CN105625075A - 一种预处理分离木质纤维素类生物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，所述方法包括以下步骤：1)先将木质纤维素类生物质机械破碎到合适的粒径大小，然后进行预浸渍；2)将步骤1)中得到的固体与水或水蒸气混合进行水热预处理；3)将步骤2)中得到的经水热预处理并清洗后的固体物料与磺化预处理药液混合进行磺化预处理。根据本发明的方法将水热预处理和磺化预处理组合起来，既可以有效脱除半纤维素，也可以有效脱除木质素，从而使底物纤维素含量显著提高，并大大改善其酶水解效率。

Description

一种预处理分离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，具体的说是一种水热和磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法。

背景技术

随着社会的发展和人类生活水平的提高，全球能源的需求日益剧增，加重了能源、环境问题，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。木质纤维素类生物质由于其储量丰富、来源广、廉价易得等优点，被认为是生产生物燃料最具应用前景的原材料。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屏障(例如木质素)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。常见的预处理过程主要是通过脱除木素或半纤维素，改变木质素的结构，降低原料尺寸和纤维素结晶度，增加底物比表面积，以提高酶的可及性及可发酵糖(葡萄糖、木糖)得率。预处理方法通常分为物理法、化学法、生物法和复合方法等，不同的方法各有其优缺点。

文献AppliedEnergy,2015,142,240-246中介绍了几种物理法预处理，包括剪切和研磨、微波处理和高能辐射等。物理法预处理可以减小木质纤维素生物质的原料尺寸，增加其比表面积，降低纤维素的结晶度，进而提高酶的纤维素可及度，但其能耗高、经济性较低。文献EnergyConversionandManagement,2015，93，23-30中介绍了一种生物法预处理法，主要是利用真菌，包括褐腐菌、白腐菌和软腐菌等来降解半纤维素和木质素，使更多的纤维素暴露出来，以提高酶水解效率。生物法预处理过程中处理时间较长，且处理后酶解得率一般较低。蒸汽爆破法预处理可以改变木质素的结构和分布使底物酶水解效果提高，但是蒸汽爆破设备投资较高。化学法预处理主要包括碱法、酸法、氧化法、离子液体法、有机溶剂法等。一般情况下，化学法预处理的效果要优于单一的物理法和生物法。但是，化学法预处理也存在不少问题，例如：酸法预处理虽然能够有效溶出半纤维素，但其对设备腐蚀较为严重，且反应试剂会造成环境污染；氧化法易于脱除木质素，但其处理过程中对氧化剂的消耗较大，成本较高；有机溶剂法也可以有效溶出木质素，且木质素质量较高，但溶剂挥发性大，成本较高。碱法预处理可以有效脱除木质素，但半纤维素的利用率较低，底物经酶水解后得到是葡萄糖和木糖的混合糖，分离成本较高。

水热预处理(即自水解法)是用水或水蒸气作用于物料，由于半纤维素热稳定性较低而首先开始降解，半纤维素的脱乙酰基作用会生成乙酸，乙酸的生成会降低水解液的pH值，从而促进半纤维素降解。文献Industrial&EngineeringChemistryResearch，2002，41，1454-1461中Jacobsen和Wywan研究了在200℃条件下，蔗渣原料的浓度对低聚木糖和木糖制备的影响。发现在研究范围内，所用原料的浓度越高，反应体系的pH越低，低聚木糖含量越高，木糖含量越低。随着反应时间的增加，单糖含量增加，低聚木糖含量降低。文献BioresourceTechnology，2004，91，93-100中Carvalherio等人研究了以啤酒糟为原料制备不同分子量的低聚糖反应条件的影响。在190℃，反应时间5min时低聚糖得率最高，有63％-67％的聚木糖溶于水中。可见，水热预处理可有效的抽出半纤维素，并得到具有高附加值的半纤维素降解产物低聚木糖，但是水热预处理后的物料仍然含有大量木质素，其底物酶水解反应效率仍不理想。

最近，文献BiotechnologyforBiofuels，2014，7:116中Sun等人采用水热预处理和NaOH预处理相复合的两步法预处理，水热预处理段抽出大部分半纤维素，随后的碱预处理段可以脱除50-60％的木质素，两步预处理之后的纤维底物由于纤维素含量很高，其酶水解效果明显高于单段水热法预处理的底物。且联产的低聚木糖和木质素可以提高整个预处理系统的经济性。但是第二段碱处理仍然存在碱回收成本较高的问题。

另一种工业上使用较多的脱除木质素的方法是磺化法，就是使用亚硫酸盐或亚硫酸氢盐将木质素磺化，磺化后的木质素由于亲水性的增加而更易脱除。例如，亚硫酸铵、亚硫酸镁等助剂的使用，既可以有效脱除木质素，又可使黑液富含氮、镁等元素，这种黑液可经改性制成木质素基复合肥还田。文献中国造纸，2015,34,1-6中吕佳青等采用亚硫酸铵预处理麦草备料废渣，在165℃下用16％亚硫酸铵预处理，经PFI磨浆得到的底物，酶水解总糖转化率可达67％。文献BioresourceTechnology，2016，199，188-193中Yu等人研究发现，用5.21％亚硫酸镁，在170℃下处理60min，大约90％的木质素和80％的半纤维素可以脱除，酶水解后的纤维素转化率可达90％。单独使用磺化预处理，底物酶水解后得到的也是混合糖，半纤维素利用效率较低。

所以，针对以上所述，现有预处理方法主要存在能耗较高，药品回收成本较高、设备腐蚀、产物分离利用不充分等问题。所以，急需建立一种经济高效绿色的预处理分离方法。基于以上分析，可以将水热预处理和磺化预处理复合。首先进行水热预处理抽出半纤维素，然后进行磺化预处理脱除木质素，处理后的底物经酶水解产葡萄糖。该两步法预处理一方面可以分别脱除半纤维素和木质素，使底物酶解效率明显提高；另一方面，半纤维素的降解产物经分离提纯可产高附加值产品低聚木糖，而磺化预处理的黑液无需回收药品，经浓缩改性可制备木质素基有机复合肥还田，从而既可使整个预处理系统的经济性增加，又可提高木质纤维原料的利用率。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的新方法，所述方法包括以下步骤：

1)先将木质纤维素类生物质机械破碎到合适的粒径大小0.18mm至5cm，然后用水清洗生物质物料，经清洗后的物料在20-90℃下在水中进行预浸渍0.5-5小时，预浸渍的液固质量比为5:1至20:1；预浸渍段可除去灰尘杂质和部分抽出物，预浸渍后的物料经固液分离，分离的液体可循环用于后续物料的预浸渍，也可经沉降、过滤等将水净化后回用；分离的固体用水清洗至中性，待用。

2)将步骤1)中得到的清洗后的固体与水或水蒸气混合，在100-240℃下进行水热预处理5-200min，液固质量比为4:1至15:1；水热预处理后进行固液分离，水解液用来制备低聚木糖，固体物料用水清洗至中性，待用。

3)将步骤2)中得到的经水热预处理并清洗后的固体物料与磺化预处理药液混合，在90-200℃下对固体物料进行磺化预处理10-200min，液固质量比为4:1至15:1；预处理后的物料经黑液挤出、洗涤和磨浆处理后用于酶水解糖化；挤出的黑液经浓缩改性可直接生产木质素基有机复合肥还田。

优选地，步骤1中的所述预浸渍可以在40-80℃下进行1-3小时，所述液固质量比为6:1-10:1。

优选地，步骤2中的所述水热预处理可以在120-180℃下进行15-120min，液固质量比为6:1-10:1。

优选地，步骤3中的所述磺化预处理可以在100-180℃下进行30-90min，液固比质量为6:1-10:1。

优选地，步骤1中所述木质纤维类生物质来源于农业废弃物(例如玉米秸秆、麦草秸秆、稻草秸秆、芦苇和甘蔗渣等)，林业废弃物(例如木片、锯木屑和树皮等)、竹子、能源植物、工业废弃物(例如制浆造纸厂的纤维渣，酿酒后的麦糟等)、城市废弃物(例如废纸、废纸箱等)或其组合。

优选地，步骤2中水热预处理不使用额外的化学试剂，例如无机酸、有机酸、无机碱或有机碱等。在该步骤2中仅采用来自步骤1)中得到的清洗后的固体和水(或水蒸气)。

优选地，步骤3中所述的磺化预处理药液为亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的溶液，其中，亚硫酸盐或亚硫酸氢盐选自亚硫酸镁、亚硫酸氢镁、亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钙、亚硫酸氢钙、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾中的一种或多种，相对于步骤1中原始原料的绝干质量，所述亚硫酸盐或亚硫酸氢盐用量为5-30wt％。进一步优选地，所述磺化预处理药液为亚硫酸盐的溶液，所述亚硫酸盐为亚硫酸铵或亚硫酸钾，相对于步骤1中原始原料的绝干质量，所述亚硫酸盐用量为8-10wt％。

优选地，步骤3中所述的磨浆处理可以是PFI磨浆机或盘磨机，磨浆的重量百分比浓度为5-20％，磨浆机磨盘间隙为0.1-0.4mm，磨浆压力为0-0.6MPa。

优选地，步骤3中所述的磺化预处理中除了磺化预处理药液以外，不使用额外的化学试剂，例如无机酸、有机酸、无机碱或有机碱等。在该步骤3中仅采用来自步骤2)的固体物料与磺化预处理药液。

有益效果

本发明将水热预处理和磺化预处理组合起来，既可以有效脱除半纤维素，也可以有效脱除木质素，从而使底物纤维素含量显著提高，并大大改善其酶水解效率。水热预处理可以有效脱除半纤维素，水解液经分离提纯可产高附加值低聚木糖，增加预处理段的经济性。水热预处理后的底物再进行磺化预处理可以显著降低磺化预处理段的化学品消耗和处理时间，使磺化段处理成本降低。磺化预处理可以脱除部分木质素，磺化黑液可经浓缩改性制备木质素基有机复合肥还田，既可避免化学品回收所消耗的成本，又可提高预处理段的经济性和木质纤维原料的利用率。

附图说明

图1为根据本发明的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法工艺流程图。

图2为根据本发明的实施例1预处理前后小麦秸秆表面形貌的扫描电镜图(a：预处理前；b：预处理后)。

图3为根据本发明的实施例2预处理前后小麦秸秆的XRD图(a：预处理前；b：预处理后)。

图4为未经预浸渍和经过预浸渍的小麦秸秆其水热预处理后的水解液颜色的对比图，其中附图4a为根据实施例3未经预浸渍的小麦秸秆其水热预处理后的水解液颜色，附图4b为根据实施例4经预浸渍后的小麦秸秆其水热预处理后的水解液颜色。

具体实施方式

以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。

以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。

实施例1

1)小麦秸秆的粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.05-1cm，收集到自封袋中待用。

2)小麦秸秆的水热预处理

取适量切碎的小麦秸秆原料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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至170℃，升温后保温80min，液固比为6:1，进而使原料得以自水解以提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯后可得低聚木糖产品。

3)小麦秸秆的磺化预处理

取2)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为2.17wt％的亚硫酸钾溶液，而后在30min内升温至160℃，升温后保温180min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为6:1，相对于绝干原料，亚硫酸钾的加入量为13wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。磺化黑液经浓缩改性后可用于生产木质素基有机复合肥还田。

3)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热预处理和磺化预处理并清洗后的小麦秸秆浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料(干度约为20％)中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(60.1％)，木聚糖(7.2％)，木质素(21.5％)。水解液中木糖含量18.1g/L。这表明，经过高温自水解处理后，小麦秸秆中的纤维素降解很少，半纤维素的含量明显减少，提取出了大部分的半纤维素。磺化预处理后的固体物料(干度约为24％)中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(65.1％)，木聚糖(7.5％)，木质素(13.1％)。这表明，经磺化预处理后，小麦秸秆中的纤维素没有明显变化，但有效脱除了木质素。

经磺化预处理并清洗后的浆料用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(PFI磨浆浓度为10wt％，磨浆转数为4000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm)。磨浆后在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(Novozyme188)，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,Model1200,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，初始物料经水热预处理的固体回收率为67.2％(相对于原始原料)，经磺化预处理后的固体回收率为51.1％(相对于原始原料)；水热预处理的水解液中聚木糖的得率为63wt％；经两步处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为84.2％。这表明，小麦秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，并且葡萄糖和木糖的利用率都很高，其中木糖利用率比文献中(中国造纸，2015，34，1-6)一步法磺化预处理(45％)提高了近27％。

4)预处理后物料的扫描电镜分析

预处理前后小麦秸秆形貌的扫描电镜图如附图2所示。预处理前(a)的小麦秸秆表面结构紧密且较为平整，而预处理后(b)的小麦秸秆表面较为疏松，表面疏松度和孔隙率明显增加，这主要是由于木质素和半纤维素的脱除而造成的，所述预处理前的原料是指未经本发明的方法的任何处理过程的原料，所述预处理后的原料是指经过本发明的方法的处理过程的产物。表面结构疏松和孔隙率的增加，可以提高酶对纤维素的可及性，从而使最终的可发酵糖得率提高。

实施例2

1)小麦秸秆的粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.05-1cm，收集到自封袋中待用。

2)小麦秸秆的水热预处理

取适量切碎的小麦秸秆原料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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至175℃，升温后保温90min，液固比为8:1，进而使原料得以水热预处理并提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯后可产低聚木糖产品。

3)小麦秸秆的磺化预处理

取2)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为1.7wt％的亚硫酸钾溶液，而后在30min内升温至160℃，升温后保温180min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为7:1，相对于绝干原料，亚硫酸钾的加入量为12wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。磺化黑液经浓缩改性后可产木质素基有机复合肥还田。

3)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热和磺化预处理清洗后的小麦秸秆浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料(干度约为22％)中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(60.5％)，木聚糖(6.8％)，木质素(21.3％)。水解液中木糖含量20.2g/L。这表明，经过水热预处理后，小麦秸秆中的纤维素降解很少，半纤维素的含量明显减少，提取出了大部分的半纤维素。磺化预处理后的固体物料(干度约为25％)中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(65.5％)，木聚糖(6.1％)，木质素(13.5％)。这表明，经磺化预处理后，小麦秸秆中的纤维素没有明显变化，但有效脱除了木质素。

经磺化预处理清洗后的浆料用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(PFI磨浆浓度为15wt％，磨浆转数为4000转，磨浆间隙为0.2mm，磨浆转速为1400rpm)。磨浆后在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(Novozyme188)，以5％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,Model1200,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，初始物料经水热预处理后的固体回收率为67.0％(相对于原始原料)，经磺化处理后的固体回收率为52.7％(相对于原始原料)；水热预处理处理，水解液中聚木糖的得率为66％；经两步处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为85.3％。这表明，小麦秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，并且葡萄糖和木糖的利用率都很高，其中木糖利用率比文献中(中国造纸，2015,34,1-6)一步法磺化预处理(45％)提高了近30％。

4)预处理后物料的XRD(X射线衍射)分析

预处理前后小麦秸秆的XRD图如附图3所示。根据XRD谱图数据计算，预处理前小麦秸秆的结晶度为44％，而经根据本实施例的方法预处理后小麦秸秆的结晶度为51％。预处理后小麦秸秆结晶度的提高主要是由于木质素和半纤维素的脱除引起的。木质素和半纤维素脱除越多，预处理后底物的酶水解效率越高。

实施例3

1)小麦秸秆的粉碎

用切草机将风干的小麦秸秆切碎到0.5-1cm，收集到自封袋中待用。

3)小麦秸秆的水热预处理

取适量破碎后的小麦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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至175℃，升温后保温20min，液固比为8:1，进而使原料得以水热预处理并提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯后可产低聚木糖产品。

4)小麦秸秆的磺化预处理

取3)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为2.17wt％的亚硫酸铵，而后在30min内升温至160℃，升温后保温60min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为6:1，相对于绝干原料，亚硫酸铵的加入量为13wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。磺化黑液经浓缩改性后可产木质素基有机复合肥还田。

5)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热预处理和磺化预处理清洗后的小麦秸秆浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料(干度约为20％)中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(60.5％)，木聚糖(6.8％)，木质素(21.3％)。水解液中木糖含量20.9g/L。这表明，经过水热预处理后，小麦秸秆中的纤维素降解很少，半纤维素的含量明显减少，提取出了大部分的半纤维素。磺化预处理后的固体物料(干度约为23％)中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(65.5％)，木聚糖(7.1％)，木质素(11.4％)。这表明，经磺化预处理后，小麦秸秆中的纤维素没有明显变化，有效脱除了木质素。

经磺化预处理清洗后的浆料用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(PFI磨浆浓度为12wt％，磨浆转数为4000转，磨浆间隙为0.26mm，磨浆转速为1400rpm)。磨浆后在pH4.8，52℃下，使用22FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和2IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，以6％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,Model1200,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，初始物料经水热预处理后的固体回收率为67.0％(相对于原始原料)，经磺化预处理后的固体回收率为49.8％(相对于原始原料)；第一步水热预处理，水解液中聚木糖的得率为66％；经两步处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为86.5％。这表明，小麦秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解。

实施例4

1)小麦秸秆粉碎

用切草机将风干的小麦秸秆切碎到0.5-2cm，收集到自封袋中待用。

2)小麦秸秆的预浸渍

将切碎的小麦秸秆用自来水清洗后，在60℃下进行预浸渍3小时，液固比为10:1。预浸渍后的小麦秸秆将预浸渍液挤出，然后用自来水清洗至中性，封于自封袋中称重后冷藏备用。

3)小麦秸秆的水热预处理

取适量预浸渍后的小麦秸秆原料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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至175℃，升温后保温80min，液固比为6:1，进而使原料得以水热预处理并提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯后可产低聚木糖产品。

4)小麦秸秆的磺化预处理

取3)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为2.33wt％的亚硫酸铵溶液，而后在30min内升温至160℃，升温后保温100min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为6:1，相对于绝干原料，亚硫酸铵的加入量为14wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。磺化黑液经浓缩改性可产木质素基有机复合肥还田。

5)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热预处理和磺化预处理并清洗后的小麦秸秆浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(63.5％)，木聚糖(5.6％)，木质素(21.3％)。水解液中木糖含量24.3g/L。附图4a为根据实施例3未经预浸渍的小麦秸秆其水热预处理后的水解液颜色，附图4b为根据实施例4经预浸渍后的小麦秸秆其水热预处理后的水解液颜色。与实施例3相比可以看出，经预浸渍后的小麦秸秆其水热预处理后的水解液颜色较浅、较清亮。说明，经预浸渍后再进行水热预处理，可以降低水热预处理水解液的杂质含量，这必然会降低水解液中低聚木糖的分离提纯成本。

磺化预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(65.5％)，木聚糖(5.7％)，木质素(9.5％)。这表明，经磺化预处理后，小麦秸秆中的纤维素没有明显变化，有效脱除了木质素。

经磺化预处理清洗后的浆料用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(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)。磨浆后在pH4.8，50℃下，使用18FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，以8％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,Model1200,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，初始物料经水热预处理后的固体回收率为67.3％(相对于原始原料)，经磺化处理后的固体回收率为50.0％(相对于原始原料)；第一步水热预处理，水解液中聚木糖的得率为65％；经两步预处理后物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为88.5％。这表明，小麦秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解葡萄糖得率很高。

实施例5

1)小麦秸秆的粉碎

用切草机将风干的小麦秸秆切碎到0.5-2cm，收集到自封袋中待用。

2)小麦秸秆的预浸渍

将切碎的小麦秸秆用自来水清洗后，在60℃下进行预浸渍3小时，液固比为12。预浸渍后的小麦秸秆将预浸渍液挤出，然后用自来水清洗至中性，封于自封袋中称重后冷藏备用。

3)小麦秸秆的水热预处理

取适量预浸渍后的小麦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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至180℃，升温后保温45min，液固比为5:1，进而使原料得以水热预处理并提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯可产低聚木糖产品。

4)小麦秸秆的磺化预处理

取3)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为2.86wt％的亚硫酸铵溶液，而后在30min内升温至160℃，升温后保温180min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为7:1，相对于绝干原料，亚硫酸铵的加入量为20wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。磺化黑液经浓缩改性可产木质素基有机复合肥还田。

5)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热预处理和磺化预处理清洗后的小麦秸秆浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(63.5％)，木聚糖(7.2％)，木质素(20.1％)。水解液中木糖含量20.4g/L。这表明，经过水热预处理后，小麦秸秆中的纤维素降解很少，半纤维素的含量明显减少，提取出了大部分的半纤维素。磺化预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(65.8％)，木聚糖(7.2％)，木质素(10.6％)。这表明，经磺化预处理后，小麦秸秆中的纤维素没有明显变化，但有效脱除了木质素。

经磺化预处理并清洗后的浆料用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(PFI磨浆浓度为16％，磨浆转数为5000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm)。磨浆后在pH4.8，50℃下，使用18FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和3IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，以5％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,Model1200,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，初始物料经水热预处理后的固体回收率为67.0％(相对于原始原料)，经磺化预处理后的固体回收率为49.7％(相对于原始原料)；第一步水热预处理，水解液中聚木糖的得率为66％；经两步处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为90.6％。这表明，小麦秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，葡萄糖得率很高。

6)磺化黑液做肥料的初步评价

磺化预处理后的黑液固含量约为6wt％，经浓缩后固含量提升至约25wt％，黑液原液和浓缩液的元素分析结果见附表1。可见，从液体肥料生产原料的要求分析，其用于液体肥料的生产是安全可行的。以浓缩液为原料，通过添加氮磷钾等化学养分和腐植酸或氨基酸等有机助剂，可开发不同类型的配方肥料，并根据国家的相关肥料质量标准，通过添加氨基酸，可将含氨基酸型配方肥的游离氨基酸含量调节至达120g/L，通过添加黄腐酸钾(钠)，可将含腐殖酸型配方肥的腐殖酸含量调节至40g/L。初步配方获得的肥料小试产品养分含量指标见附表2。经初步评价可见，用磺化黑液来做液体肥料是可行的。

表1：黑液浓缩前后的元素含量变化

表2：初步配方获得的肥料小试产品养分含量指标

初步配方获得小试产品养分含量指标

实施例6

1)水稻秸秆的粉碎

用切草机将风干的水稻秸秆切碎到0.5-1.5cm，收集到自封袋中待用。

2)水稻秸秆的预浸渍

将切碎的水稻秸秆用自来水清洗后，在70℃下进行预浸渍2小时，液固比为10:1。预浸渍后的水稻秸秆将预浸渍液挤出，然后用自来水清洗至中性，封于自封袋中称重后冷藏备用。

3)水稻秸秆的水热预处理

取适量预浸渍后的水稻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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至190℃，升温后保温20min，液固比为15:1，进而使原料得以水热预处理并提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯后可产低聚木糖产品。

4)水稻秸秆的磺化预处理

取3)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为1.88wt％的亚硫酸铵溶液，而后在30min内升温至165℃，升温后保温120min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为8:1，相对于绝干原料，亚硫酸铵的加入量为15wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋重备用。预处理后的黑液可经改性制备木质素基复合肥还田。

5)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热预处理和磺化预处理并清洗后的水稻秸秆浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(60.5％)，木聚糖(6.8％)，木质素(21.3％)。水解液中木糖含量21g/L。这表明，经过水热预处理后，水稻秸秆中的纤维素降解很少，半纤维素的含量明显减少，提取出了大部分的半纤维素。磺化预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(65.5％)，木聚糖(7.1％)，木质素(11.0％)。这表明，经磺化预处理后，水稻秸秆中的纤维素没有明显变化，有效脱除了木质素。

经磺化预处理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2890rpm，磨浆压力0.4MPa。磨浆后在pH4.8，50℃下，使用16FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，以6％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解36h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,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，初始物料经水热预处理后的固体回收率为67.0％(相对于原始原料)，经磺化预处理后的固体回收率为49.6％(相对于原始原料)；第一步水热预处理，水解液中聚木糖的得率为67％；经两步处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为89％。这表明，水稻秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，葡萄糖得率很高。

实施例7

1)秸秆的粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆和小麦秸秆混合物(混合比例为1:2)切碎到0.5-2cm，收集到自封袋中待用。

2)秸秆的预浸渍

将切碎的秸秆混合物用自来水清洗后，在80℃下进行预浸渍3小时，，液固比为18:1。预浸渍后的秸秆将预浸渍液挤出，然后用自来水清洗至中性，封于自封袋中称重后冷藏备用。

3)秸秆的水热预处理

取适量预浸渍后的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)，并向反应器中加入自来水，而后在30min内升温至200℃，升温后保温10min，液固比为8:1，进而使原料得以水热预处理并提取半纤维素。将上述处理后物料的水解液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋称重后备用。水解液经分离提纯可产低聚木糖产品。

4)秸秆的磺化预处理

取3)中清洗后的物料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)，并向反应器中加入自来水和质量浓度为2.14wt％的亚硫酸钾，而后在30min内升温至170℃，升温后保温100min，进而使物料得以磺化预处理，其中，反应器中液固质量比为7:1，相对于绝干原料，亚硫酸钾的加入量为15wt％。将上述处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗至中性，然后收集到自封袋重备用。预处理后的黑液可经改性制备木质素基复合肥还田。

5)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经水热预处理和磺化预处理并清洗后的秸秆混合物浆料和水解液根据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,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。结果表明，水热预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(61.4％)，木聚糖(5.8％)，木质素(20.9％)。水解液中木糖含量23g/L。这表明，经过水热预处理后，秸秆混合物中的纤维素降解很少，半纤维素的含量明显减少，提取出了大部分的半纤维素。磺化预处理后的固体物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(66％)，木聚糖(5.8％)，木质素(10.7％)。这表明，经磺化预处理后，秸秆混合物中的纤维素没有明显变化，有效脱除了木质素。

经磺化预处理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14％，磨浆间隙为0.21mm，磨浆转速为2890rpm，磨浆压力0.2MPa。磨浆后在pH4.8，50℃下，使用18FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)和4IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，以9％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解36h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,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，初始物料经水热预处理后的固体回收率为65.7％(相对于原始原料)，经磺化预处理后的固体回收率为50.6％(相对于原始原料)；第一步水热预处理，水解液中聚木糖的得率为65.8％；经两步处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为91％。这表明，秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，葡萄糖得率很高。

Claims (10)

1.一种水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，所述方法包括以下步骤：

1)先将木质纤维素类生物质机械破碎到合适的粒径大小0.18mm至5cm，然后用水清洗生物质物料，经清洗后的物料在20-90℃下在水中进行预浸渍0.5-5小时，预浸渍的液固质量比为5:1至20:1；预浸渍后的物料经固液分离，分离的液体循环用于后续物料的预浸渍，或者经沉降、过滤将水净化后回用；分离的固体用水清洗至中性，待用；

2)将步骤1)中得到的清洗后的固体与水或水蒸气混合，在100-240℃下进行水热预处理5-200min，液固质量比为4:1至15:1；水热预处理后进行固液分离，水解液用来制备低聚木糖，固体物料用水清洗至中性，待用；

3)将步骤2)中得到的经水热预处理并清洗后的固体物料与磺化预处理药液混合，在90-200℃下对固体物料进行磺化预处理10-200min，液固质量比为4:1至15:1；预处理后的物料经黑液挤出、洗涤和磨浆处理后用于酶水解糖化；挤出的黑液经浓缩改性可直接生产木质素基有机复合肥还田。

2.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤1中的所述预浸渍可以在40-80℃下进行1-3小时，所述液固质量比为6:1-10:1。

3.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤2中的所述水热预处理可以在120-180℃下进行15-120min，液固质量比为6:1-10:1。

4.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤3中的所述磺化预处理可以在100-180℃下进行30-90min，液固比质量为6:1-10:1。

5.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤1中所述木质纤维类生物质来源于农业废弃物(例如玉米秸秆、麦草秸秆、稻草秸秆、芦苇和甘蔗渣等)，林业废弃物(例如木片、锯木屑和树皮等)、竹子、能源植物、工业废弃物(例如制浆造纸厂的纤维渣，酿酒后的麦糟等)、城市废弃物(例如废纸、废纸箱等)或其组合。

6.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤2中水热预处理不使用额外的化学试剂，所述化学试剂包括无机酸、有机酸、无机碱和有机碱；在该步骤2中仅采用来自步骤1中得到的清洗后的固体和水或水蒸气。

7.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤3中所述的磺化预处理药液为亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的溶液，其中，亚硫酸盐或亚硫酸氢盐选自亚硫酸镁、亚硫酸氢镁、亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、亚硫酸钙、亚硫酸氢钙、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾中的一种或多种，相对于步骤1中原始原料的绝干质量，所述亚硫酸盐或亚硫酸氢盐用量为5-30wt％。

8.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，所述磺化预处理药液为亚硫酸盐的溶液，所述亚硫酸盐为亚硫酸铵或亚硫酸钾，相对于步骤1中原始原料的绝干质量，所述亚硫酸盐用量为8-10wt％。

9.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤3中所述的磨浆处理可以是PFI磨浆机或盘磨机，磨浆的重量百分比浓度为5-20％，磨浆机磨盘间隙为0.1-0.4mm，磨浆压力为0-0.6MPa。

10.根据权利要求1所述的水热与磺化联合预处理分离木质纤维素类生物质的方法，其特征在于，步骤3中所述的磺化预处理中除了磺化预处理药液以外，不使用额外的化学试剂，所述化学试剂包括无机酸、有机酸、无机碱和有机碱；在该步骤3中仅采用来自步骤2)的固体物料与磺化预处理药液。