一種利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)生物柴油的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物煉制與生物能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其設及一種利用木質(zhì)纖維素原料生 產(chǎn)生物柴油的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自然界中某些微生物在特定條件下，能夠W碳水化合物、碳氨化合物、二氧化碳等 為碳源，在體內(nèi)合成并膽存大量油脂，凡是可W在胞內(nèi)積累油脂并超過細胞干重20%(w/w， 運里w/w表示質(zhì)量比，下同）的微生物稱為產(chǎn)油微生物。某些產(chǎn)油微生物胞內(nèi)積累的油脂甚 至超過其細胞干重的70%。微生物油脂，尤其是產(chǎn)油真菌產(chǎn)生的油脂，其主要成份是甘油= 醋，脂肪酸組成與商品化的動植物油脂相似，WC14-C22長鏈脂肪酸為主。相對于動植物油 月旨，微生物油脂生產(chǎn)周期短，不受季節(jié)與氣候限制，原料來源廣，基本不占用額外耕地資源， 易于實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，是極具潛力的新型油脂資源。微生物油脂不僅可W作為食用油或其他 功能性油脂的替代品，還可W為生物柴油產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供原料。
[0003] 木質(zhì)纖維素材料來源廣泛、是自然界中最豐富的可再生資源之一，據(jù)測算年總產(chǎn) 量高達1500億噸，其化學成份主要是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，蘊藏著巨大的碳水化合物 資源。纖維素完全水解主要產(chǎn)物為葡萄糖;半纖維素水解可得到木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半 乳糖、甘露糖等的混合物。廉價的木質(zhì)纖維素原料主要有W玉米賴桿、玉米忍、稻草和麥桿 為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物，W樹木、枝權(quán)和銀末為代表的林業(yè)廢棄物，W甘薦渣和甜高梁渣等為 代表的工業(yè)廢棄物等。目前我國對木質(zhì)纖維素資源的利用尚不完善，大部分未得到合理開 發(fā)利用。利用木質(zhì)纖維素水解液培養(yǎng)產(chǎn)油微生物，有望大幅度降低原料成本，并使規(guī)?；?備微生物油脂的原材料得到保障。
[0004] 然而，目前木質(zhì)纖維素基原料的經(jīng)濟性不如傳統(tǒng)的糖質(zhì)原料，主要是由于生物質(zhì) 抗降解特性(b i oma S S re Ca 1C i tr an C e )，導致很難通過經(jīng)濟、高效的方式降解木質(zhì)纖維素獲 取產(chǎn)油微生物利用的可發(fā)酵性糖。木質(zhì)纖維素通常需要先經(jīng)過物理、化學、物理化學或生物 的方法進行預處理，破壞木質(zhì)纖維素的抗降解結(jié)構(gòu)，降低纖維素的結(jié)晶度、增加原料的孔隙 率、提高酶的可及度和脫除木質(zhì)素的保護作用，從而提高木質(zhì)纖維素的酶解效率。預處理通 常需要加入化學試劑或者較高的能耗，成本高。另外，誘發(fā)產(chǎn)油酵母過量積累油脂，通常需 要培養(yǎng)基中的碳水化合物過量，而缺乏產(chǎn)油酵母生長繁殖的其它必要成分，包括氮、憐、硫、 鐵、鋒和溶氧等。氮限制是微生物調(diào)控油脂積累最常用的策略，較高的C/^比有利于油脂積 累。然而，木質(zhì)纖維素原料通常氮含量較高，另外其降解過程中添加水解酶，也會引入一定 量的氮源，導致水解液C/N比較低，產(chǎn)油微生物W菌體增殖為主，油脂產(chǎn)量和油脂得率較低。
[0005] 通過木質(zhì)纖維素原料為碳源培養(yǎng)產(chǎn)油微生物，然后進行堿催化轉(zhuǎn)醋化制備生物柴 油有望從根本上解決制備生物柴油的油脂資源問題。然而，當前該技術(shù)路線存在著生產(chǎn)成 本高、油脂產(chǎn)量低、副產(chǎn)物資源化利用困難、廢水處理的突出問題。綠色、經(jīng)濟、高效地利用 木質(zhì)纖維素制備生物柴油是目前能源生物技術(shù)領(lǐng)域的研究難點和熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)生物柴油的 方法，旨在解決現(xiàn)有方法生產(chǎn)成本高、油脂產(chǎn)量低、副產(chǎn)物難資源化利用的突出問題。
[0007] 產(chǎn)油微生物積累的胞內(nèi)油脂主要為中性脂，其主要成分為=酷甘油，游離脂肪酸 含量非常低，可通過簡單的一步堿催化轉(zhuǎn)醋化制備生物柴油。轉(zhuǎn)醋化反應后產(chǎn)生副產(chǎn)物甘 油的同時，殘留大量的堿催化劑和未反應的甲醇。本發(fā)明提出一種利用木質(zhì)纖維素原料生 產(chǎn)生物柴油的方法，可W充分利用堿催化轉(zhuǎn)醋化的副產(chǎn)物甘油W及殘余堿催化劑和未反應 的甲醇，W提木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化制備生物柴油的技術(shù)經(jīng)濟性，大大降低了成本，具有顯著的經(jīng) 濟效益。本發(fā)明方法具體包括如下步驟：
[0008] 取微生物油脂經(jīng)一步堿催化轉(zhuǎn)醋化制備得到的生物柴油，加正己燒萃取并靜置分 層，上層液通過蒸發(fā)除去正己燒收獲生物柴油產(chǎn)品，下層液獲得含堿催化劑、副產(chǎn)物甘油和 未反應甲醇的混合溶液；
[0009] 將木質(zhì)纖維素原料與所述混合溶液按固液質(zhì)量比5%~50%混合均勻，并高溫預 處理，然后原位蒸發(fā)及冷凝回收甲醇，原料加水至固液質(zhì)量比5%~25%，采用酸中和，添加 適量的木質(zhì)纖維素降解酶進行水解，固液分離后獲得水解液，調(diào)整水解液的pH值至4~9，最 后滅菌處理，所述水解液中包含有由木質(zhì)纖維素降解得的可發(fā)酵性生物質(zhì)糖；
[0010] 取產(chǎn)油微生物并在種子培養(yǎng)基中培養(yǎng)，得到產(chǎn)油微生物種子液，將所述產(chǎn)油微生 物種子液接種至所述水解液中，接種量為2%-20%，于20°C-37°C通氣培養(yǎng)，直至發(fā)酵液中 殘余碳水化合物和甘油的濃度總和低于5g/L，終止發(fā)酵，固液分離收集產(chǎn)油微生物菌體，所 述接種量為體積比；
[0011] 提取所述產(chǎn)油微生物菌體的胞內(nèi)油脂，采用一步堿催化轉(zhuǎn)醋化制備生物柴油，審U 備得到的生物柴油中包含堿催化劑、副產(chǎn)物甘油和甲醇的溶液，用于循環(huán)預處理木質(zhì)纖維 素。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將微生物油脂制備生物柴油過程中的堿催化劑-副 產(chǎn)物甘油-未反應甲醇溶液作為預處理介質(zhì)處理木質(zhì)纖維素原料，可顯著提高木質(zhì)纖維素 的酶可及性，葡萄糖得率可達95% W上，木糖得率可達到80% W上;強堿和甲醇可先后用于 堿催化轉(zhuǎn)醋化和木質(zhì)纖維素的預處理，降低了試劑成本;甘油可先后作為木質(zhì)纖維素的預 處理介質(zhì)和產(chǎn)油酵母的碳源被轉(zhuǎn)化為微生物油脂，整個生物柴油生產(chǎn)方法沒有副產(chǎn)物甘油 的凈產(chǎn)出；高糖得率，W及預處理的甘油，提高了水解液中C/^比，使微生物能夠更好地將碳 源導向油脂合成，顯著提高油脂的產(chǎn)量。因此，本發(fā)明提供的利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)生物 柴油的工藝，實現(xiàn)了原料循環(huán)，可大大降低成本，具有非常好的應用前景。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明實施例提供的利用木質(zhì)纖維素原料生產(chǎn)生物柴油的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下實施例對本發(fā)明進行 進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定 本發(fā)明。
[0015] 本發(fā)明是將微生物油脂經(jīng)一步堿催化轉(zhuǎn)醋化制備生物柴油過程中的堿催化劑-副 產(chǎn)物甘油-未反應甲醇的混合溶液用于木質(zhì)纖維素的預處理，酶水解獲得大量可發(fā)酵性糖， 糖和甘油可作為碳源，強化油脂發(fā)酵過程，生產(chǎn)微生物油脂。
[0016] 結(jié)合圖1所示，本發(fā)明方法具體包括如下步驟：
[0017] 步驟S101、獲取強堿-甘油-甲醇的混合溶液。
[0018] 取微生物油脂采用一步堿催化轉(zhuǎn)醋化方法制備生物柴油，加入一定量的正己燒充 分震蕩，萃取并靜置分層，上層液通過蒸發(fā)除去正己燒收獲生物柴油產(chǎn)品，下層液獲得含堿 催化劑、副產(chǎn)物甘油和未反應甲醇的混合溶液。所述堿催化劑為KOH或化0H。所述強堿-甘 油-甲醇的混合溶液中，堿催化劑的質(zhì)量濃度為0.2 %~2 %，副產(chǎn)物甘油的質(zhì)量濃度為1 % ~5%，甲醇的質(zhì)量濃度為80%~90%，余量為油脂、皂、無機鹽和微量水等。
[0019] 步驟S202、預處理木質(zhì)纖維素原料。
[0020] 將木質(zhì)纖維素原料與所述混合溶液按固液質(zhì)量比5%~50%混合均勻，優(yōu)選為 10%-50%混合，并高溫預處理，溫度為80°C~180°C，時間為15min~4h，顯著提高原料的酶 可及性。本發(fā)明所適用的木質(zhì)纖維素為主要成份為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的生物質(zhì)材 料。包括玉米賴桿、玉米忍、稻草、稻殼和麥桿等農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，樹木、枝權(quán)和銀末等林業(yè)生物 質(zhì)，甘薦渣、甜菜渣和甜高梁渣等工業(yè)生物質(zhì)，水葫蘆和碑子等雜草，柳枝稷和芒草等能源 植物中的一種或二種W上組合。
[0021] 步驟S203、制備木質(zhì)纖維素水解液。
[0022] 預處理后的原料原位蒸發(fā)及冷凝除甲醇，回收得到的甲醇用于堿催化轉(zhuǎn)醋化反應 的原料反復使用。然后加水稀釋至固液質(zhì)量比5%~25% (w/v)，采用酸中和，運里使用硫 酸、鹽酸、憐酸、醋酸或巧樣酸調(diào)節(jié)抑值至4.5~5.5,再添加適量的木質(zhì)纖維素降解酶進行 降解，將預處理的木質(zhì)纖維素中的纖維素和半纖維素降解成可發(fā)酵性生物質(zhì)糖，水解液中 包括但不限于甘油、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、纖維寡糖、木寡糖、半乳糖醒 酸等。固液分離，調(diào)整水解液的pH值至4~9,最后滅菌處理備用。另外，在調(diào)整水解液pH值 前，也可W少量添加其它微生物培養(yǎng)常用的營養(yǎng)物質(zhì)，包括氮源、憐源、硫源、無機鹽、維生 素或它們的組合，制備產(chǎn)油微生物培養(yǎng)基。所述木質(zhì)纖維素降解酶為具有降低碳水化合物 聚合物的聚合度的酶，包括纖維素酶、e-葡萄糖巧酶、木聚糖酶、e-木糖巧酶、果膠酶等的一 種或它們的組合。
[0023] 步驟S204、培養(yǎng)產(chǎn)油微生物。
[0024] 取產(chǎn)油微生物并在種子培養(yǎng)基中培養(yǎng)，溫度設置為30°C，200rpm振蕩培養(yǎng)2地，得 到產(chǎn)油微生物種子液。將所述產(chǎn)油微生物種子液接種至所述水解液中，接種量為2%-20%， 于20°C-37°C通氣培養(yǎng)，直至發(fā)酵液中殘余碳水化合物和甘油的濃度總和低于5g/L，終止發(fā) 酵，固液分離收集產(chǎn)油微生物菌體，所述接種量為體積比。
[0025] 所述產(chǎn)油微生物為經(jīng)發(fā)酵后菌體油脂含量可超過細胞干重20 %的產(chǎn)油酵母，它們 包括但不限于下列之一：油脂酵母(如斯達油脂酵母Lipomyces stark巧i)、紅酵母(如圓紅 冬抱酵母 Rhodospor idium torulo ides、粘紅酵母 Rhodotorula glut ini S 和擲抱酵母 Sporobolomyces roseus)、