CN107475326A - 一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法 - Google Patents

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张建
邵帅
鲍杰
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/14—Preparation of compounds containing saccharide radicals produced by the action of a carbohydrase (EC 3.2.x), e.g. by alpha-amylase, e.g. by cellulase, hemicellulase
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P2201/00—Pretreatment of cellulosic or lignocellulosic material for subsequent enzymatic treatment or hydrolysis

Abstract

本发明公开一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法。在木质纤维素生物炼制生产生燃料乙醇和生物基化学品的过程中，原料无法长期储存一直是影响产业化的关键问题。本发明采用在原料收集地对木质纤维素进行干法稀酸预处理，然后对其进行长期储存；储存的原料按照生产需求定期或不定期的运送到生物炼制工厂进行后续的生物炼制。本发明所用的预处理没有废水产生，蒸汽能耗和电耗低；预处理后的木质纤维素原料，其堆积密度得到大幅提高，可有效降低运输成本；预处理中产生的乙酸、糠醛等抑制物以及预处理后的酸性环境，有效抑制了杂菌微生物的侵染；此外，酸性环境有助于未降解完全的半纤维素在储存过程中缓慢降解，有助于后续的酶解。

Description

一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法
技术领域
本发明涉及木质纤维素生物炼制领域，是一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法。
背景技术
如何保证木质纤维素原料在长期储存过程中不受微生物的侵染并避免可发酵性组分的损失，一直是困扰生物炼制工厂原料供应商的难题。木质纤维素原料的常规储存方法主要包括干法储存和湿法储存。干法储存是指将干的(含水量低于10％)木质纤维素原料直接打包后进行存储，其缺点是昂贵的原料干燥成本、存贮过程中的固体损失以及较大的火灾风险。湿法储存则类似秸秆青储，即将新收获的、湿的木质纤维素原料直接存储起来。在存储过程中秸秆中的一些内源微生物如乳酸菌会消耗氧气并生成有机酸来营造一个厌氧的酸性环境，进而抑制杂菌微生物的侵染。但是，秸秆的打包和拆包，以及大量秸秆与少量微生物或酸性或碱性抑菌化合物的混合是湿法储存大规模应用时难以逾越的技术难题。
与常规的存储方法不同，美国密歇根州立大学的Dale教授提出用生物炼制的观点来解决原料的长期存储问题。一种方法是将木质纤维素原料进行预处理并酶解后，以水解液的形式存储起来，但水解液中含有丰富的碳源而有较大的染菌风险。另外一种方法则是存储氨纤维爆破后的木质纤维素原料。但氨纤维爆破后的物料pH值接近中性，且富含铵盐等氮源，预处理中产生的抑制物浓度较低，极易染菌而不利于物料的长期储存。基于上述分析，尽管木质纤维素原料的长期储存已经受到广泛的重视和研究，但仍然没有经济可行的方法。
发明内容
本发明基于生物炼制的策略来解决木质纤维素原料的长期储存问题。目的在于克服氨纤维爆破后木质纤维素原料存储过程中易于染菌的缺点。本方法可以大幅提高木质纤维素原料的堆积密度，降低木质纤维素原料的运输成本；预处理中产生的抑制物包括乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛以及预处理中创造的酸性环境可有效抑制杂菌微生物的侵染，避免木质纤维素原料中可发酵性组分在长期储存过程中的损失；而且，酸性的储存环境可促进未降解的半纤维素在储存过程中的降解，有利于后续的酶解和发酵。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
在原料收集地对木质纤维素原料进行干法稀酸预处理，然后将处理后的物料进行长期储存；储存的原料可以按照生产需求定期或不定期的运送到生物炼制工厂进行后续的生物炼制加工。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明可大幅提高木质纤维素原料的对比密度，降低木质纤维素原料的运输成本；
2、本发明通过干法稀酸预处理中产生的抑制物以及预处理所创造的酸性环境可以有效抑制杂菌微生物的侵染；
3、本发明中由于干法稀酸预处理所创造的酸性环境可促进未降解半纤维素在长期储存中的缓慢降解，有利于后续的酶解和发酵操作。
【附图说明】
图1对干法稀酸预处理后的秸秆进行不同存储周期后(0天；15天；29天；59天和91天)的酶解评价；
【具体实施方式】
本发明的生产工艺包括：在原料收集地对木质纤维素原料进行干法稀酸预处理，然后将处理后的物料进行长期储存；储存的原料可以按照生产需求定期或不定期的运送到生物炼制工厂进行后续的生物炼制加工。
实施例1
将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右。预处理后秸秆中的纤维素和半纤维素含量分别为37.86±0.47％和4.70±0.24％，堆积密度为190kg/m3(未进行预处理的秸秆堆积密度约为114kg/m3)。对刚做完预处理的秸秆进行酶解测试，酶解条件为固体含量2.5％(质量比)，纤维素酶用量20FPU/g干固体，50℃、150rpm的恒温水浴中酶解时间72小时，纤维素转化率可达77.42±0.62％。
实施例2
将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆装入塑料袋中，放置于室外(避雨)储存15天；物料中的纤维素和半纤维素含量分别为37.36±0.60％和6.37±0.01％，堆积密度为200kg/m3(未进行预处理的秸秆堆积密度约为114kg/m3)。对储存15天后的秸秆进行酶解测试，操作条件为固体含量2.5％(质量比)，纤维素酶用量20FPU/g干固体，50℃、150rpm的恒温水浴中酶解时间72小时，纤维素转化率可达76.60±2.03％。
实施例3
将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆装入塑料袋中，放置于室外(避雨)储存29天；物料中的纤维素和半纤维素含量分别为38.99±2.27％和4.55±0.43％，堆积密度为203kg/m3(未进行预处理的秸秆堆积密度约为114kg/m3)。对储存29天后的秸秆进行酶解测试，操作条件为固体含量2.5％(质量比)，纤维素酶用量20FPU/g干固体，50℃、150rpm的恒温水浴中酶解时间72小时，纤维素转化率可达83.63±0.71％。
实施例4
将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆装入塑料袋中，放置于室外(避雨)储存59天；物料中的纤维素和半纤维素含量分别为37.74±0.72％和4.30±0.05％，堆积密度为209kg/m3(未进行预处理的秸秆堆积密度约为114kg/m3)。对储存59天后的秸秆进行酶解测试，操作条件为固体含量2.5％(质量比)，纤维素酶用量20FPU/g干固体，50℃、150rpm的恒温水浴中酶解时间72小时，纤维素转化率可达90.81±1.28％。
实施例5
将玉米秸秆进行干法稀酸预处理，预处理条件为：秸秆固体和稀硫酸的固液比2:1(质量比)，硫酸用量2.5g/100g秸秆，175℃，50rpm处理5分钟，预处理后秸秆固体含量为50％左右；将预处理后的秸秆装入塑料袋中，放置于室外(避雨)储存91天；物料中的纤维素和半纤维素含量分别为39.88±0.78％和3.20±0.24％，堆积密度为208kg/m3(未进行预处理的秸秆堆积密度约为114kg/m3)。对储存91天后的秸秆进行酶解测试，操作条件为固体含量2.5％(质量比)，纤维素酶用量20FPU/g干固体，50℃、150rpm的恒温水浴中酶解时间72小时，纤维素转化率可达91.42±1.25％。
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 (4)

1.一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法，其特征在于它的步骤如下：在原料收集地对木质纤维素原料进行干法稀酸预处理，然后将处理后的物料进行长期储存；储存的原料可以按照生产需求定期或不定期的运送到生物炼制工厂进行后续的生物炼制加工。
2.根据权利要求1所述的一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法，其特征在于对木质纤维素的预处理方法为干法稀酸预处理，预处理中木质纤维素固体与稀硫酸的质量比不低于1:2，预处理过程中无废水产生，蒸汽能耗和电耗低，适合于在原料产地进行预处理。
3.根据权利要求1所述的一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法，其特征在于预处理后的木质纤维素原料中会产生大量的乙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛等抑制物，再加上预处理后的酸性环境，可有效抑制杂菌微生物的生长繁殖，保证预处理后木质纤维素原料的长期储存。
4.根据权利要求1所述的一种适用于木质纤维素原料长期储存的方法，其特征在于长期储存的周期为1-12个月，在储存期间，原料不会被杂菌侵染，原料中纤维素和半纤维素的损失不超过5％。
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