CN112111540B - 木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理及生物转化的方法 - Google Patents

木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理及生物转化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理及生物转化的方法。所述方法在木质纤维素原料中加入酸性试剂和水，混合均匀后进行密化处理；或酸法预处理木质纤维素原料后进行密化处理得到密化木质纤维素，然后直接进行生物转化或者进行后续选择性预处理后再进行生物转化，生产目标化学品。本发明通过在木质纤维素原料密化过程中添加酸性试剂破坏木质纤维素原有结构，从而在后续运输、储存过程中实现对木质纤维素原料较温和的预处理过程，降低进一步预处理的严苛程度。本发明得到的木质纤维素颗粒较疏松原料密度更大，便于运输和储存，降低了预处理成本，并且本发明的加酸密化木质纤维素在生物转化中，目标产物的产率更高。

Description

木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理及生物转化的方法
技术领域
本发明属于生物炼制技术领域，涉及一种木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理及生物转化的方法。
背景技术
能源危机和环境污染问题使得生物质燃料乙醇工业快速升温，第一代生物燃料乙醇以粮食作为原料，长此以往会影响粮食安全和饲料安全，近年来这种生产方式受到广泛质疑。开发非粮原料的木质纤维素燃料乙醇生产技术已经成为经济和社会发展的必然趋势(Farrell AE,et al.Ethanol can contribute to energy and environmentalgoals.Science 2006；311:506–508.)。
农作物秸秆是一种重要的农业副产物，也是一种重要的纤维素原材料，不仅储量丰富而且成本低廉，被普遍认为是最具开发潜力的生物质能源之一。然而，木质纤维素的结构比较复杂，使其水解比较困难，因此需要进行前期预处理过程。当前常见的预处理方式为物理粉碎研磨、酸碱预处理、氨纤维爆破、热水处理、有机溶剂等方法。但存在预处理成本高、能耗大、后期抑制物多等问题，故降低预处理成本、减少抑制物含量是亟待解决的问题(Himmel M E,et al.Biomass recalcitrance:engineering plants and enzymes forbiofuels production[J].Science,2007,315:804-807.)。
木质纤维素原料致密化后体积减小，密化前疏松原料的堆积密度(包括打包密度)为40-200kg/m3，密化后堆积密度为600-800kg/m3，密度增加了4-20倍，大大节省了运输和储存空间(NalladuraiKaliyan,R.Vance Morey.Factors affecting strength anddurability of densified biomass products[J].Biomass and Bioenergy,2008,33(3):337-359.)，密化后的木质纤维素原料存储成本和运输成本可分别降低50％和90％以上(Zhang P F,et al. Ultrasonic Vibration-Assisted Pelleting of Wheat Straw:ADesigned Experimental Investigation on Pellet Quality and Sugar Yield，AsmeInternational Manufacturing Science&Engineering Conference.2012)；且疏松秸秆自由水含量较少，空隙较多，而密化秸秆中自由水含量较多，结构致密，传质传导效果更佳。就乙醇发酵而言，每立方米装载体积下密化原料乙醇产量是疏松原料的9倍(NibalT.Albashabsheh,Jessica L.HeierStamm.Optimization of lignocellulosic biomass-to-biofuel supply chains with mobile pelleting[J].Transportation ResearchPart E,2019,122:545-562.)，故在后续预处理、水解、发酵等生物转化过程中，对设备空间的利用率更高。
木质纤维原料稀酸预处理的原理是稀酸在高温下将半纤维素降解而溶出，从而提高纤维素酶对原料中纤维素的可及性(Chandra R P,et al.Substratepretreat-ment:thekey to effective enzymatic hydrolysis of Lignocellu-losics？[J]Advances inBiochemical Engineering/Biotech-nology,2007(108):67-93)；稀酸对木质纤维原料预处理作用主要是针对多糖苷键进行催化而使糖苷发生断裂的；与此同时，有关研究认为在酸处理作用下，木质素会发生聚合作用而形成改性的木质素(Torget R,et al.Dilute-acid pretreat-ment of corn residues and short-rotation woody crops[J].Ap-plied Biochemistry and Biotechnology,1991(28/29):75-86)。因此，稀酸预处理为目前广泛运用的预处理方法之一。但是不加化学试剂制备得到的普通密化秸秆在常温下储存易染菌，且稀酸处理普通密化秸秆时，会产生酸与秸秆接触不充分、反应条件较为苛刻等问题。
发明内容
针对现有的木质纤维素原料运输成本高、后续预处理能耗大等问题，本发明提供一种木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理的方法，通过在木质纤维素原料密化过程中添加酸性试剂对木质纤维素进行前期预处理。
本发明的技术方案如下：
木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理的方法，具体步骤如下：
在木质纤维素原料中加入酸性试剂和水，混合均匀后进行密化处理；或酸法预处理木质纤维素原料后进行密化处理得到密化木质纤维素。
进一步地，本发明还提供含酸密化预处理的木质纤维素的生物转化方法，具体步骤如下：
在木质纤维素原料中加入酸性试剂和水，混合均匀后进行密化处理；或酸法预处理木质纤维素原料后进行密化处理，得到的密化木质纤维素直接进行生物转化或者进行后续选择性预处理后再进行生物转化。
本发明中，所述的木质纤维素原料选自小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木、硬木、水草、水生植物、藻类以及动物粪便中的一种或者多种；木质纤维素的含水量为0％～90％。
本发明中，所述的酸性试剂选自硫酸、硝酸、亚硝酸、盐酸、磷酸、亚硫酸、高氯酸、氯酸、亚氯酸、次氯酸、草酸、甲酸、乙酸、丙酸、苯甲酸、苯乙酸、苯磺酸、乙二酸、丁二酸、硫酸氢钠、亚硫酸氢钠或碳酸等。
本发明中，所述的酸性试剂占木质纤维素原料干重质量的0.1％～30％。
本发明中，所述的酸性试剂的加入方式为直接倒入或加入、喷洒、通入蒸汽、喷入酸性气体的方式，使酸性试剂、水和木质纤维素原料混合均匀后进行密化处理；或在密化过程中将酸性试剂、水与木质纤维素原料同时加入密化设备中制备密化木质纤维素。
本发明的生物转化方法中，生物转化过程前的后续选择性预处理可以是浸泡、暴晒、冷冻、高温加热、微波和超声破碎，或水热处理如蒸汽爆破预处理、热水预处理和蒸汽加热预处理，或碱性预处理如氨预处理、强碱预处理、弱碱预处理和混合碱预处理，又或酸性预处理如强酸预处理、弱酸预处理、氧化性酸预处理和混合酸预处理，再或有机溶剂预处理。
本发明中，所述的密化木质纤维素为常规生物炼制制备的压缩颗粒形状，可以为棒状，粒状或块状等致密结构形状。所述的密化木质纤维素的密度为200～1500kg/m3。其中棒状密化木质纤维素的直径为0.5cm～10cm，长度为1cm～30cm；粒状密化木质纤维素的的直径为0.5cm～5cm；块状密化木质纤维素的的长度为1cm～50cm，宽度为1cm～50cm，高度为1cm～55cm。
本发明中，所述的生物转化过程可以是酶促反应或微生物转化。所述的酶促反应，为在预处理液中加入酶或者酵素，所述的酶选自纤维素酶和/或与半纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶一种或者多种组合。所述的微生物转化为微生物发酵，为在预处理液中加入发酵微生物，所述的发酵微生物为常规生物炼制使用的发酵微生物，可以为酵母、细菌或霉菌。
本发明中所述的生物转化过程生产的产品为生物燃料、大宗化学品、精细化学品、动物饲料、食品添加剂、药品等，如乙醇、丁醇、丙酮、乙酸、乳酸、脂肪烃、油脂、蛋白、氨基酸、酶、抗生素、维生素、抗体、沼气等。
本发明在木质纤维素密化过程中加入酸性试剂，不仅利用了密化过程中的机械作用和压缩过程中的热量(结合酸)对木质纤维素结构进行破坏，还能够在不同温度下(-40℃～100℃)的运输和存储过程中，使酸性试剂均能对木质纤维素发挥化学作用，对木质纤维素进行预处理，后续可直接用于下一步的生物转化，或进行进一步的预处理(此时的酸性试剂已与木质纤维素充分混合，有利于进一步预处理在高木质纤维素装载量下进行)后再进行生物转化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)密化过程中对木质纤维素原料进行机械压缩的同时，使木质纤维素原料和化学试剂混合均匀，在存储和运输过程中实现一次前期预处理过程，可减轻后续选择性预处理苛刻程度，降低预处理成本；
(2)密化过程中，木质纤维素结构得到物理破坏，使酸性试剂更容易跟木质纤维素充分的混合；
(3)含酸密化木质纤维素规格统一，密度大，占比体积小，易于储存，不易腐烂、发霉，方便后期操作。
附图说明
图1为LCS+DA、PCS+DA和DLA的预处理结果图。
图2为不同酸加量时DLA的水热预处理结果图。
图3为不同底物装载量下DLA、PCS+DA、LCS+DA的水热预处理结果图。
图4为高底物浓度(20％)酶水解条件下，DLA、PCS+DA、LCS+DA预处理后的酶水解产糖结果图。
图5为DLA、PCS+DA、LCS+DA预处理后在生物转化过程中的发酵产乙醇结果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下将结合说明书实例来对本发明做更全面，细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实例。
下文所用到的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同，除非另有定义。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体事例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的试剂，原料，仪器和设备等均可市场购买得到或者已经有的方法制备得到。
实施例中使用以下缩写：
DLA----含硫酸密化预处理玉米秸秆(Densifying Lignocellulose withsulfuric Acid) (玉米秸秆密化过程中加入稀硫酸)。
PCS+DA----稀酸预处理密化预处理的玉米秸秆(Dilute Acid pretreatedPelleted Corn Stover)(不加试剂压缩得到玉米秸秆颗粒后再加稀硫酸)。
LCS+DA----稀硫酸预处理疏松秸秆(Dilute sulfuric Acid pretreated LooseCorn  Stover)(疏松秸秆加稀硫酸预处理)
注：下述实施例中，秸秆密化过程中采用颗粒机进行制粒，制粒时加入水量为0.5g/g 秸秆干重；所有实施例中，DLA水热预处理条件为优化得到的最优条件。
实施例1
本实施例阐述玉米秸秆加酸密化过程，步骤如下：
(1)原料准备：将农田里的玉米秸秆收集后，自然晾干后粉碎成1～4mm的颗粒。
(2)DLA预处理：将粉碎后的玉米秸秆喷洒稀硫酸溶液，硫酸加入量分别为0.1g/g秸秆干重、0.05g/g秸秆干重、0.025g/g秸秆干重，加入水的含量为0.5g/g秸秆干重，使用造粒机对均匀混合酸性试剂的玉米秸秆进行密化操作。密化完成后，将三种含酸浓度秸秆分别装袋、密封，在常温下放置1天以上。
实施例2
本实施例比较DLA、PCS+DA、LCS+DA三者水热预处理的预处理效果。包含下列步骤：
(1)DLA水热预处理过程：原料选自实施例1，硫酸浓度为0.1g/g秸秆干重，加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含密化秸秆自身水分)为1:9；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。
(2)PCS+DA水热预处理过程：原料为不加酸密化秸秆，向其中加入硫酸的量为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含密化秸秆自身水分)为1:9；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。(硫酸与纯水混合均匀后再加入秸秆中)。
(3)LCS+DA水热处理过程：原料为疏松秸秆，向其中加入硫酸的量为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重：总水量(包含秸秆自身水分)为1:9；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。(硫酸与纯水混合均匀后再加入秸秆中)。
(4)酶水解过程：水解底物浓度为10％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，置于震荡培养箱中培养(设置转速为250rpm，温度为50℃)水解时间为72小时。
如图1所示，DLA的葡萄糖浓度最高，达到40g/L，远高于LCS+DA(28g/L)，高于PCS+DA(38g/L)；木糖浓度也达到了12g/L，略低于LCS+DA(13g/L)，但三者木糖浓度相近。由此可知，DLA水热预处理效果最佳，表明木质纤维素密化时加酸进行预处理具有明显优势。
实施例3
本实施例比较不同酸加量时DLA的水热预处理效果。包含两个步骤：
(1)预处理过程：原料选自实施例1，硫酸浓度分别为0.1g/g秸秆干重、0.05g/g秸秆干重、0.025g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含秸秆自身水分) 为1:5；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为120℃，加热时间为60分钟。
(2)酶水解过程：水解底物浓度为10％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，置于震荡培养箱中培养(设置转速为250rpm，温度为50℃)水解时间为72小时。
据图2所示(注：图2中，g/g dw代表g/g秸秆干重，横坐标为密化秸秆中的酸加量)，在相同预处理温度、时间，且固液比一致时，酸加量从0.1g/g秸秆干重降低到 0.05g/g秸秆干重时，葡萄糖浓度仅降低0.5g/L，相应木糖也只减少了0.9g/L，糖浓度并未显著降低。表明在减少酸加量的情况下，还能达到相似的预处理效果。因此，木质纤维素密化时加酸进行前期预处理有利于减少酸加量，降低预处理成本。
实施例4
本实施例比较不同底物装载量(秸秆干重占总质量百分比，下同)下DLA、PCS+DA、LCS+DA的水热预处理效果。包含下列步骤：
(1)DLA水热预处理过程：原料选自实施例1，酸浓度为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含秸秆自身水分)为1:5；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。
(2)PCS+DA水热预处理过程：原料为不加酸密化秸秆，向其中加入硫酸的量为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含密化秸秆自身水分)为1:9；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。(硫酸与纯水混合均匀后再加入秸秆中)。
(3)LCS+DA水热预处理过程：原料为疏松秸秆，向其中加入硫酸的量为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含秸秆自身水分)为1:9；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。(硫酸与纯水混合均匀后再加入秸秆中)
(4)酶水解过程：水解底物浓度为10％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，置于震荡培养箱中培养(设置转速为250rpm，温度为50℃)水解时间为72小时。
如图3所示，在秸秆酸浓度、预处理温度时间均相同，DLA的底物装载量为16.7％，而LCS+DA和PCS+DA的底物装载量仅为10％。DLA水解后的葡萄糖浓度为37g/L，木糖浓度为12g/L；PCS+DA的葡萄糖浓度为39g/L，木糖浓度为12g/L；LCS+DA的葡萄糖浓度为30g/L，木糖浓度为14g/L。DLA的葡萄糖浓度比PCS+DA略低，木糖浓度两者相近；而且DLA的总糖浓度比LCS+DA高，由此可见，在减少水加量、增大底物装载量的同时，糖产率只较PCS+DA略低2g/L，同时实现比LCS+DA更高的糖产率。表明加酸密化木质纤维素在高底物装载量预处理时更具有优势。
实施例5
本实施例比较高底物浓度(20％)酶水解条件下，DLA、PCS+DA、LCS+DA三者的酶水解产糖效果。包含下列步骤：
(1)DLA水热预处理过程：原料选自实施例1，硫酸浓度为0.1g/g秸秆干重，加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含密化秸秆自身水分)为1:5；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。
(2)PCS+DA水热预处理过程：原料为不加酸密化秸秆，向其中加入硫酸的量为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含密化秸秆自身水分)为1:5；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。(硫酸与纯水混合均匀后再加入秸秆中)。
(3)LCS+DA水热处理过程：原料为疏松秸秆，向其中加入硫酸的量为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重:总水量(包含秸秆自身水分)为1:9；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。(硫酸与纯水混合均匀后再加入秸秆中)。
(4)酶水解过程：水解底物浓度为20％(基于总质量)，加入水解酶和纯水，置于震荡培养箱中培养(设置转速为250rpm，温度为50℃)水解时间为72小时。
如图4所示，经过72h小时水解之后，DLA的最终葡萄糖浓度为73g/L，高于PCS+DA(70g/L)和LCS+DA(68g/L)；在水解17h时已经接近最大葡萄糖浓度，且水解相同时间时，PCS+DA达到的糖浓度最高，因而PCS+DA的水解速率更快。此外，PCS+DA 的最终木糖浓度也最高为32g/L，在水解12h时已接近最大浓度。结果表明，与PCS+DA 和LCS+DA相比，加酸密化木质纤维素在高底物酶水解过程中更具优势，水解速率更快，水解糖产量更高。
实施例6
本实施例比较DLA、PCS+DA、LCS+DA三者在生物转化过程中的发酵产乙醇效果。包含以下步骤：
(1)预处理过程：DLA原料选自实施例1，PCS+DA原料为不加酸密化秸秆， LCS+DA原料为疏松秸秆；酸浓度均为0.1g/g秸秆干重，另外加入纯水使得秸秆干重: 总水量(包含密化秸秆自身水分)分别为1:5(PCS+DA、DLA)，1:9(LCS+DA)；将其置于高温高压反应釜进行加热，加热温度为160℃，加热时间为10分钟。
(2)酶水解过程：水解底物浓度为10％(基于总质量)，加入水解酶和纯水，置于震荡培养箱中培养(设置转速为250rpm，温度为50℃)水解时间为72小时。
(3)发酵过程：选择相应发酵菌种，将水解液pH调节至6左右，菌种初始接种时 OD为2；置于震荡培养箱中培养(设置转速为150rpm，温度为30℃)发酵时间为72 小时。
由图5可知，经过12h的发酵后，得到的乙醇浓度已经达到最大浓度的90％以上；72h发酵之后，乙醇产量达到最大。由实施例4的水解糖浓度数据可知，发酵最终总糖化率均达到了85％以上，葡萄糖转化率甚至达到了90％以上。其中，DLA最终发酵乙醇浓度为21.3g/L，略高于PCS+DA(21.1g/L)，高于LCS+DA(20.4g/L)，但DLA水解总糖浓度比PCS+DA要低，因此DLA发酵效率更高。综上所述，加酸密化木质纤维素在发酵产乙醇等生物转化过程中的转化效率更高，得到的目标化学品的浓度更高，具有广阔的运用前景。

Claims (6)

1.木质纤维素原料密化过程中加入酸性试剂进行预处理的方法，其特征在于，具体步骤如下：
在木质纤维素原料中加入酸性试剂和水，混合均匀后进行密化处理，得到的密化木质纤维素直接进行生物转化或者进行后续选择性预处理后再进行生物转化;
所述的生物转化过程为酶促反应或微生物转化，且生物转化前的后续选择性预处理是浸泡、暴晒、高温加热、微波、超声破碎、水热处理或酸性预处理；其中，所述的酸性试剂选自硫酸、盐酸、磷 酸或甲酸；所述的酸性试剂占木质纤维素原料干重质量的0.1％~30％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素原料选自小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木、硬木、水生植物以及动物粪便中的一种或者多种；木质纤维素的含水量为0％~90％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酸性试剂的加入方式为直接倒入或加入、喷洒、通入蒸汽、喷入酸性气体的方式，使酸性试剂、水和木质纤维素原料混合均匀后进行密化处理;或在密化过程中将酸性试剂、水与木质纤维素原料同时加入密化设备中制备密化木质纤维素。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的密化木质纤维素为压缩颗粒形状，为棒状，粒状或块状；所述的密化木质纤维素的密度为200~1500kg/m3；棒状密化木质纤维素的直径为0.5cm~10cm，长度为1cm~30cm；粒状密化木质纤维素的的直径为0.5cm~5cm；块状密化木质纤维素的的长度为1cm~50cm，宽度为1cm~50cm，高度为1cm~55cm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酶促反应为在预处理液中加入酶，所述的酶选自纤维素酶或半纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶一种或者多种组合;所述的微生物转化为微生物发酵，为在预处理液中加入发酵微生物，所述的发酵微生物为酵母、细菌或霉菌。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生物转化生产的产品为乙醇、丁醇、丙酮、乙酸、乳酸、脂肪烃、油脂、蛋白、氨基酸、抗生素、维生素或沼气。
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