原料的液固质量比为5:1-1:5，优选为0.2:1-3.5:1；洗脱液停留时间为0.2-4h，洗脱时间为3-5h。洗脱同时，柱式反应器的循环水打开或者通过往柱式反应器夹层中通入蒸汽，使柱式反应器保持与稀酸洗脱液相同的温度，通过柱式反应器下的阀门，使稀酸洗脱液流出，实现部分抑制物的脱除。洗脱结束后，可以利用液压活塞式结构将木质纤维素原料进行挤压脱水，一方面可以调节木质纤维素原料的含水率，同时可以进一步带走部分酶解与乙醇发酵的抑制物，有利于后续的酶解及乙醇发酵。

本发明中，当稀酸洗脱液为0.5wt%-2.5wt%的硫酸、0-1.0wt%的NaCl 、0-0.05wt%的SDS和0-0.6wt%的草酸铵。洗脱液与木质纤维素原料的液固质量比为0.2:1-2:1，液相停留时间为0.2-4h。洗脱液中抑制物和糖浓度如表1所示。

表1 洗脱液中的糖浓度和抑制物浓度

组分	浓度（g/L）
		葡萄糖	0-5
木糖	0-15
		总酚	0.02-0.4
乙酸	5-15
		甲酸	-
糠醛	0.05-0.2
		羟甲基糠醛	-
乙酰丙酸	-

由表1可见，洗脱液中的木糖含量为0-15g/L，葡萄糖含量为0-5g/L，而洗脱出的抑制物中乙酸、总酚和糠醛分别为5-15g/L、0.02-0.4g/L、0.05-0.2g/L，其他组分未检出。通过采用特殊组成的洗脱液、控制温度和停留时间，可以保证在少量糖分损失的情况下，快速高效的脱除影响后续过程的酚类物质、乙酸和糠醛，减少抑制物对纤维素酶解和微生物发酵产乙醇的负面影响，在预处理前有效地对木质纤维素原料进行了脱毒处理。并且残存的洗脱液能够提高半纤维素的水解效率，减少稀酸水解过程中抑制物的产生量，即使采用循环水解，累积的抑制物浓度，也不会对酶解和乙醇发酵造成影响。

本发明中，步骤（3）中稀酸水解液与木质纤维素原料的液固质量比为20:1-1:1，优选4:1-2:1；酸浓度为0.05wt%-5wt%，优选为0.5wt%-2.5wt%；酸解时间为2-120h，优选为24-48h；液相停留时间为0.2-30h，优选1-10h。稀酸可采用一切有机酸或无机酸，例如甲酸、盐酸或硫酸，优选硫酸。步骤（3）目的是利用稀酸为催化剂，水解木质纤维素中的半纤维素生成木糖和阿拉伯糖等水解糖，同时使纤维素从半纤维素和木质素的包围中部分释放出来，改变纤维素的结晶结构，使得木质纤维素原料中的纤维素更利于下一步酶解制备葡萄糖过程。本发明采用低温循环水解工艺，抑制物产生量较少，并且，由于事先洗脱出了一定的抑制物，循环水解时抑制物的浓度虽然会有所升高，但是不会影响酶解和后续的的乙醇发酵。木质纤维素原料酸水解洗脱下来的糖分溶解于有限体积的水解液中，提高了水解液中的木糖浓度。

本发明中，步骤（4）中调节pH值的碱液可以是一切碱性化合物配制的溶液，如NaOH、氨水、CaO或Ca(OH)₂等，优选NaOH溶液，NaOH溶液的浓度为5-10mol/L。调节pH值是为了停止木质纤维素原料中半纤维素的酸解反应，同时为纤维素酶解反应提供较优化的条件。

本发明中，步骤（4）中纤维素酶的加入量为5-40 FPIU/g纤维素，优选10-20 FPIU/g纤维素；酶解温度为45-55℃，优选为48-52℃；酶解时间为24-144h，优选为48-84h；液相停留时间为0.2-30 h，优选1-10 h。木质纤维素原料酶解洗脱下来的糖分溶解于有限体积的纤维素酶液中，进一步提高了水解液中的糖浓度，最终形成高浓度的木糖和葡萄糖混合溶液。

本发明木质纤维素原料制备水解糖的方法具有如下优点：

1、本发明制备的水解糖液中抑制物少，糖浓度高，解决了稀酸水解过程中产生的抑制物对纤维素酶解和酶解的葡萄糖发酵产乙醇的负面影响，省略了水解糖液脱毒和浓缩过程，提高了最终乙醇发酵浓度。

2、采用的稀酸洗脱液洗脱预先装填到柱式反应器中的木质纤维素原料，可以在木糖积累较少的情况下，最大量洗脱出影响酶解和乙醇发酵的抑制物。

3、在低温条件下对木质纤维素进行稀酸水解，可使半纤维持续水解，木糖浓度随酸水解时间延长而增加，直到半纤维全部水解。而且，在低温条件下木糖进一步降解生成糠醛的速率相对较低，较高温条件下水解木糖的得率更高，生成的糠醛、羟甲基糠醛、酚类物质和有机酸等抑制物浓度更低，有效降低了抑制物的产生。另一方面，低温水解对设备要求较低，而且更安全。

4、采用液相循环水解洗脱预先装填到柱式反应器中的木质纤维素颗粒，可实现较少的稀酸水解液对较多的木质纤维素原料进行水解，相当于降低了反应体系的液固比，最低可实现液固比1:1，甚至更低。液固比越低可保证更多纤维素和半纤维素水解生成葡萄糖和木糖溶解于液相中，最终获得较高浓度的水解糖液，有利于提高后续水解糖发酵过程产量，降低发酵产物纯化过程能耗，譬如降低利用木质纤维素原料发酵法生产燃料乙醇过程中乙醇精馏的能耗。

附图说明

图1是本发明木质纤维素原料制备水解糖的一种工艺流程图；

其中：1-柱式反应器，2-废液罐，3-收集器，4-循环泵，5-碱泵，6-pH控制器，7-碱罐。

图2是低温稀酸水解时水解糖和抑制物浓度随时间的变化趋势。

具体实施方式

本发明中，木质纤维素原料制备水解糖的工艺流程如图1所示。木质纤维素原料颗粒装填到柱式反应器1中，利用柱式反应器上部设有的液压活塞式结构把木质纤维素原料压实。启动柱式反应器1和收集器3的温控装置，控制两者温度为60-99℃。配制稀酸洗脱液置于收集器3中，打开循环泵4，使稀酸洗脱液从柱式反应器1上端喷淋到木质纤维素原料上，洗脱液直接流入到废液罐2中。将稀酸水解液置于收集器3中，通过循环泵4加入到柱式反应器中进行循环水解，得到浓缩水解糖液。水解结束后启动pH控制器6，将碱罐7中的碱液通过碱泵5加入到收集器3中，直到柱式反应器1和收集器3中的pH都调节为4.5-5.5。最后，再将纤维素酶加入到收集器3的浓缩水解糖液中，启动柱式反应器1和收集器3的温控装置，控制两者温度为45-55℃，进行循环酶解，酶解后收集浓缩糖液，获得含木糖和葡萄糖的浓缩糖液进行乙醇发酵。

采用的木质纤维素原料为玉米秸秆，玉米秸秆中纤维素含量为38wt%，半纤维素含量为21wt%，木质素含量为17wt%。取干燥的玉米秸秆原料机械粉碎到0.12-1.0mm，装填到柱式反应器中。柱式反应器为圆柱形反应器，采用防酸内衬。柱式反应器顶部设有液压活塞式结构，可将木质纤维素原料压实。活塞底部靠近反应器圆柱体内壁部位有密封圈，密封圈具有锁死和解锁功能；活塞底部设有圆盘形液体分布器，分布器有管线引出反应器连接到循环泵液流出口。在填充过程中，活塞密封圈处于解锁状态，木质纤维原料装填满柱式反应器，利用液压活塞式结构把木质纤维素原料压实后，使活塞密封圈处于锁死状态。反应器上、中、下各设置一个测温点，温度电极布置在反应器圆柱截面圆心处，外部设置温控夹层，内部设置螺旋冷凝管，通过电磁阀控制蒸汽或热水进入夹层和冷水进入到内部螺旋冷凝管来控制反应器的温度。柱式反应器下部设有木质纤维素原料阻隔板，阻隔版上布满微孔，孔径50-100目。反应器下部有设有出口阀门。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。本发明中，wt%为质量分数。

实施例1

采用本发明图1所示的工艺流程，柱式反应器有效体积为5 L。木质纤维素原料采用玉米秸秆，粒径为0.15mm。取5 kg玉米秸秆颗粒装填到柱式反应器中并压实，液压活塞的压力为0.4 MPa。配制稀酸洗脱液对木质纤维素原料进行洗脱，稀酸洗脱液包括浓度为2.5wt%的稀硫酸、0.5wt%的NaCl、0.01wt%的SDS和0.2wt%的草酸铵。液固质量比为3.5:1，液相停留时间为1 h，洗脱时间3.5h，不循环，洗脱液收集到废液罐。洗脱后可进行挤压脱水，使得玉米秸秆含水率为40%，另一反面可以挤压出一部分抑制物。配制6.67 L 2.5wt%的稀硫酸，启动温控装置，控制柱式反应器和收集器的温度为90℃，液相停留时间为2 h（循环泵流速为2.5 L/h），连续运行48h，测定收集器中的葡萄糖浓度为0.5wt%，木糖浓度为11.3wt%，稀酸水解阶段木糖得率为94.7%，葡萄糖得率为0.05%。关闭温控，往碱罐中加入10mol/L的NaOH，启动pH控制器，设置收集器中的pH为4.5，pH控制器开始控制碱泵从碱罐中流加NaOH溶液到收集器中，直到柱式反应器和收集器中的pH都调节为4.5。启动温控装置，控制柱式反应器和收集器的温度为50℃，往收集器中加入95g纤维素酶液（酶活：200 FPIU/g纤维素酶），进行纤维素的循环酶解反应。保持循环泵流速不变，循环酶解84h，测定收集器中葡萄糖浓度为19.5wt%，木糖浓度为11.5wt%，稀酸水解和纤维素酶解两段反应后木糖得率为96.3%，葡萄糖得率为93.3%。最终浓缩糖液中的抑制物总酚、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛浓度分别为0.02g/L、3g/L、0.7g/L和0.5g/L。

实施例2

采用与实施例1相同的条件，不同之处一在于：稀酸洗脱液包括浓度为0.5wt%的稀硫酸、1.0wt%的NaCl、0.05wt%的SDS和0.6wt%的草酸铵，洗脱时间为4.0 h；不同之处二在于：稀酸水解的温度为75℃。稀酸水解后测定收集器中的葡萄糖浓度为0.47wt%，木糖浓度为10.4wt%，稀酸水解阶段木糖得率为93.1%，葡萄糖得率为0.03%。不同之处三在于：设置收集器中的pH为5.5，温度为55℃。酶解后测得收集器中葡萄糖浓度为18.9wt%，木糖浓度为10.9wt%。稀酸水解和纤维素酶解两段反应后木糖得率为95.8%，葡萄糖得率为92.1%。水解液中的抑制物总酚、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛浓度分别为0.03g/L、3.2g/L、0.74g/L和0.58g/L。

实施例3

采用与实施例1相同的条件，不同之处在于：稀酸洗脱液包括2.0wt%的稀硫酸和0.5wt%的草酸铵，洗脱时间为4.5h。稀酸水解后测定收集器中的葡萄糖浓度为0.51wt%，木糖浓度为10.1wt%，稀酸水解阶段木糖得率为92.4%，葡萄糖得率为0.03%。酶解后测得收集器中葡萄糖浓度为19.1wt%，木糖浓度为10.1wt%。稀酸水解和纤维素酶解两段反应后木糖得率为94.8%，葡萄糖得率为92.1%。水解液中的抑制物总酚、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛浓度分别为0.04 g/L、3.3g/L、0.81g/L和0.7g/L。

实施例4

采用与实施例1的相同的条件，不同之处在于：稀酸洗脱液为2.5wt%的稀硫酸，洗脱时间为5h。稀酸水解后测定收集器中的葡萄糖浓度为0.03wt%，木糖浓度为8.5wt%，水解阶段木糖得率为85.1%，葡萄糖得率为0.04%。酶解后测得收集器中葡萄糖浓度为16.5wt%，木糖浓度为8.5wt%。稀酸水解和纤维素酶解两段反应后木糖得率为86.2%，葡萄糖得率为84.9%。水解液中的抑制物总酚、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛浓度分别为0.08g/L、4.0g/L、0.97g/L和0.74g/L。

对比例1

对木质纤维素原料不进行抑制物洗脱，直接进行低温稀酸水解。采用2.5wt%的稀硫酸溶液，液固质量比为3:1，温度为90℃，循环泵的流速2.5L/h。水解糖和抑制物浓度随水解时间的变化趋势如图2所示。整个稀酸水解过程主要是将半纤维素水解为木糖，纤维素仅少量水解，到27h基本趋于稳定，木糖浓度为85.23g/L，此时抑制物总酚、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛分别为89.72mg/L、14.26g/L、0.744g/L和0.724g/L。对比3.5h水解体系，木糖浓度为11.43g/L，抑制物总酚、乙酸、糠醛和羟甲基糠醛分别为79.90mg/L、9.43g/L、0.183g/L和未检出，木糖仅生成了13.4%，抑制物总酚、乙酸和糠醛分别生成了89.1%，66.13%和25.3%，羟甲基糠醛则都在3.5 h之后产生。因此，采用本发明工艺首先对木质纤维素原料进行3-5h的抑制物洗脱，在少量糖分损失的前提下可大量去除影响酶解和发酵的抑制物。

对比例2

取70 g干燥玉米秸秆加入到5 L容量的蒸爆装置反应桶中，加入140g 2.0wt%的稀硫酸溶液，液固质量比为2:1。快速电加热到180℃，保持5 min，快速泄压爆破，获得稀酸蒸爆的玉米秸秆。同时做相同液固比的低温稀酸水解实验。取70g干燥玉米秸秆加入到300mL容量的耐压管中，加入140g 2.0wt%的稀硫酸溶液，液固质量比为2:1，放置于90℃烘箱中反应48 h。结果见表2。

表2 玉米秸秆高温稀酸蒸爆和低温稀酸水解对比

由表2可见，采用低温稀酸水解工艺木糖得率是高温酸爆的2倍多，木糖含量可达11.08wt%。并且，产生的抑制物浓度相对较低。

Claims (10)

1.一种木质纤维素原料制备水解糖的方法，其特征在于包括如下内容：

（1）装填：将木质纤维素原料颗粒装填到柱式反应器中，柱式反应器顶部设有液压活塞式结构，将木质纤维素原料压实；

（2）洗脱：将稀酸洗脱液加热至60-99℃，从柱式反应器顶部加入进行洗脱，洗脱液停留时间为0.2-4h，洗脱时间为3-5h，脱除部分抑制物；稀酸洗脱液还包括草酸铵；

（3）酸解：将稀酸水解液加热至60-99℃，通过循环泵从柱式反应器顶部加入进行循环水解，得到浓缩水解糖液；

（4）酶解：调节浓缩水解糖液的pH值4.5-5.5，然后将纤维素酶加入到水解糖液中进行循环酶解，得到含木糖和葡萄糖的浓缩糖液。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）的木质纤维素原料为秸秆、木屑或能源作物，粉碎到粒径0.1-2.0mm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤（1）的柱式反应器为圆柱形，采用防酸材质或防酸内衬；反应器上部设有液压活塞式结构，活塞底部靠近反应器圆柱体内壁部位有密封圈，密封圈具有锁死和解锁功能，在填充过程中，活塞密封圈处于解锁状态，木质纤维原料装填满柱式反应器后，利用液压活塞式结构把木质纤维素原料压实，然后调节活塞密封圈处于锁死状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中的稀酸洗脱液为甲酸、盐酸或硫酸，酸浓度为0.5wt%-2.5wt%。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：稀酸洗脱液中草酸铵的浓度为0.2-0.6wt%。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：稀酸洗脱液还包括氯化钠和表面活性剂，其中氯化钠的浓度为0.5-1.0wt%，表面活性剂为十二烷基磺酸钠，浓度为0.01-0.05wt%。

7.根据权利要求1、4或5所述的方法，其特征在于：步骤（2）中稀酸洗脱液与木质纤维素原料的液固质量比为5:1-3.5:1。

8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：步骤（2）洗脱结束后，利用液压活塞式结构将木质纤维素原料进行挤压脱水。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中稀酸水解液与木质纤维素原料的液固质量比为20:1-1:1，酸浓度为0.05wt%-5wt%，酸解时间为2-120h，液相停留时间为0.2-30h。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中纤维素酶的加入量为5-40FPIU/g纤维素，酶解温度为45-55℃，酶解时间为24-144h，液相停留时间为0.2-30h。