一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)綜合利用的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種將木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素充分利用的 方法，具體設(shè)及一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)綜合利用的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化石燃料日益枯竭，全球變暖、霧霸天氣等，環(huán)境問題加劇，尋找清潔、可再生 能源成為熱口議題。燃料己醇已被證實可W代替汽油作為汽車燃料，利用微生物發(fā)酵法生 產(chǎn)己醇技術(shù)成熟，W木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（雜草、林木、農(nóng)業(yè)廢棄物等）轉(zhuǎn)化己醇具有原料分 布廣、不與人畜爭糧等優(yōu)勢。
[0003] 木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，將其中的纖維素和半 纖維素水解得到還原糖可W用來發(fā)酵生產(chǎn)己醇，但=種組分相互連接、結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致聚糖 不容易水解，為提高纖維素和半纖維素酶解轉(zhuǎn)化效率需要將原料中的木質(zhì)素除去，最大程 度的保留纖維素與半纖維素，用于制備木質(zhì)纖維素水解糖，然后通過生物轉(zhuǎn)化技術(shù)轉(zhuǎn)化為 能源產(chǎn)品或生物基化學(xué)品。
[0004] 中國專利CN201110308471，同樣公開了一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的綜合利用方法， 采用對木質(zhì)纖維素生物質(zhì)進(jìn)行N級酸水解，其中，第一級酸水解的溫度為100-150°C，后續(xù) 每級逐級降低5~25°C，N為大于等于2的整數(shù)；酸處理后的渣進(jìn)行酶解，然后用堿提取酶 解渣中的木質(zhì)素，剩余的渣再酶解，循環(huán)反復(fù)，此工藝復(fù)雜，并且大量使用酸堿，容易產(chǎn)生大 量廢液造成環(huán)境污染，纖維素酶的反復(fù)添加增加了生產(chǎn)成本，不具有經(jīng)濟性，同時該工藝中 戊糖經(jīng)過多次酸處理后會分解產(chǎn)生發(fā)酵抑制物，不利于后續(xù)利用。中國專利201110306624， 公開了一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的綜合利用方法，方法與專利CN201110308471相類似，只不 過采用一步磯酸酸解，由于磯酸價格高昂，同時用磯酸預(yù)處理得到的戊糖未做高值化轉(zhuǎn)化， 因此該綜合利用方式同樣不具有經(jīng)濟性和產(chǎn)業(yè)化價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了提供一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)綜合利用的方法。
[0006] 本發(fā)明是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 一種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)綜合利用的方法，包括W下步驟：
[000引 （1)將原料木質(zhì)纖維素材料粉碎，W液固質(zhì)量比4~10 : 1置于水中，形成混合 液，加堿調(diào)節(jié)pH為9~11，然后加入亞硫酸鹽進(jìn)行蒸煮得到混合物，亞硫酸鹽添加量為原料 中木質(zhì)素質(zhì)量的5%~20%。
[0009] (2)將步驟（1)中得到的混合物進(jìn)行固液分離，固體采用熱水進(jìn)行沖洗降溫，沖洗 出的液體與固液分離的液體混合后循環(huán)利用到步驟（1)中，通過補加堿或亞硫酸鹽滿足步 驟（1)中混合液抑為9~11、亞硫酸鹽的質(zhì)量為原料中木質(zhì)素質(zhì)量的5%~20%，液體循 環(huán)使用，待液體中的干物質(zhì)含量在10~20% (w/w)時，將液體干燥得到橫化木質(zhì)素。
[0010] 做將步驟似中沖洗后的固體部分加磯酸調(diào)節(jié)抑為4. 0~6. 0,待混合均勻抑 穩(wěn)定在4. 0~6. 0,按照固體中每克纖維素質(zhì)量添加5~12FPU纖維素酶液，加水調(diào)節(jié)液固 質(zhì)量比為7~8: 1，50~55°C條件下進(jìn)行高濃物料糖化。
[0011] (4)待步驟（3)中糖化液的糖濃度達(dá)20~30g/L時，將糖化液累入發(fā)酵罐，加入活 化好的酵母進(jìn)行厭氧發(fā)酵，按照糖化液體積的2~10%接種，34~40°C發(fā)酵48~12化，發(fā) 酵完成后，混合物經(jīng)減壓蒸饋得到粗己醇、粗己醇通過精饋和脫水得到無水己醇。
[0012] (5)將步驟（4)中蒸饋剩余的蒸饋膠液直接轉(zhuǎn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐，接入擴大培養(yǎng)后的 拜氏梭菌進(jìn)行厭氧發(fā)酵，接種量為步驟（4)蒸饋膠液體積的3%~10%，36~38°C發(fā)酵 72~12化，發(fā)酵后蒸饋生產(chǎn)己醇、丙酬和了醇，蒸饋后的該步驟產(chǎn)生的廢膠直接進(jìn)入污水 處理進(jìn)行厭氧好氧處理裝置進(jìn)行沼氣發(fā)電。
[0013] 上述步驟（1)中，所述的木質(zhì)纖維素材料為一年生草本植物，包括農(nóng)業(yè)廢棄物玉 米巧、玉米枯桿、稻殼、麥桿的一種、兩種或兩種W上的混合物。
[0014] 上述步驟（1)中，所述的木質(zhì)纖維素材料粉粹至小于10cm。優(yōu)選的，將木質(zhì)纖維素 材料粉粹至3~10cm。
[00巧]上述步驟（1)中，蒸煮時溫度為155~210°C，保溫時間為20~ISOmin。
[0016] 上述步驟（1)中，所述的亞硫酸蒸煮所用的設(shè)備，其承受壓力大于等于2MPa，材質(zhì) 為雙相鋼或不誘鋼31化材質(zhì)，其進(jìn)料口通過進(jìn)料螺旋在壓力作用下將物料形成塞狀，簡稱 物料塞，且形成的物料塞固含量大于等于35 %，小于等于60%。物料塞固含量是指物料塞 中固形物的質(zhì)量占物料塞總質(zhì)量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
[0017] 上述步驟（1)中，所述的亞硫酸鹽蒸煮所用的試劑，所有堿和亞硫酸鹽均適用于 本發(fā)明，堿添加量為原料中木質(zhì)纖維素質(zhì)量的0.5%~2. 0% ;其中堿優(yōu)選用化0H和氨水， 亞硫酸鹽可W使用Na2S〇3、Na服〇3、畑4服〇3、（畑4)25〇3,優(yōu)選畑4服〇3、（畑4)25〇3。
[0018] 上述步驟（2)中，固體采用其1~2倍質(zhì)量的熱水進(jìn)行沖洗降溫，熱水溫度為50~ 65°C，其目的是將原料蒸煮后的溫度降低至糖化溫度，同時將堿與亞硫酸鹽洗出回收循環(huán) 用于原料蒸煮預(yù)處理，減少堿和亞硫酸鹽的使用。
[0019] 上述步驟（2)中，所述液體經(jīng)過五次循環(huán)使用。
[0020] 上述步驟（3)中，酶解特征是，先采用磯酸調(diào)節(jié)固體抑至4~6,待抑穩(wěn)定不回升 時通過加纖維素酶粗酶液和水進(jìn)行液固比調(diào)整。其所述的纖維素酶是草酸青酶發(fā)酵生產(chǎn)的 復(fù)合粗酶液。其中，所述磯酸的質(zhì)量濃度是30% (w/w)。
[0021] 上述步驟（3)中，高濃物料糖化的設(shè)備采用專利201420441746. 1實施例1所述的 酶解反應(yīng)器。
[0022] 上述步驟（3)中，所述的纖維素酶液是由草酸青霉菌株（本本發(fā)明中草酸青霉保 藏在中國普通微生物保藏管理中屯、，保藏編號CGMCCNO. 5302,記載在中國專利《一種提高 纖維素酶和半纖維素酶酶活性的草酸青霉菌株》中，申請?zhí)枺?01410160118. 0)發(fā)酵得來。 其中菌種活化方法；草酸青霉在PDA平板上于30°C條件下，生長7天，然后挑取單菌落劃線 于含有PDA瓊脂（馬鈴馨粉；5.Og/L，葡萄糖；20.Og/L，瓊脂；15.Og/l，氯霉素；0.Ig/L)的 茄形瓶中，28°C培養(yǎng)7天，然后用無菌水洗出，接入液體活化培養(yǎng)基中培養(yǎng)36h，即得活化后 的草酸青霉，草酸青霉的數(shù)量為IX106~10 "CFU/ml，菌絲短、粗壯呈現(xiàn)菊花狀。
[002引所述PDA平板的配方是；馬鈴馨300克、葡萄糖20克、瓊脂15~20克、自來水1000 毫升、自然pH。所述液體活化培養(yǎng)基的配方是；葡萄糖lOg/l，蛋白腺lOg/l，玉米巧lOg/l， 款皮lOg/L碳酸巧5g/L。
[0024] 纖維素酶發(fā)酵方法；W步驟（1)中蒸煮預(yù)處理后的原料經(jīng)步驟（2)沖洗后為碳源 及誘導(dǎo)物，進(jìn)行草酸青霉在28~32°C好氧發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶，發(fā)酵液所需成分為；蒸煮預(yù) 處理后的原料：50g/l，款皮；20~40g/l，尿素；1~lOg/l，豆餅粉；3~lOg/l，玉米漿；5g/ L，硫酸錠；1~5g/l，硫酸儀；0. 5g/L和磯酸二氨鐘：l-3g/L，調(diào)節(jié)抑為5. 0~5. 5,活化好 的草酸青霉菌種按照液體發(fā)酵培養(yǎng)基體積的5~10% (v/v)接種量轉(zhuǎn)接于液體發(fā)酵培養(yǎng) 基，28~32°C發(fā)酵72~12化獲得纖維素酶酶液。
[0025] 上述步驟（4)中，使用的酵母為耐高溫釀酒高活性干酵母（為常規(guī)市售產(chǎn)品，購自 安琪酵母股份有限公司）。酵母活化的方法為；將步驟（2)中的固液分離后的固體部分進(jìn)行 酶解制備葡萄糖液，酶解時干物含量為40~lOOg/l，混合均勻，加磯酸調(diào)節(jié)抑為4~6,按 照固體中每克纖維素質(zhì)量添加5~20FPU纖維素酶液，50°C糖化2~2化得到糖化液。向 每升糖化液中加入0~5g的玉米漿及Ig干酵母，34°C活化4~她，得活化好的酵母。其中 酵母個數(shù)為2X1〇8~10 1化即/ml
[0026] 上述步驟（4)中，減壓蒸饋時采用的蒸饋塔塔底溫度為90~108°C，減壓蒸饋后的 酒精膠用于丙酬了醇發(fā)酵，酒氣進(jìn)入精饋塔，精饋塔塔底溫度為105~125°C。
[0027] 上述步驟巧）中，所述的丙酬、了醇發(fā)酵菌為拜氏梭菌ATCC55025(山東大學(xué)提 供）。活化培養(yǎng)基的配方為：酵母浸膏3g/l，牛肉浸膏l(xiāng)Og/l，膜蛋白腺lOg/l，葡萄糖5g/L， 可溶性淀粉Ig/l，氯化鋼5g/l，k半脫氨酸0. 5g/L，115°C滅菌15min。菌種活化方法為：從 甘油管菌種中按上述培養(yǎng)基體積的10%v/v進(jìn)行接種，在厭氧培養(yǎng)箱培養(yǎng)1她。擴大培養(yǎng) 方法；蒸煮預(yù)處理后的玉米枯桿80g/l，磯酸調(diào)節(jié)抑至5.0,按照玉米枯桿中每克纖維素質(zhì) 量渣添加15FPU纖維素酶糖化化后，加入1倍質(zhì)量己醇蒸饋剩余的蒸饋膠液，接入活化好 的菌種進(jìn)行擴大培養(yǎng)20h，擴大培養(yǎng)后，蒸饋膠液中的拜氏梭菌ATCC55025的數(shù)量為1〇6~ 10化即/血。
[002引本發(fā)明采用堿法配合亞硫酸鹽蒸煮一步法進(jìn)行木質(zhì)素提取及改性，改性木質(zhì)素用 于制備燃料分散劑或減水劑，采用的堿性環(huán)境下亞硫酸鹽連續(xù)蒸煮預(yù)處理工藝，去除了木 質(zhì)素，并且纖維素得W溶脹，充分打開纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高酶的可及性；蒸煮后的殘渣 主要W纖維素和半纖維素聚糖組成，W此預(yù)處理后的殘渣作為誘導(dǎo)物W草酸青霉為菌株進(jìn) 行纖維素酶和木聚糖酶發(fā)酵，得到了最適于該原料降解的酶與木聚糖酶復(fù)合酶系，極大的 提高了降粘速率，使得纖維素酶用量降低20%W上，雖然木聚糖酶酶活力較低，但在己醇發(fā) 酵結(jié)束后，發(fā)酵液中含有大量木糖，通過己醇蒸饋滅菌后，剩余木糖膠液采用木糖利用型菌 株拜氏梭菌發(fā)酵生產(chǎn)丙酬和了醇，此過程無需添加任何營養(yǎng)元素，因為己醇發(fā)酵后剩余的 廢渣、廢液中含有豐富的菌體蛋白及聚合度較低的纖維素和未被充分利用的還原糖經(jīng)過蒸 饋后降解為利于發(fā)酵的營養(yǎng)元素，同時在蒸饋過程中實現(xiàn)了膠液的滅菌，實現(xiàn)了木質(zhì)纖維 素原料應(yīng)用的最大化。
[0029] 本發(fā)明的有益效果：
[0030] 1、實現(xiàn)了木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素=種主要成分的高效利 用，其中的木質(zhì)素經(jīng)橫化得到木質(zhì)素橫酸鹽，可W用作水泥減水劑或高效緩釋肥（W氨為 預(yù)處理工藝）；纖維素轉(zhuǎn)化為己醇，半纖維素轉(zhuǎn)化為丙酬、了醇。
[0031] 2、亞硫酸鹽蒸煮使得原料中的木質(zhì)素被橫化有效除去了木質(zhì)素對纖維素和半纖 維素的束縛，提高了酶解產(chǎn)糖效率，同時去除了部分半纖維素。
[0032] 3、纖維己醇發(fā)酵廢渣、廢液被充分利用，進(jìn)行廢水處理的同時生產(chǎn)丙酬、了醇。
[0033] 4、草酸青霉可W分泌纖維素酶酶系和木聚糖酶酶系，W預(yù)處理后的纖維質(zhì)原料作 為碳源和誘導(dǎo)物替代高價的微晶纖維，生產(chǎn)成本大幅度降低，其誘導(dǎo)的酶系纖維素酶與木 聚糖酶酶系比例適當(dāng)，便于預(yù)處理后物料的快速降粘；而且就地生產(chǎn)纖維素酶，使得纖維素 酶粗酶液中的營養(yǎng)物質(zhì)被酵母直接利用生產(chǎn)纖維己醇，極大的降低了生產(chǎn)成本。
[0034] 5