CN106758451A - 一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物质结合蒸汽膨爆技术综合预处理方法，将生物质原料粗切至10~40 mm 后，置于蒸汽爆破装置在0.8~2.0 MPa 的蒸汽压力下维持3~8 min；经隔膜压榨压滤机两次固液分离后得到的固体残渣烘干后与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:20混匀，精练酶质量浓度20 g/L，55℃发酵 48 h。本发明的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，通过蒸汽膨爆法把相互紧密缠绕的木质素、纤维素和半纤维素打开，增大生物质原料的孔隙率与比表面积，改善了纤维素的延展性能，提高精炼酶的作用效率，增大木质素脱除率并减少酶的用量，具有效率高，零污染等优势。

Description

一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法

技术领域

本发明属于生物质原料脱除木质素的预处理技术领域，提供一种综合性的生物酶处理技术。

背景技术

近年来，随着石油、煤炭储量的下降，以及各国对环境污染问题日益关注，纤维素这种价廉的可再生资源的应用也愈来愈受到重视。目前，在纺织、造纸、生物、化工、食品、医药、涂料、塑料、保健品等领域中的应用十分广泛。由于木质素、半纤维素以及木质素的复杂的结构特性，在纤维素外面缠绕覆盖着一层木质素、半纤维素的结合层，因此不能高效单一的利用纤维素，必须进行预处理，脱除生物质原料中的木质素。精练酶处理有较好的去除木质素效果，且对生物质纤维强度损伤小；碱去除木质素的效果比漆酶好，但对纤维强度损伤较大。

有效的预处理方法主要包括以下几个方面：一是对生物质原料的外形大小要求不高，保留有效的戊糖成分；二是减少可抑制酶水解和发酵菌株的降解物，三是最少的能量和成本投入。其它的要求包括较低的预处理催化剂的消耗和催化剂的低成本循环使用，高附加值的木质素副产品等。

预处理方法可分为物理法、化学法和生物法。物理预处理法包括机械法(Comminution)、蒸汽膨爆法(Steam Explosion)、热解法(Hydrothermolysis)。化学法处理法在预处理系统中加入酸或碱可以强化水解并提高葡萄糖的收率，包括硫酸、盐酸、氨溶剂、DMSO 和各种纤维素溶剂等，最常用的稀硫酸和氢氧化钠。生物预处理法中主要使用白腐菌等微生物降解木质素，其中黄孢原毛平革菌(P. chrysosporium)是最常用的菌种。目前比较先进的预处理技术是美国再生能源国家实验室(NREL)组织实施的 CAFI 计划(Biomass Refining Consortium for Applied Fundamentals and Innovation)中的预处理方法，包括稀酸法(Dilute acid)、热水冲洗法(Flowthrough)、中性 pH 法(ControlledpH)、氨纤维膨爆法(Ammonia fiber explosion)、氨水循环法(Aqueous ammonia recyclepercolation)和石灰法(Lime)。

评判预处理方法的标准为：① 促进糖的生成并有利于后面的水解；②糖降解最小化；③ 避免生成对水解和发酵有害的副产品；④ 具有经济性。

木质素是一种复杂的芳香族物质，其结构单元是苯丙烷，苯环上有甲氧基存在。结构单元之间基本上是通过醚键和碳碳键连接的。结构中β－烷基一芳基醚键的连接是主要的，它是木质素中主要的结构基团，这种结构的醚键断裂即引起木质素大分子裂解。木质素结构单元间的C—C键连接对化学药品的降解作用具有高度的稳定性，其存在是木质素不能分解成单个木质素单元的一种主要原因，要使木质素溶解，必须使用能使醚键和C—C键断裂的生物酶。

精练酶是以碱性果胶酶为主的多种酶制剂的复配产品，果胶酶处理纤维时起到催化水解作用，使复合体界面处迅速发生水解作用。且精练酶中含有一定量的内切纤维素酶，能使纤维素大分子链断裂，加上果胶酶的水解作用，从而使脂蜡质及木质素松动脱落，又经过精练酶中各种酶的长时间协同作用，因而使木质素含量大大降低。

发明内容

【本发明的目的】本发明针对目前物理法预处理技术木质素去除效率低，化学法预处理技术污染较大等问题，结合精炼酶作用高效专一以及传统物理法的易操作等特点，提供一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，提高木质脱除率和纤维素利用率，为生物质新能源以及纸浆造纸新工艺提供新的思路与方法。

【本发明的构思】

本发明通过蒸汽膨爆法把相互紧密缠绕的木质素、纤维素和半纤维素打开，增大生物质原料的孔隙率与比表面积，提高精炼酶的作用效率，增大木质素脱除率并减少酶的用量，从而降低工艺运行成本，实现产业升级。

【本发明的技术方案】

本发明提供的一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，包括以下步骤：

1)将生物质原料粗切至10~40 mm，置于蒸汽爆破装置在0.8 ~2.0 MPa 的蒸汽压力下维持3 ~ 8 min；

2)蒸汽膨爆法后固液分离

使用隔膜压榨压滤机进行固液分离，烘干；

3）精炼酶预处理脱除木质素：

步骤2）得到的生物质原料与精炼酶处理体系混匀，进行酶介预处理，最终得到发酵后生物质原料。

优选的，步骤1）所述的生物质原料为玉米秸秆、麦草秸秆和稻草秸秆；

优选的，步骤2）所述的固液分离为两次固液分离，一次挤压后得到含水率在25-35%的固体残渣，然后加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率25-35%）烘干后即为蒸汽膨爆的生物质原料；

优选的，所述加水浸后进行二次固液分离，按照固体残渣湿重与水的固液比3:2~1:4(w/v,g/ml)加水浸后进行二次固液分离。

优选的，步骤3）中生物质原料与精炼酶按照固液比（w/v）1:15-25混匀，蒸汽膨爆生物质原料按照干重计。精练酶的最佳处理工艺条件为：pH7-8，温度50-60 ℃，并振荡，精练酶质量浓度15-25 g/L，发酵时间40-54 h。

优选的，步骤3）中生物质原料与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:20混匀，蒸汽膨爆生物质原料按照干重计。精练酶的最佳处理工艺条件为：pH7.5，温度55 ℃，并振荡，精练酶质量浓度20 g/L，发酵时间48 h。

优选的，步骤3）中的精炼酶为精炼酶为石家庄市联邦科特有限公司生产的精练酶CZ-4，是一种碱性果胶酶为主的酶制剂的复合体。

本发明提供的一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特点是在于生物质原料首先经过蒸汽膨爆处理，使原料中的半纤维素大部分降解成可溶性糖类。可溶性糖类物质与固态残渣之间的分离采用隔膜压榨压滤机实现，经挤压后得到富含可溶性糖的水洗液和富集纤维素和木质素的固体残渣，此固体残渣即为蒸汽膨爆的生物质原料。由于蒸汽爆破作用的蒸煮和剪切力作用，秸秆中大部分半纤维素降解，纤维素发生溶胀，因此汽爆秸秆整体结构变得松散，比表面积增大。但是木质素仍然残留在汽爆秸秆中，从而使得汽爆秸秆中仍然存在着对纤维素酶的无效吸附、空间屏蔽作用等，为了提高预处理的效果必须进一步提高木质素的脱除率。因此，本发明的特征在于还包括将蒸汽膨爆的生物质原料与精炼酶进行组合预处理脱木质素，以提高秸秆原料预处理后木质素脱除率。图1、图2为精练酶处理前后的纤维扫描电镜图。从图1、图2中可看到，精练酶处理后的纤维与处理前相比，未经过精练酶处理的纤维表面较粗糙，附有较多的胶着物质，而经精练酶处理后，纤维表面比较光滑，胶着物质减少。从测试数据来看，精练酶处理后的细度变化率最大，木质素含量最小，这说明精练酶对竹原纤维实验处理结果较碱或漆酶处理效果为好。

本发明提供的生物质精炼酶预处理的效果，以原料中各组分的脱除率来表示，各组分的降解率按照以下公式计算：

式中m₀ 为处理前物料质量；A 为处理前木质素含量，％ ；md 为处理后物料质量；B为处理后木质素含量，％。

【本发明的优点】

1.本发明通过蒸汽膨爆法把相互紧密缠绕的木质素、纤维素和半纤维素打开，增大生物质原料的孔隙率与比表面积，增加精炼酶的作用效率；

2. 精练酶处理后，纤维表面比较光滑，胶着物质减少，纤维细度变化率最大，木质素含量最小，这说明精练酶对生物质原料纤维实验处理结果较碱或漆酶处理效果为更好。

3.增大木质素脱除率并减少酶的用量，降低工艺运行成本。

附图说明

图1为玉米秸秆实施例1中精炼酶处理前纤维横截面（放大倍数100）；

图2为玉米秸秆实施例1中精炼酶处理前纤维表面（放大倍数2000）；

图3为玉米秸秆实施例1中精炼酶处理后纤维横截面（放大倍数100）；

图4为玉米秸秆实施例1中精炼酶处理后纤维表面（放大倍数2000）。

表一 实施例1预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率；

表二 实施例2预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率；

表三 实施例3预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率。

表四 实施例3预处理前后麦草秸秆中木质纤维素含量及其脱除率。

表五 实施例3预处理前后稻草秸秆中木质纤维素含量及其脱除率。

具体实施方式：

实施例1：

一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除玉米秸秆中木质素

步骤一：1 kg发酵罐中，将玉米秸秆（水分13.42％，纤维素32.00％，半纤维素27.82％，木质素15.42％，灰分11.34％）粗切至10 mm 后，置于蒸汽爆破装置在0.8 MPa 的蒸汽压力下维持3 min；

步骤二：蒸汽膨爆法后固液分离

玉米秸秆经过蒸汽膨爆法后使用隔膜压榨压滤机进行两次固液分离，一次挤压后得到含水率在30%左右的固体残渣，称量湿重。然后按照固体残渣湿重与水的固液比3:2 (w/v,g/mL)加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率30%）烘干后即为蒸汽膨爆的玉米秸秆；

步骤三：精炼酶预处理脱除木质素：将蒸汽膨爆后的玉米秸秆与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:20混匀，进行酶介预处理，蒸汽膨爆玉米秸秆按照干重计。混匀后调解至pH7.5，温度55 ℃，并振荡，精练酶质量浓度20 g/L，发酵时间48 h。

预处理过程中分别测定预处理前、蒸汽膨爆后、精练酶处理后秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量,详情见表一。

表一 实施例1预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率

实施例1预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率

从表一中可看出预处理前秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量分别为32.00%、27.82%和15.42%，经过蒸汽膨爆处理后，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量分别变为31.30%、26.66%和13.92%，降解率为2.2%、4.17%和9.7%。在蒸汽膨爆处理后再应用精练酶处理工艺，经测定精练酶处理后秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为30.94%、26.29%、12.91%，综合降解率分别达到3.3%、5.5%、16.3%。这说明本发明提供的一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法与单独使用蒸汽膨爆法对玉米秸秆中木质素有更好的的脱除率。此外精练酶处理前后纤维素、半纤维素含量变化较小可看出，本发明提供的一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法对生物质中纤维素、半纤维素纤维强度损伤较小。

实施例2

其他同实施例1，不同之处在于：

步骤一：1 kg发酵罐中，将玉米秸秆粗切至20 mm 后，置于蒸汽爆破装置在1.8 MPa 的蒸汽压力下维持5 min；

步骤二：蒸汽膨爆法后固液分离

玉米秸秆经过蒸汽膨爆法后使用隔膜压榨压滤机进行两次固液分离，一次挤压后得到含水率在25%左右的固体残渣，称量湿重。然后按照固体残渣湿重与水的固液比1:2 (w/v,g/mL)加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率25%）烘干后即为蒸汽膨爆的玉米秸秆；

步骤三：精炼酶预处理脱除木质素：将蒸汽膨爆后的玉米秸秆与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:15混匀，进行酶介预处理，蒸汽膨爆玉米秸秆按照干重计。混匀后调解至pH7，温度50 ℃，并振荡，精练酶质量浓度15 g/L，发酵时间40 h。

预处理过程中分别测定预处理前、蒸汽膨爆后、精练酶处理后秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量,详情见表2。

表二 实施例2预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率

从表二中可看出预处理前秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量分别为32.00%、27.82%和15.42%，经过蒸汽膨爆处理后，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量分别变为30.49%、26.54%和14.20%，降解率为4.7%、4.6%和7.9%。在蒸汽膨爆处理后再应用精练酶处理工艺，经测定精练酶处理后秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为28.63%、24.55%、11.31%，综合降解率分别达到6.1%、7.5%、20.3%。与实施例1相比，在改变蒸汽膨爆压力和作用时间，混匀后调解至pH 7，温度50 ℃，并振荡，精练酶质量浓度15 g/L，发酵时间40 h之后纤维素与半纤维素损失增大，分别达到6.1%和7.5%，但与此同时木质素降解率增大至20.3%。

实施例3

其他同实施例1，不同之处在于：

步骤一：1 kg发酵罐中，将玉米秸秆粗切至40 mm 后，置于蒸汽爆破装置在1.2 MPa 的蒸汽压力下维持8 min；

步骤二：蒸汽膨爆法后固液分离

玉米秸秆经过蒸汽膨爆法后使用隔膜压榨压滤机进行两次固液分离，一次挤压后得到含水率在35%左右的固体残渣，称量湿重。然后按照固体残渣湿重与水的固液比1:4 (w/v,g/mL)加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率35%）烘干后即为蒸汽膨爆的玉米秸秆；

步骤三：精炼酶预处理脱除木质素：将蒸汽膨爆后的玉米秸秆与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:25混匀，进行酶介预处理，蒸汽膨爆玉米秸秆按照干重计。混匀后调解至pH8，温度60 ℃，并振荡，精练酶质量浓度25 g/L，发酵时间54 h。

预处理过程中分别测定预处理前、蒸汽膨爆后、精练酶处理后秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量,详情见表3。

表三 实施例3预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率

从表三中可看出经过蒸汽膨爆处理后，秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量分别变为30.88%、26.33%和13.77%，降解率为3.5%、5.4%、10.7%。在蒸汽膨爆处理后再应用精练酶处理工艺，经测定精练酶处理后秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为29.27%、24.72%和10.38%，综合降解率分别达到5.2%、6.1%和24.6%。

实施例4：

一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除麦草秸秆中木质素

步骤一：1 kg发酵罐中，将麦草秸秆( 水分12.62％，纤维素32.16％，半纤维素25.63％，木质素10.36％，灰分6.52％ )粗切至40 mm 后，置于蒸汽爆破装置在1.6 MPa 的蒸汽压力下维持8 min；

步骤二：蒸汽膨爆法后固液分离

麦草秸秆经过蒸汽膨爆法后使用隔膜压榨压滤机进行两次固液分离，一次挤压后得到含水率在30%左右的固体残渣，称量湿重。然后按照固体残渣湿重与水的固液比3:2 (w/v,g/mL)加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率30%）烘干后即为蒸汽膨爆的麦草秸秆；

步骤三：精炼酶预处理脱除木质素：将蒸汽膨爆后的玉米秸秆与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:20混匀，进行酶介预处理，蒸汽膨爆麦草秸秆按照干重计。混匀后调解至pH7.5，温度55 ℃，并振荡，精练酶质量浓度20 g/L，发酵时间48 h。

预处理过程中分别测定预处理前、蒸汽膨爆后、精练酶处理后秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量,详情见表2。

表四 实施例4预处理前后麦草秸秆中木质纤维素含量及其脱除率

从表四中可看出，测定汽爆秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为40.38％，9.12％和9.72％。经过酶介处理后测定纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为44.63％，9.58％和8.73％。秸秆经汽爆处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为2.3％，71.9％和7.9％。经漆酶处理的汽爆秸秆纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为4.3％，9.08％和22.3％。

实施例5：

一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除稻草秸秆中木质素

步骤一：1 kg发酵罐中，将稻草秸秆( 水分15.23％，纤维素39.16％，半纤维素23.63％，木质素13.36％，灰分8.62％ )粗切至20 mm 后，置于蒸汽爆破装置在1.6 MPa 的蒸汽压力下维持5 min；

步骤二：蒸汽膨爆法后固液分离

稻草秸秆经过蒸汽膨爆法后使用隔膜压榨压滤机进行两次固液分离，一次挤压后得到含水率在30%左右的固体残渣，称量湿重。然后按照固体残渣湿重与水的固液比3:2 (w/v,g/mL)加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率30%）烘干后即为蒸汽膨爆的稻草秸秆；

步骤三：精炼酶预处理脱除木质素：将蒸汽膨爆后的玉米秸秆与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:20混匀，进行酶介预处理，蒸汽膨爆稻草秸秆按照干重计。混匀后调解至pH7.5，温度55 ℃，并振荡，精练酶质量浓度20 g/L，发酵时间48 h。

预处理过程中分别测定预处理前、蒸汽膨爆后、精练酶处理后秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量,详情见表3。

表五 实施例5预处理前后玉米秸秆中木质纤维素含量及其脱除率

从表五中可看出，测定汽爆秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为37.48%，8.10％和11.86％。经过酶介处理后测定纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为35.38%，7.40%和8.29%。秸秆经汽爆处理后纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为4.3%、65.71%、11.23%。经漆酶处理的汽爆秸秆纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别为5.6％，8.57％和30.11％。

Claims (7)

1.一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，包括以下步骤：

1)将生物质原料粗切至10~40 mm，置于蒸汽爆破装置在0.8 ~2.0 MPa 的蒸汽压力下维持3 ~ 8 min；

2)蒸汽膨爆法后固液分离

使用隔膜压榨压滤机进行固液分离，烘干；

3）精炼酶预处理脱除木质素：

步骤2）得到的生物质原料与精炼酶处理体系混匀，进行酶介预处理，最终得到发酵后生物质原料。

2.如权利要求1所述的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特征在于，步骤1）所述的生物质原料为玉米秸秆、麦草秸秆和稻草秸秆。

3.如权利要求1所述的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特征在于，步骤2）所述的固液分离为两次固液分离，一次挤压后得到含水率在25-35%的固体残渣，然后加水浸后进行二次固液分离，得到的固体残渣（含水率25-35%）烘干后即为蒸汽膨爆的生物质原料。

4.如权利要求3所述的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特征在于，所述加水浸后进行二次固液分离，按照固体残渣湿重与水的固液比3:2~1:4(w/v,g/ml)加水浸后进行二次固液分离。

5.如权利要求1所述的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特征在于，步骤3）中生物质原料与精炼酶处理体系按照固液比（w/v）1:15-25混匀，蒸汽膨爆生物质原料按照干重计；

精练酶的最佳处理工艺条件为：pH7-8，温度50-60 ℃，并振荡，精练酶质量浓度15-25g/L，发酵时间40-54 h。

6.如权利要求1所述的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特征在于，步骤3）中生物质原料与精炼酶按照固液比（w/v）1:20混匀，蒸汽膨爆生物质原料按照干重计；精练酶的处理工艺条件为：pH7.5，温度55 ℃，并振荡，精练酶质量浓度20 g/L，发酵时间48 h。

7.如权利要求1所述的生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，其特征在于，步骤3）中的精炼酶为石家庄市联邦科特有限公司生产的精练酶CZ-4。