本發(fā)明屬于生物質(zhì)原料脫除木質(zhì)素的預處理技術(shù)領域，提供一種綜合性的生物酶處理技術(shù)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著石油、煤炭儲量的下降，以及各國對環(huán)境污染問題日益關(guān)注，纖維素這種價廉的可再生資源的應用也愈來愈受到重視。目前，在紡織、造紙、生物、化工、食品、醫(yī)藥、涂料、塑料、保健品等領域中的應用十分廣泛。由于木質(zhì)素、半纖維素以及木質(zhì)素的復雜的結(jié)構(gòu)特性，在纖維素外面纏繞覆蓋著一層木質(zhì)素、半纖維素的結(jié)合層，因此不能高效單一的利用纖維素，必須進行預處理，脫除生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素。精練酶處理有較好的去除木質(zhì)素效果，且對生物質(zhì)纖維強度損傷??；堿去除木質(zhì)素的效果比漆酶好，但對纖維強度損傷較大。

有效的預處理方法主要包括以下幾個方面：一是對生物質(zhì)原料的外形大小要求不高，保留有效的戊糖成分；二是減少可抑制酶水解和發(fā)酵菌株的降解物，三是最少的能量和成本投入。其它的要求包括較低的預處理催化劑的消耗和催化劑的低成本循環(huán)使用，高附加值的木質(zhì)素副產(chǎn)品等。

預處理方法可分為物理法、化學法和生物法。物理預處理法包括機械法(Comminution)、蒸汽膨爆法(Steam Explosion)、熱解法(Hydrothermolysis)。化學法處理法在預處理系統(tǒng)中加入酸或堿可以強化水解并提高葡萄糖的收率，包括硫酸、鹽酸、氨溶劑、DMSO 和各種纖維素溶劑等，最常用的稀硫酸和氫氧化鈉。生物預處理法中主要使用白腐菌等微生物降解木質(zhì)素，其中黃孢原毛平革菌(P. chrysosporium)是最常用的菌種。目前比較先進的預處理技術(shù)是美國再生能源國家實驗室(NREL)組織實施的 CAFI 計劃 (Biomass Refining Consortium for Applied Fundamentals and Innovation)中的預處理方法，包括稀酸法(Dilute acid)、熱水沖洗法(Flowthrough)、中性 pH 法(Controlled pH)、氨纖維膨爆法(Ammonia fiber explosion)、氨水循環(huán)法(Aqueous ammonia recycle percolation)和石灰法(Lime)。

評判預處理方法的標準為：① 促進糖的生成并有利于后面的水解；②糖降解最小化；③ 避免生成對水解和發(fā)酵有害的副產(chǎn)品；④ 具有經(jīng)濟性。

木質(zhì)素是一種復雜的芳香族物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)單元是苯丙烷，苯環(huán)上有甲氧基存在。結(jié)構(gòu)單元之間基本上是通過醚鍵和碳碳鍵連接的。結(jié)構(gòu)中β－烷基一芳基醚鍵的連接是主要的，它是木質(zhì)素中主要的結(jié)構(gòu)基團，這種結(jié)構(gòu)的醚鍵斷裂即引起木質(zhì)素大分子裂解。木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元間的C—C鍵連接對化學藥品的降解作用具有高度的穩(wěn)定性，其存在是木質(zhì)素不能分解成單個木質(zhì)素單元的一種主要原因，要使木質(zhì)素溶解，必須使用能使醚鍵和C—C鍵斷裂的生物酶。

精練酶是以堿性果膠酶為主的多種酶制劑的復配產(chǎn)品，果膠酶處理纖維時起到催化水解作用，使復合體界面處迅速發(fā)生水解作用。且精練酶中含有一定量的內(nèi)切纖維素酶，能使纖維素大分子鏈斷裂，加上果膠酶的水解作用，從而使脂蠟質(zhì)及木質(zhì)素松動脫落，又經(jīng)過精練酶中各種酶的長時間協(xié)同作用，因而使木質(zhì)素含量大大降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

【本發(fā)明的目的】本發(fā)明針對目前物理法預處理技術(shù)木質(zhì)素去除效率低，化學法預處理技術(shù)污染較大等問題，結(jié)合精煉酶作用高效專一以及傳統(tǒng)物理法的易操作等特點，提供一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除木質(zhì)素的方法，提高木質(zhì)脫除率和纖維素利用率，為生物質(zhì)新能源以及紙漿造紙新工藝提供新的思路與方法。

【本發(fā)明的構(gòu)思】

本發(fā)明通過蒸汽膨爆法把相互緊密纏繞的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素打開，增大生物質(zhì)原料的孔隙率與比表面積，提高精煉酶的作用效率，增大木質(zhì)素脫除率并減少酶的用量，從而降低工藝運行成本，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

【本發(fā)明的技術(shù)方案】

本發(fā)明提供的一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除木質(zhì)素的方法，包括以下步驟：

1)將生物質(zhì)原料粗切至10~40 mm，置于蒸汽爆破裝置在0.8 ~2.0 MPa 的蒸汽壓力下維持3 ~ 8 min；

2)蒸汽膨爆法后固液分離

使用隔膜壓榨壓濾機進行固液分離，烘干；

3）精煉酶預處理脫除木質(zhì)素：

步驟2）得到的生物質(zhì)原料與精煉酶處理體系混勻，進行酶介預處理，最終得到發(fā)酵后生物質(zhì)原料。

優(yōu)選的，步驟1）所述的生物質(zhì)原料為玉米秸稈、麥草秸稈和稻草秸稈；

優(yōu)選的，步驟2）所述的固液分離為兩次固液分離，一次擠壓后得到含水率在25-35%的固體殘渣，然后加水浸后進行二次固液分離，得到的固體殘渣（含水率25-35%）烘干后即為蒸汽膨爆的生物質(zhì)原料；

優(yōu)選的，所述加水浸后進行二次固液分離，按照固體殘渣濕重與水的固液比3:2~1:4(w/v,g/ml)加水浸后進行二次固液分離。

優(yōu)選的，步驟3）中生物質(zhì)原料與精煉酶按照固液比（w/v）1:15-25混勻，蒸汽膨爆生物質(zhì)原料按照干重計。精練酶的最佳處理工藝條件為：pH7-8，溫度50-60 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度15-25 g/L，發(fā)酵時間40-54 h。

優(yōu)選的，步驟3）中生物質(zhì)原料與精煉酶處理體系按照固液比（w/v）1:20混勻，蒸汽膨爆生物質(zhì)原料按照干重計。精練酶的最佳處理工藝條件為：pH7.5，溫度55 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度20 g/L，發(fā)酵時間48 h。

優(yōu)選的，步驟3）中的精煉酶為精煉酶為石家莊市聯(lián)邦科特有限公司生產(chǎn)的精練酶CZ-4，是一種堿性果膠酶為主的酶制劑的復合體。

本發(fā)明提供的一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除木質(zhì)素的方法，其特點是在于生物質(zhì)原料首先經(jīng)過蒸汽膨爆處理，使原料中的半纖維素大部分降解成可溶性糖類?？扇苄蕴穷愇镔|(zhì)與固態(tài)殘渣之間的分離采用隔膜壓榨壓濾機實現(xiàn)，經(jīng)擠壓后得到富含可溶性糖的水洗液和富集纖維素和木質(zhì)素的固體殘渣，此固體殘渣即為蒸汽膨爆的生物質(zhì)原料。由于蒸汽爆破作用的蒸煮和剪切力作用，秸稈中大部分半纖維素降解，纖維素發(fā)生溶脹，因此汽爆秸稈整體結(jié)構(gòu)變得松散，比表面積增大。但是木質(zhì)素仍然殘留在汽爆秸稈中，從而使得汽爆秸稈中仍然存在著對纖維素酶的無效吸附、空間屏蔽作用等，為了提高預處理的效果必須進一步提高木質(zhì)素的脫除率。因此，本發(fā)明的特征在于還包括將蒸汽膨爆的生物質(zhì)原料與精煉酶進行組合預處理脫木質(zhì)素，以提高秸稈原料預處理后木質(zhì)素脫除率。圖1、圖2為精練酶處理前后的纖維掃描電鏡圖。從圖1、圖2中可看到，精練酶處理后的纖維與處理前相比，未經(jīng)過精練酶處理的纖維表面較粗糙，附有較多的膠著物質(zhì)，而經(jīng)精練酶處理后，纖維表面比較光滑，膠著物質(zhì)減少。從測試數(shù)據(jù)來看，精練酶處理后的細度變化率最大，木質(zhì)素含量最小，這說明精練酶對竹原纖維實驗處理結(jié)果較堿或漆酶處理效果為好。

本發(fā)明提供的生物質(zhì)精煉酶預處理的效果，以原料中各組分的脫除率來表示，各組分的降解率按照以下公式計算：

式中m₀ 為處理前物料質(zhì)量；A 為處理前木質(zhì)素含量，％ ；md 為處理后物料質(zhì)量；B為處理后木質(zhì)素含量，％。

【本發(fā)明的優(yōu)點】

1.本發(fā)明通過蒸汽膨爆法把相互緊密纏繞的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素打開，增大生物質(zhì)原料的孔隙率與比表面積，增加精煉酶的作用效率；

2. 精練酶處理后，纖維表面比較光滑，膠著物質(zhì)減少，纖維細度變化率最大，木質(zhì)素含量最小，這說明精練酶對生物質(zhì)原料纖維實驗處理結(jié)果較堿或漆酶處理效果為更好。

3.增大木質(zhì)素脫除率并減少酶的用量，降低工藝運行成本。

附圖說明

圖1為玉米秸稈實施例1中精煉酶處理前纖維橫截面（放大倍數(shù)100）；

圖2為玉米秸稈實施例1中精煉酶處理前纖維表面（放大倍數(shù)2000）；

圖3為玉米秸稈實施例1中精煉酶處理后纖維橫截面（放大倍數(shù)100）；

圖4為玉米秸稈實施例1中精煉酶處理后纖維表面（放大倍數(shù)2000）。

表一 實施例1預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率；

表二 實施例2預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率；

表三 實施例3預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率。

表四 實施例3預處理前后麥草秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率。

表五 實施例3預處理前后稻草秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率。

具體實施方式：

實施例1：

一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除玉米秸稈中木質(zhì)素

步驟一：1 kg發(fā)酵罐中，將玉米秸稈（水分13.42％，纖維素32.00％，半纖維素27.82％，木質(zhì)素15.42％，灰分11.34％）粗切至10 mm 后，置于蒸汽爆破裝置在0.8 MPa 的蒸汽壓力下維持3 min；

步驟二：蒸汽膨爆法后固液分離

玉米秸稈經(jīng)過蒸汽膨爆法后使用隔膜壓榨壓濾機進行兩次固液分離，一次擠壓后得到含水率在30%左右的固體殘渣，稱量濕重。然后按照固體殘渣濕重與水的固液比3:2 (w/v,g/mL)加水浸后進行二次固液分離，得到的固體殘渣（含水率30%）烘干后即為蒸汽膨爆的玉米秸稈；

步驟三：精煉酶預處理脫除木質(zhì)素：將蒸汽膨爆后的玉米秸稈與精煉酶處理體系按照固液比（w/v）1:20混勻，進行酶介預處理，蒸汽膨爆玉米秸稈按照干重計?；靹蚝笳{(diào)解至pH 7.5，溫度55 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度20 g/L，發(fā)酵時間48 h。

預處理過程中分別測定預處理前、蒸汽膨爆后、精練酶處理后秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,詳情見表一。

表一 實施例1預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率

實施例1預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率

從表一中可看出預處理前秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為32.00%、27.82%和15.42%，經(jīng)過蒸汽膨爆處理后，秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別變?yōu)?1.30%、26.66%和13.92%，降解率為2.2%、4.17%和9.7%。在蒸汽膨爆處理后再應用精練酶處理工藝，經(jīng)測定精練酶處理后秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為30.94%、26.29%、12.91%，綜合降解率分別達到3.3%、5.5%、16.3%。這說明本發(fā)明提供的一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除木質(zhì)素的方法與單獨使用蒸汽膨爆法對玉米秸稈中木質(zhì)素有更好的的脫除率。此外精練酶處理前后纖維素、半纖維素含量變化較小可看出，本發(fā)明提供的一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除木質(zhì)素的方法對生物質(zhì)中纖維素、半纖維素纖維強度損傷較小。

實施例2

其他同實施例1，不同之處在于：

步驟一：1 kg發(fā)酵罐中，將玉米秸稈粗切至20 mm 后，置于蒸汽爆破裝置在1.8 MPa 的蒸汽壓力下維持5 min；

步驟二：蒸汽膨爆法后固液分離

玉米秸稈經(jīng)過蒸汽膨爆法后使用隔膜壓榨壓濾機進行兩次固液分離，一次擠壓后得到含水率在25%左右的固體殘渣，稱量濕重。然后按照固體殘渣濕重與水的固液比1:2 (w/v,g/mL)加水浸后進行二次固液分離，得到的固體殘渣（含水率25%）烘干后即為蒸汽膨爆的玉米秸稈；

步驟三：精煉酶預處理脫除木質(zhì)素：將蒸汽膨爆后的玉米秸稈與精煉酶處理體系按照固液比（w/v）1:15混勻，進行酶介預處理，蒸汽膨爆玉米秸稈按照干重計?；靹蚝笳{(diào)解至pH 7，溫度50 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度15 g/L，發(fā)酵時間40 h。

預處理過程中分別測定預處理前、蒸汽膨爆后、精練酶處理后秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,詳情見表2。

表二 實施例2預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率

從表二中可看出預處理前秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別為32.00%、27.82%和15.42%，經(jīng)過蒸汽膨爆處理后，秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別變?yōu)?0.49%、26.54%和14.20%，降解率為4.7%、4.6%和7.9%。在蒸汽膨爆處理后再應用精練酶處理工藝，經(jīng)測定精練酶處理后秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為28.63%、24.55%、11.31%，綜合降解率分別達到6.1%、7.5%、20.3%。與實施例1相比，在改變蒸汽膨爆壓力和作用時間，混勻后調(diào)解至pH 7，溫度50 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度15 g/L，發(fā)酵時間40 h之后纖維素與半纖維素損失增大，分別達到6.1%和7.5%，但與此同時木質(zhì)素降解率增大至20.3%。

實施例3

其他同實施例1，不同之處在于：

步驟一：1 kg發(fā)酵罐中，將玉米秸稈粗切至40 mm 后，置于蒸汽爆破裝置在1.2 MPa 的蒸汽壓力下維持8 min；

步驟二：蒸汽膨爆法后固液分離

玉米秸稈經(jīng)過蒸汽膨爆法后使用隔膜壓榨壓濾機進行兩次固液分離，一次擠壓后得到含水率在35%左右的固體殘渣，稱量濕重。然后按照固體殘渣濕重與水的固液比1:4 (w/v,g/mL)加水浸后進行二次固液分離，得到的固體殘渣（含水率35%）烘干后即為蒸汽膨爆的玉米秸稈；

步驟三：精煉酶預處理脫除木質(zhì)素：將蒸汽膨爆后的玉米秸稈與精煉酶處理體系按照固液比（w/v）1:25混勻，進行酶介預處理，蒸汽膨爆玉米秸稈按照干重計?；靹蚝笳{(diào)解至pH 8，溫度60 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度25 g/L，發(fā)酵時間54 h。

預處理過程中分別測定預處理前、蒸汽膨爆后、精練酶處理后秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,詳情見表3。

表三 實施例3預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率

從表三中可看出經(jīng)過蒸汽膨爆處理后，秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量分別變?yōu)?0.88%、26.33%和13.77%，降解率為3.5%、5.4%、10.7%。在蒸汽膨爆處理后再應用精練酶處理工藝，經(jīng)測定精練酶處理后秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為29.27%、24.72%和10.38%，綜合降解率分別達到5.2%、6.1%和24.6%。

實施例4：

一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除麥草秸稈中木質(zhì)素

步驟一：1 kg發(fā)酵罐中，將麥草秸稈( 水分12.62％，纖維素32.16％，半纖維素25.63％，木質(zhì)素10.36％，灰分6.52％ )粗切至40 mm 后，置于蒸汽爆破裝置在1.6 MPa 的蒸汽壓力下維持8 min；

步驟二：蒸汽膨爆法后固液分離

麥草秸稈經(jīng)過蒸汽膨爆法后使用隔膜壓榨壓濾機進行兩次固液分離，一次擠壓后得到含水率在30%左右的固體殘渣，稱量濕重。然后按照固體殘渣濕重與水的固液比3:2 (w/v,g/mL)加水浸后進行二次固液分離，得到的固體殘渣（含水率30%）烘干后即為蒸汽膨爆的麥草秸稈；

步驟三：精煉酶預處理脫除木質(zhì)素：將蒸汽膨爆后的玉米秸稈與精煉酶處理體系按照固液比（w/v）1:20混勻，進行酶介預處理，蒸汽膨爆麥草秸稈按照干重計?；靹蚝笳{(diào)解至pH 7.5，溫度55 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度20 g/L，發(fā)酵時間48 h。

預處理過程中分別測定預處理前、蒸汽膨爆后、精練酶處理后秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,詳情見表2。

表四 實施例4預處理前后麥草秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率

從表四中可看出，測定汽爆秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為40.38％，9.12％和9.72％。經(jīng)過酶介處理后測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為44.63％，9.58％和8.73％。秸稈經(jīng)汽爆處理后纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為2.3％，71.9％和7.9％。經(jīng)漆酶處理的汽爆秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為4.3％，9.08％和22.3％。

實施例5：

一種生物質(zhì)精煉酶結(jié)合蒸汽膨爆法預處理脫除稻草秸稈中木質(zhì)素

步驟一：1 kg發(fā)酵罐中，將稻草秸稈( 水分15.23％，纖維素39.16％，半纖維素23.63％，木質(zhì)素13.36％，灰分8.62％ )粗切至20 mm 后，置于蒸汽爆破裝置在1.6 MPa 的蒸汽壓力下維持5 min；

步驟二：蒸汽膨爆法后固液分離

稻草秸稈經(jīng)過蒸汽膨爆法后使用隔膜壓榨壓濾機進行兩次固液分離，一次擠壓后得到含水率在30%左右的固體殘渣，稱量濕重。然后按照固體殘渣濕重與水的固液比3:2 (w/v,g/mL)加水浸后進行二次固液分離，得到的固體殘渣（含水率30%）烘干后即為蒸汽膨爆的稻草秸稈；

步驟三：精煉酶預處理脫除木質(zhì)素：將蒸汽膨爆后的玉米秸稈與精煉酶處理體系按照固液比（w/v）1:20混勻，進行酶介預處理，蒸汽膨爆稻草秸稈按照干重計。混勻后調(diào)解至pH 7.5，溫度55 ℃，并振蕩，精練酶質(zhì)量濃度20 g/L，發(fā)酵時間48 h。

預處理過程中分別測定預處理前、蒸汽膨爆后、精練酶處理后秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量,詳情見表3。

表五 實施例5預處理前后玉米秸稈中木質(zhì)纖維素含量及其脫除率

從表五中可看出，測定汽爆秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為37.48%，8.10％和11.86％。經(jīng)過酶介處理后測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量分別為35.38%，7.40%和8.29%。秸稈經(jīng)汽爆處理后纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為4.3%、65.71%、11.23%。經(jīng)漆酶處理的汽爆秸稈纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的降解率分別為5.6％，8.57％和30.11％。