CN115287928A - 一种对林木生物质进行拆解的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对林木生物质进行拆解的方法及其应用。本发明的方法通过改变木质纤维素原料的颗粒尺度，耦合适当的预处理方法进行绿色拆解，随后进行酶解从而完成林木生物质的拆分和转化过程。本发明可以有效打破林木生物质高致密性抗降解屏障，降低预处理强度，提高组分分离提取利用率，提高预处理能效，从而促进酶解和后续转化利用。该方法利用颗粒尺度效应，具有工艺简单、节能低耗、节水环保、高糖浓度、低抑制物的优势。
Description
技术领域
本发明属于木质纤维素处理技术领域，涉及一种对林木生物质进行拆解的方法及其应用。
背景技术
林木生物质能作为重要的可再生能源，具有储量大、清洁可再生等特点，是重要的可再生资源之一。林木生物质主要由相互交织的纤维素、半纤维素和木质素组成，是结构致密复杂的功能性超分子体，具有天然的抗降解屏障。林木生物质的天然抗降解屏障是导致生物炼制转化困难的根本原因之一。林木生物质的预处理对于改变致密结构、拆分纤维素、半纤维素和木质素至关重要。目前为止，林木生物质的预处理环节仍然是生物炼制过程中最昂贵和关键的单元操作之一，它是酶和微生物抑制作用的来源，决定酶载量和酶水解产物产量。
林木生物质预处理是指通过一定技术手段，破坏原料的致密结构，使其容易被进一步降解利用。预处理是林木生物质组分高值利用的切入点和组分研究的基础，在木质纤维素转化利用的过程中，预处理处在至关重要的地位。目前预处理的研究主要集中在严重因子、木质素抑制、催化剂和耦合集成等方面。研究表明，预处理强度过高会产生污染严重、能耗过大及抑制物生成量过高等问题，影响整个生物炼制的过程链。
CN111995768A公开了一种从树枝秸秆中提取木纤维的方法，该方法将原料粉碎或切片加工为短条和木片，经浸泡、粉碎、过筛，提取木纤维。但该方法经机械处理的原料尺寸均为厘米级别，还需进行粉碎揉搓加工收集木纤维，并不涉及适用于高固酶解体系。
CN111154817A公开了一种离子液体-高沸醇复合体系高效分离木质纤维素并酶解的方法，该方法将木质纤维素粉碎至20目以下，经去除非结构性成分后，用离子液体与高沸醇复合体系进行预处理。但该方法仅仅是利用降低颗粒度增加预处理的效果，并未涉及到颗粒尺度的变化对于预处理效果的影响。
CN106065080A公开了一种溶解-再生木质素提取方法，该方法利用粉碎及球磨前处理，改变木质纤维素颗粒尺度，提高木质纤维溶解-再生木质素提取效率。但该方法对于机械作用改变颗粒度的方式局限于微型植物粉碎机及行星球磨机，其目的在于木质素的提取，并未涉及到颗粒尺度的变化对于预处理效果的影响。
由此可知，上述预处理过程虽说都对原料进行了粉碎处理，但均未涉及到颗粒尺度的变化对于预处理效果的影响，而林木生物质原料的颗粒尺度、堆积密度和机械性能是预处理强度的决定性因素，因此，如何通过调控颗粒尺度有效降低预处强度，解决高成本、低效率、环境污染严重等问题成为预处理研究的主导方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种对林木生物质进行拆解的方法及其应用，本发明的方法解决了当前林木生物质因结构致密导致预处理强度过高的问题，实现了打破高致密性抗降解屏障的目的，降低了后续木质纤维素预处理强度，增加了组分分离提取利用率，提高了预处理能效，且工艺简单、节能低耗，易用工业化应用。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种对林木生物质进行拆解的方法，所述对林木生物质进行拆解的方法包括：调控林木生物质原料颗粒尺度，然后耦合预处理工艺对林木生物质进行拆解，即得；
所述调控后林木生物质原料颗粒尺度的范围为100μm-3000μm，例如可以是150μm、200μm、500μm、1000μm、1500μm、2000μm、2500μm等。
对林木生物质原料进行颗粒尺度调整是预处理的必要步骤，但也是一个高耗能过程，林木生物质原料的颗粒尺度是影响堆积密度的重要参数，本发明中，通过调控林木生物质原料的颗粒尺度为100μm-3000μm，在此尺度范围内，木质纤维素经过预处理可以打破林木生物质细胞结构中木质素和半纤维素对纤维素的包裹，更好的脱除木质素，降解半纤维素，改变纤维素的晶体结构，同时使纤维素的可及内表面积及松散程度也随之增加，增大了酶与底物的反应面积，使后续酶解效率显著增加。
优选地，所述林木生物质原料包括木材、竹材或藤本原料中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述木材包括桉木、杨木、松木、杉木或槐木中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述林木生物质原料的含水量≤5％，例如可以是1％、2％、3％、4％等。
本发明中，通过控制原料的含水量，可以更快速的使林木生物质的颗粒尺度控制在限定的范围，进而可以更有效的降低木质纤维素的预处理强度。
优选地，所述调控林木生物质原料颗粒尺度的步骤包括：利用机械作用力，通过改变作用强度来调控林木生物质原料颗粒尺度。
优选地，所述机械作用力来源包括机械粉碎、剪切、球磨、盘磨或气流粉碎中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述机械作用力的作业时间为30s-5h，例如可以是1min、10min、30min、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h等。
优选地，所述机械作用力的作业温度为10℃-80℃，例如可以是15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、50℃、60℃、70℃、75℃等。
优选地，所述调控后林木生物质原料颗粒尺度的范围为500μm-2000μm。
优选地，所述对林木生物质进行拆解的方法还包括：在调控林木生物质原料颗粒尺度后对原料进行冻融循环处理。
优选地，所述冻融循环处理包括：调控颗粒尺度后的原料在液体介质中进行复水处理，然后先在-50～-20℃(例如可以是-45℃、-40℃、-35℃、-30℃、-25℃等)下进行冷冻，然后在20-40℃(例如可以是25℃、28℃、30℃、33℃、35℃、38℃等)下进行解冻，冷冻和解冻循环2-8次(例如可以是3次、4次、5次、6次、7次)。
优选地，所述原料与液体介质的固液体积比为1:1-1:5，例如可以是1:1.5、1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5等。
优选地，所述复水处理的时间为20min-50min，例如可以是25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min等。
作为本发明的优选技术方案，在对林木生物质颗粒尺度调控后再对原料进行冻融循环，经过冻融循环可使木质纤维素结构微裂纹增多，离子通道变多，扩散系数增大，从而进一步增强组分拆解效果。
优选地，所述预处理工艺包括蒸汽爆破、水热处理、酸水解、碱水解或白腐菌生物降解中的任意一种或至少两种的组合。
上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述对林木生物质进行拆解的方法在木质纤维素降解处理中的应用。
第三方面，本发明提供了一种木质纤维素酶解产物，所述木质纤维素酶解产物是由经过第一方面所述对林木生物质进行拆解的方法中得到的拆解产物再经过酶解处理得到的。
本发明中，采用由对林木生物质进行拆解的方法中得到的木质纤维素拆解产物进行酶解，可显著降低纤维素酶的用量，而且有效提高酶解效率、提高糖浓度并降低酶解和后续发酵成本。
优选地，所述拆解产物在酶解处理体系中的固形物含量为15-60％，例如可以是20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％等。
优选地，所述酶解过程的酶用量为5-20FPU/g DM，例如可以是6FPU/g DM、8FPU/gDM、10FPU/g DM、12FPU/g DM、15FPU/g DM、17FPU/g DM、19FPU/g DM等。
优选地，所述酶解过程的温度为45-55℃(例如可以是46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃等)，时间为24-96h(例如可以是30h、36h、42h、48h、54h、60h、72h、84h、90h等)。
第四方面，本发明提供了一种如第三方面所述的木质纤维素酶解产物在制备生物乙醇中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、采用了机械作用作为颗粒尺度调整的外部动力源，所用设备应用范围广泛且可重复利用。
2、通过颗粒尺度调控能有效打破林木生物质致密性结构，降低预处理强度，减少污染、能耗及抑制物生成。
3、采用由对林木生物质进行拆解的方法得到的木质纤维素拆解产物在酶解过程中减少纤维素酶量，而且有效提高酶解效率、提高糖浓度，并且兼顾下游工艺，进一步降低能耗和成本，且反应条件温和、设备要求低，易于工业化生产。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将杨木片去除表面杂质，干燥后保持水分含量为3％；
2)将步骤1)中的杨木片在刀式粉碎机中粉碎处理20min，处理温度为25℃，形成颗粒度为1500μm的木粉，收集粉碎机内所有的原料以备预处理使用；
3)将步骤2)中的粉碎后的木粉经过蒸汽爆破预处理，蒸汽爆破条件为1.0MPa，维持时间为10min，预处理后进行固液分离，并将固体物料进行干燥；
4)取1g步骤3)干燥后的固体物料，加入15FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量达到40％，置于50℃水浴摇床中，120rpm条件下反应72小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例2
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将桉木片去除表面杂质，干燥后保持水分含量为2％；
2)将步骤1)中的桉木片在行星球磨机中球磨处理1h，处理温度为20℃，形成颗粒度为100μm的木粉，收集球磨机内所有的原料以备预处理使用；
3)将步骤2)中的粉碎后的木粉经过高压釜水热预处理，水热条件为140℃，维持时间为30min，预处理后进行固液分离，并将固体物料进行干燥；
4)取1g步骤3)干燥后的固体物料，加入5FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量为15％，置于45℃水浴摇床中，120rpm条件下反应96小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例3
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将竹片进行干燥，干燥后水分含量为5％；
2)将步骤1)中的竹片在齿式粉碎机中粉碎处理10min，处理温度为50℃，形成颗粒度为3000μm的竹粉，收集粉碎机内所有的原料以备预处理使用；
3)将步骤2)中的粉碎后的竹粉经过蒸汽爆破预处理，蒸汽爆破条件为1.0MPa，维持时间为15min，预处理后进行固液分离，并将固体物料进行干燥；
4)取1g步骤3)干燥后的固体物料，加入20FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量为60％，置于55℃水浴摇床中，120rpm条件下反应36小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例4
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤1)中杨木片的水分含量为10％，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤2)中木粉的颗粒度为500μm，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤2)中木粉的颗粒度为2000μm，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤2)中木粉的颗粒度为50μm，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤2)中木粉的颗粒度为5000μm，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将杨木片去除表面杂质，干燥后保持水分含量为3％；
2)将步骤1)中的杨木片在刀式粉碎机中粉碎处理20min，处理温度为25℃，形成颗粒度为1500μm的木粉，收集粉碎机内所有的原料以备预处理使用；
3)将步骤2)粉碎后的原料与浓度为15％的氯化锌溶液以固液体积比1:3混合，复水40min，将复水后的原料放置在-25℃环境下冷冻6小时，再置于25℃环境下解冻6小时，冻融循环次数5次；
4)将步骤3)中的冻融循环后的原料经过蒸汽爆破预处理，蒸汽爆破条件为1.0MPa，维持时间为10min，预处理后进行固液分离，并将固体物料进行干燥。
5)取1g步骤4)干燥后的固体物料，加入15FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量达到40％，置于50℃水浴摇床中，120rpm条件下反应72小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例10
1)将桉木片去除表面杂质，干燥后保持水分含量为2％；
2)将步骤1)中的桉木片在行星球磨机中球磨处理1h，处理温度为20℃，形成颗粒度为100μm的木粉，收集球磨机内所有的原料以备预处理使用；
3)将步骤2)粉碎后的原料与浓度为15％的氯化锌溶液以固液体积比1:1混合，复水20min，将复水后的原料放置在-25℃环境下冷冻6小时，再置于25℃环境下解冻6小时，冻融循环次数8次；
4)将步骤3)中的冻融循环后的原料经过高压釜水热预处理，水热条件为140℃，维持时间为30min，预处理后进行固液分离，并将固体物料进行干燥；
5)取1g步骤4)干燥后的固体物料，加入以5FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量为15％，置于45℃水浴摇床中，120rpm条件下反应96小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例11
1)将竹片进行干燥，干燥后水分含量为5％；
2)将步骤1)中的竹片在齿式粉碎机中粉碎处理10min，处理温度为50℃，形成颗粒度为3000μm的木粉，收集粉碎机内所有的原料以备预处理使用；
3)将步骤2)粉碎后的原料与浓度为15％的氯化锌溶液以固液体积比1:5混合，复水50min，将复水后的原料放置在-25℃环境下冷冻6小时，再置于25℃环境下解冻6小时，冻融循环次数2次；
4)将步骤3)中的粉碎后的木粉经过蒸汽爆破预处理，蒸汽爆破条件为1.0MPa，维持时间为15min，预处理后进行固液分离，并将固体物料进行干燥；
5)取1g步骤4)干燥后的固体物料，加入以20FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量为60％，置于55℃水浴摇床中，120rpm条件下反应36小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
对比例1
本对比例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1的区别仅在于不包括步骤2)，即将步骤1)处理后的原料直接进行预处理，其余步骤及参数与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1的区别在于不包括步骤2)，即将步骤1)处理后的原料直接进行预处理，预处理的强度为3.0MPa，维持时间为50min，其余步骤及参数与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例3的区别在于不包括步骤2)，即将步骤1)处理后的原料直接进行预处理，预处理的温度为200℃，处理时间为90min，其余步骤及参数与实施例1相同。
实施例1-11和对比例1-3的酶解率如表1，所述酶解率的计算方法为：
酶解率(葡萄糖得率)＝酶解产物中葡萄糖生产量(g)×0.9×100％÷原料中纤维素的质量(g)
表1：木质纤维素酶解率
通过实施例1-3的效果数据可知，本发明中，木质纤维素预处理前通过对林木生物质进行颗粒尺度调控，使预处理后木质纤维素在高固体浓度下酶解效率显著提高，研究结果表明，本发明方法得到的预处理后木质纤维素以高固浓度酶解后，葡萄糖得率高达85.6％。实施例4中，当原料含水量过高时，木质纤维素酶解后，葡萄糖得率为78.3％，有所下降；由实施例5-6可知，当颗粒尺度控制在500μm-2000μm时，木质纤维素酶解后，葡萄糖得率更优；由实施例7和8的数据可知，本发明中林木生物质的颗粒尺度过小时，虽说酶解效率变化不明显，但是颗粒过小时粉碎处理时间要更长，成本更高，而颗粒尺度过大时，木质纤维素酶解后，葡萄糖得率为70.3％，这是由于颗粒尺度过大时纤维素的可及内表面积及松散程度过低，进而使酶解效率有所下降；由实施例9-11可知，将颗粒尺度调控后的原料再进行冻融循环处理，木质纤维素酶解后，葡萄糖得率有所提高，这是由于调控颗粒后的原料在进行冻融循环处理可使预处理后木质纤维素的拆解效果更佳，进而提高了酶解效率；由对比例1可知，当木质纤维素在预处理前不进行颗粒调控时，木质纤维素酶解后葡萄糖得率为55.4％，出现明显下降，由此可知，颗粒尺度对后续的酶解效率影响较大；由对比例2和3可知，虽说增大预处理强度可提高木质纤维素的拆解效果，进而使酶解效率有所提高，但与通过颗粒尺度调控后再耦合预处理的方法相比，酶解效果还是较差，且能耗更高。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的一种对林木生物质进行拆解的方法及其应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种对林木生物质进行拆解的方法，其特征在于，所述对林木生物质进行拆解的方法包括：调控林木生物质原料颗粒尺度，然后耦合预处理工艺对林木生物质进行拆解，即得；
所述调控后林木生物质原料颗粒尺度的范围为100μm-3000μm。
2.根据权利要求1所述的对林木生物质进行拆解的方法，其特征在于，所述林木生物质原料包括木材、竹材或藤本原料中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述木材包括桉木、杨木、松木、杉木或槐木中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述林木生物质原料的含水量≤5％。
3.根据权利要求1或2所述的对林木生物质进行拆解的方法，其特征在于，所述调控林木生物质原料颗粒尺度的步骤包括：利用机械作用力，通过改变作用强度来调控林木生物质原料颗粒尺度；
优选地，所述机械作用力来源包括机械粉碎、剪切、球磨、盘磨或气流粉碎中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述机械作用力的作业时间为1min-1h；
优选地，所述机械作用力的作业温度为10℃-80℃；
优选地，所述调控后林木生物质原料颗粒尺度的范围为500μm-2000μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的对林木生物质进行拆解的方法，其特征在于，所述预处理工艺包括蒸汽爆破、水热处理、酸水解、碱水解或白腐菌生物降解中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的对林木生物质进行拆解的方法，其特征在于，所述对林木生物质进行拆解的方法还包括：在调控林木生物质原料颗粒尺度后对原料进行冻融循环处理；
优选地，所述冻融循环处理包括：调控颗粒尺度后的原料在液体介质中进行复水处理，然后先在-50～-20℃下进行冷冻，再在20-40℃下进行解冻，冷冻和解冻循环2-8次；
优选地，所述原料与液体介质的固液体积比为1:1-1:5；
优选地，所述复水处理的时间为20min-50min。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的对林木生物质进行拆解的方法在木质纤维素预降解处理中的应用。
7.一种木质纤维素酶解产物，其特征在于，所述木质纤维素酶解产物是林木生物质经过权利要求1-5中任一项所述的对林木生物质进行拆解的方法得到的拆解产物再经过酶解处理得到的。
8.根据权利要求7所述的木质纤维素酶解产物，其特征在于，所述拆解产物在酶解处理体系中的固形物含量为15-60％；
优选地，所述酶解过程的酶用量为5-20FPU/g DM。
9.根据权利要求7或8所述的木质纤维素酶解产物，其特征在于，所述酶解过程的温度为45-55℃，时间为24-96h。
10.一种根据权利要求7-9中任一项所述的木质纤维素酶解产物在制备生物乙醇中的应用。
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