CN105734087A

CN105734087A - 一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法

Info

Publication number: CN105734087A
Application number: CN201410768035.XA
Authority: CN
Inventors: 鲍杰; 何燕青; 张建
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2016-07-06

Abstract

本发明涉及一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其具体步骤为：(1)对木质纤维素原料进行预处理；(2)在反应器内对第(1)步得到的物料进行快速生物降解处理，脱除预处理过程中产生的多种对后续酶解和发酵具有抑制作用的化合物；(3)在反应器内对第(2)步得到的物料进行酶解及后续加工。本发明的优点：在保证抑制物降解效率的前提下，将处理周期缩短到6-36小时，大幅提高了该过程的效率和实用性；同时，将生物降解过程放大到反应器水平，并将其与后续的转化过程整合在同一个反应器内，提高了生物炼制过程的集成度，为抑制物的生物降解在木质纤维素生物炼制工业中的应用奠定基础。

Description

一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法

技术领域

本发明涉及生物炼制以及生物能源领域，具体的是一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法。

背景技术

木质纤维素生物炼制的主要流程包括木质纤维素的前处理、预处理、酶解糖化、发酵生产以及产品分离等工序。预处理过程是指利用物理、化学以及物理化学方法对木质纤维素的结构进行破坏的一个过程，该过程可以有效地增加木质纤维素原料中的纤维素以及半纤维素在后续生物加工中的转化效率，是木质纤维素生物炼制过程中最重要的步骤。然而在预处理过程中，由于高温以及化学催化剂的协同作用，木质纤维素原料中的纤维素、半纤维素和木质素不可避免地会产生过度降解，产生对后续酶水解糖化以及发酵过程有强抑制作用的副产物，主要包括三类：呋喃类衍生物(糠醛、羟甲基糠醛)、有机酸(甲酸、乙酸、乙酰丙酸)和酚类化合物。不同形式的预处理以及不同催化剂的使用会造成预处理后的物料中含有不同种类抑制物的组合，极大程度地抑制后续的转化过程，因此必须选择有效的脱除抑制物的方法保证生物炼制。

脱除抑制物的方法包括物理方法、化学方法、生物方法，其中物理方法包括水洗预处理后的原料、活性炭吸附、蒸发方法去除木质纤维素水解液中的抑制物；化学方法包括离子交换法去除木质纤维素水解液中的呋喃类化合物如糠醛、羟甲基糠醛，石灰过碱化方法去除木质纤维素水解液中的呋喃类化合物以及有机酸；生物法包括利用微生物代谢抑制物或者针对抑制物转化的酶催化过程，使抑制物转化为毒性较低的化合物或进入菌体生长代谢的过程，产生水和二氧化碳。物理以及化学脱除抑制物的方法更多地被应用于木质纤维素的水解液的处理，针对的抑制物种类比较有限，并且需要用到高成本、高能耗的仪器设备，脱除抑制物的反应之余，同时会造成纤维素水解液中的可利用糖类的损失以及大量含有有毒化合物的废水废渣的产生，给工业生产过程中增加了负担。

相比物理化学方法而言，生物降解法脱除木质纤维素来源的抑制物，既可以在木质纤维素水解前，又可以在水解后进行，并且条件温和、操作简便、能够处理的抑制物种类较多等优点。而在生物降解中，微生物固态培养的降解方式更突显上述的几种优势，具有在工业化生产过程中的应用前景。固态培养方式降解抑制物应用较为广泛的是丝状真菌、白腐真菌和以及活性污泥的固态培养降解各类木质纤维素来源的抑制物。但是，在微生物固态培养降解木质纤维素来源抑制物的体系中，缺乏有效的传质和混合作用，从而使降解体系中存在温度梯度以及溶氧限制等，造成生物降解过程速率缓慢，极大地影响了木质纤维素生物炼制过程的效率。例如，在公开号为CN102191279A的中国专利中，申请人用丝状真菌AmorphothecaresinaeZN1降解木质纤维素原料预处理后产生的抑制物，彻底脱除糠醛、羟甲基糠醛和乙酸这三种含量最高的抑制物，时间长达4～7天，极大地影响了后续生物转化过程的效率。基于此，本发明致力于通过在反应器水平采用调整生物降解的过程策略，加速木质纤维素来源抑制物的生物降解速率，为生物降解在生物炼制产业中的应用提供参考。

发明内容

本发明的目的在于克服预处理后木质纤维素来源的抑制物生物降解过程环节的慢速低效，将生物降解过程转移到能够处理高固体含量混合的螺带搅拌桨生物反应器中，加速微生物降解抑制物过程，使生物降解过程控制在36小时之内，随后在同一反应器内进行在位的生物转化生产化学品的过程，在保证生产效率的同时，提高生物炼制过程的总体效率。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其具体步骤为：

(1)将木质纤维素原料进行除尘、粉碎；

木质纤维素原料包括玉米秸秆、小麦秆、大麦秆、稻草、麸皮、稻壳、高粱杆、油菜秆、柳枝稷、芦苇、废纸、木屑、麻风树籽壳等富含纤维素和半纤维素的物料的一种或几种的混合物，通过锤式粉碎机将物料粉碎至颗粒长度为0.1cm-1cm；

(2)将(1)中粉碎的原料进行预处理；

预处理方法主要为化学方法，包括稀酸预处理、稀碱预处理、蒸汽预处理、有机溶剂预处理、蒸汽爆破、氨纤维爆破、热水预处理、螺杆挤压预处理、研磨预处理中的一项或多项；

(3)从(2)中得到的预处理物料的固态或者液态浆液用抑制物快速生物降解法进行处理。抑制物快速生物降解在生物反应器中进行，该生物反应器可以控制过程的温度、pH、添加供氧、以及搅拌混合作用。其中生物反应器中装备能够处理固体物料的混合作用的搅拌装置，包括螺带式搅拌桨、斜叶式搅拌桨、平板式搅拌桨、框式搅拌桨、锚式搅拌桨。在之前的研究中，螺带式搅拌桨表现出了在固体物料的优良混合作用，因此优先选用螺带搅拌桨作为生物降解反应器中的搅拌桨。

其中所用到的微生物包括丝状真菌、白腐真菌、活性污泥。由于丝状真菌树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1在先前申请的专利(CN102191279A)的实施案例中表现出了对微生物发酵毒性最大的呋喃类抑制物降解的优越性，并且相对其他菌而言，有更强的耐受抑制物的能力，因此优先选用树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1；

固态生物降解过程所用到的基质包括预处理物料和预处理后液体的混合浆液或者固体秸秆(针对高固体含量的预处理过程)。实现快速生物降解抑制物的方法中，首先，需要将生物降解过程转移至生物反应器中进行；其次，通过在培养过程中添加无机盐离子、提供菌体代谢抑制物的辅因子、溶氧水平、增大菌体接种量、过程pH调控；调节体系的湿度，达到快速降解抑制物的效果。

(4)用(3)中经过快速生物的物料或者浆液在同一个螺带搅拌桨生物反应器中直接进行生物转化生产化学品的过程。

生物转化过程包括木质纤维素原料的酶解糖化和发酵生产液体燃料或化学品。酶解糖化过程的产品包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、木质素；发酵生产的化学品过程包括乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、生物油脂、乳酸、柠檬酸、谷氨酸、葡萄糖酸、琥珀酸和所有以糖为平台的生物炼制产品。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

与常规的生物脱毒方法相比，快速生物降解抑制物过程在保证产品生产效率的前提下，将过程转移至适用于固体混合的生物反应器中，增加过程中的溶氧、搅拌混合、辅因子及营养添加、pH调控、湿度调控、接种量调节方法，大大缩短了生物降解彻底脱除抑制物的周期，将过程控制在6～36小时，并保留了较多的糖类；而后，在同一个生物反应器中进行后续生物转化生产化学品，与经过传统固态培养模式下的生物降解4天后的木质纤维素原料相比，得到了相同的生产效率。该方法相比原先的生物降解过程而言，无需额外的反应器、减少过程中染菌现象；在工业化生产中，能够节省额外的设备投入、运输成本，无需对生物处理后的原料进行高温灭菌，降低能耗，提高木质纤维素生物炼制生产生物基化学品过程的整体效率。

具体实施方式

以下提供本发明一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法的具体实施方式。实施例1

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量(每100克干秸秆含有2.5克硫酸)、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取出2000g加入10L塑料盒中，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入在固体秸秆中培养的树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1的固体种子，开始固态发酵形式的静态生物降解过程。过程中取样进行抑制物的检测，处理48小时后的秸秆中糠醛降解率为92.51％，羟甲基糠醛降解率为62.23％，乙酸降解率为30.38％。用生物降解处理后的预处理秸秆通过30％固体含量的同步糖化发酵过程生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为46.85g/L；静态生物降解处理96小时后的秸秆中糠醛降解率为100％，羟甲基糠醛降解率为98.94％，乙酸降解率为100％，基本完成脱毒，用生物降解处理后的预处理秸秆通过30％固体含量的同步糖化发酵过程生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为50.00g/L。

实施例2

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取900g加入带有螺带式搅拌桨的5L生物反应器中，打开搅拌转速50转/分钟，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入培养在秸秆中的树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1固体种子90g，待混匀后停止搅拌，开始固态生物降解过程，过程中不进行通气处理。过程中，在取样操作之前打开搅拌，以50转/分钟转速搅拌90秒，取样进行抑制物的检测，处理36小时后的秸秆中糠醛降解率为75.61％，羟甲基糠醛降解率为36.29％，乙酸降解率为3％，用快速生物降解处理后的预处理秸秆进行30％固体含量的同步糖化发酵生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为43.91g/L。

实施例3

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取900g加入带有螺带式搅拌桨的5L生物反应器中，打开搅拌，转速50转/分钟，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入培养在秸秆中的树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1固体种子90g，待混匀后停止搅拌，开始固态生物降解过程，过程中保持通气量50升/小时。过程中，在取样操作之前打开搅拌，以50转/分钟转速搅拌90秒，取样进行抑制物的检测，处理36小时后的秸秆中糠醛降解率为96.89％，羟甲基糠醛降解率为80.37％，乙酸降解率为63.52％，用快速生物降解处理后的预处理秸秆进行30％固体含量的同步糖化发酵生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为49.55g/L，与传统固态脱毒4天的结果相似。

实施例4

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取900g加入带有螺带式搅拌桨的5L生物反应器中，打开搅拌，调节转速50转/分钟，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1固体种子90g，待混匀后停止搅拌，开始固态生物降解过程，过程中保持通气量75升/小时。过程中，在取样操作之前打开搅拌，以50转/分钟转速搅拌90秒，取样进行抑制物的检测，处理36小时后的秸秆中糠醛降解率为95.78％，羟甲基糠醛降解率为100％，乙酸降解率为93.08％，用快速生物降解处理后的预处理秸秆进行30％固含量的同步糖化发酵生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为50.12g/L，与传统固态脱毒4天的结果相似。

实施例5

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取900g加入带有螺带式搅拌桨的5L生物反应器中，打开搅拌，调节转速50转/分钟，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1固体种子90g，待混匀后停止搅拌，开始固态生物降解过程，过程中保持通气量100升/小时。过程中，在取样操作之前打开搅拌，以50转/分钟转速搅拌90秒，取样进行抑制物的检测，处理36小时后的秸秆中糠醛降解率为98.97％，羟甲基糠醛降解率为96.06％，乙酸降解率为95.96％，用快速生物降解处理后的预处理秸秆进行30％固体含量的同步糖化发酵生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为49.03g/L，与传统固态脱毒4天的结果相似。

实施例6

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取900g加入带有螺带式搅拌桨的5L生物反应器中，打开搅拌，调节转速50转/分钟，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1固体种子90g，待混匀后停止搅拌，开始固态生物降解过程，保持通气量150升/小时。过程中，在取样操作之前打开搅拌，以50转/分钟转速搅拌90秒，取样进行抑制物的检测，处理36小时后的秸秆中糠醛降解率为100％，羟甲基糠醛降解率为97.84％，乙酸降解率为98.51％，用快速生物降解处理后的预处理秸秆进行30％固体含量的同步糖化发酵生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为48.56g/L，与传统固态脱毒4天的结果相似。

实施例7

将除尘粉碎后的1200g干秸秆与5％质量分数的600g稀硫酸溶液加入配有螺带式搅拌桨的预处理反应器中，进行高温预处理反应，反应条件175oC、2.5％稀硫酸用量、搅拌转速50转/分钟，温度升至175oC后反应5分钟，从反应器中取出预处理后的物料，并取900g加入带有螺带式搅拌桨的5L生物反应器中，打开搅拌，调节转速50转/分钟，用20％质量浓度的氢氧化钙溶液调节pH值至5.5后，以质量比10％的接种量接入树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1固体种子90g，停止搅拌，保持通气量200升/小时。过程中，在取样操作之前打开搅拌，以50转/分钟转速搅拌90秒，取样进行抑制物的检测，处理36小时后的秸秆中糠醛降解率为100％，羟甲基糠醛降解率为99.08％，乙酸降解率为93.50％，用快速生物降解处理后的预处理秸秆进行30％固体含量的同步糖化发酵生产乙醇，发酵72小时后乙醇浓度为49.72g/L，与传统固态脱毒4天的结果相似。

本发明所涉及的木质纤维素原料的预处理方法不限于稀酸预处理方法，还可以为稀碱预处理方法、有机溶剂预处理方法、蒸汽预处理方法、蒸汽爆破、氨纤维爆破、热水预处理、螺杆挤压预处理、研磨预处理中的一种或几种组合方法。

本发明所涉及的用于生物降解以及后续生产化学品的反应器不限于螺带搅拌桨反应器，还可以是滚筒式反应器、斜叶式搅拌桨反应器、平板式搅拌桨反应器、框式搅拌桨反应器、锚式搅拌桨反应器中的一种或几种的组合。

本发明所涉及的抑制物生物降解的菌种不限于树脂枝孢霉，还可以为其他丝状真菌、白腐真菌、活性污泥中的一种或几种混合菌种。

本发明所涉及的改进抑制物生物降解过程的方法不限于通气增加溶氧，还可以是添加搅拌混合、pH调控、增加生物降解过程的菌体接种量、调整培养体系湿度、添加抑制物代谢过程中的辅因子和的营养物的方法中的一种或几种的组合。

本发明所涉及的发酵产物不限于乙醇，还可以是其他通过生物转化生产的生物燃料包括丁醇、2,3-丁二醇、生物油脂和生物基化学品包括乳酸、柠檬酸、谷氨酸、葡萄糖酸、琥珀酸和所有以糖为平台的生物炼制产品。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims

1.一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)木质纤维素原料的预处理；

(2)在适用于固体混合的反应器内对第(1)步得到的物料进行快速生物降解处理，脱除预处理过程中产生的多种对后续酶解和发酵具有抑制作用的化合物；

(3)在适用于固体混合的反应器内对经过快速生物降解处理的木质纤维素原料进行酶解及后续加工。

2.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，预处理方法包括稀酸预处理、碱法预处理、有机溶剂预处理、蒸汽预处理、蒸汽爆破预处理、氨纤维膨爆预处理、热水预处理、螺杆挤压预处理、研磨预处理中的一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，快速生物降解所用到的方式是微生物固态培养。

4.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，快速生物降解中所用到的反应器为适用于固体物料混合的反应器。反应器为直筒或滚筒式反应器；搅拌桨形式包括螺带式搅拌桨、斜叶式搅拌桨、平板式搅拌桨、框式搅拌桨、锚式搅拌桨中的一种或几种的组合，优先选用螺带式搅拌桨；反应器设有通气口，并配备通气管路。

5.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，快速生物降解所用菌种包括丝状真菌、白腐真菌、活性污泥中的一种或几种的组合，优先选用丝状真菌树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1(CGMCC7452)。

6.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，快速生物降解是通过调整生物降解的过程策略，如增加溶氧、强化混合、添加营养物、控制pH、调节反应体系湿度中的一种或几种方法的组合来实现。在调整生物降解过程策略中，增加溶氧包括增加微生物培养过程中的空气通入量、纯氧通入量、调节搅拌速率、调节反应体系湿度中的一种或几种组合；添加营养物包括添加无机盐、蛋白质以及微量元素中的一种或几种组合；控制pH所用到的试剂包括盐酸、硫酸、乙酸、磷酸、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾、氨水、尿素中的一种或几种组合。

7.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，抑制物快速生物降解完成的时间节点控制在6～36小时，以木质纤维素原料中毒性最大、含量最高的一种或几种抑制物彻底降解作为测定标准，使后续的化学品生产过程正常进行。

8.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，经过快速生物降解脱除抑制物后的木质纤维素原料，后续的酶解以及产品发酵过程在同一个反应器中进行，无需额外的灭菌操作或转移至其它反应器。

9.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，对经过快速生物降解的木质纤维素原料进行酶解及后续产品的生产包括，基于“纤维素糖平台”的生物转化生产液体燃料和生物基化学品的过程，或基于“纤维素糖平台”的化学催化转化生产液体燃料和生物基化学品的过程。其中生物转化的方式包括发酵、生物催化中的一种或几种的组合，化学转化的方式包括催化加氢或加氢裂解等。液体燃料包括乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、生物油脂；生物基化学品包括乳酸、柠檬酸、谷氨酸、葡萄糖酸、琥珀酸和所有以糖为平台的生物炼制产品。