一种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法以及高效制备乙醇的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法以及高效制备乙醇的方法，属于生物质资源转化利用技术领域。
【背景技术】
[0002]木质纤维素是地球上最丰富廉价的可再生资源，蕴储着巨大的生物质能。主要来源于农业废弃物，森林废弃物和城市废弃物。随着化石燃料的枯竭和环境的日益恶化，将木质纤维素糖转化成葡萄糖和木糖等，并进一步用于生物基化学品如燃料乙醇等能源产物的生产，受到日益关注。我国是农业大国，农作物秸杆资源相当丰富，年产近8亿吨，然而长期以来，大部分秸杆被丢弃或焚烧，既浪费了资源又污染了环境，秸杆资源的合理综合利用对于保护环境、缓解能源危机和促进农业可持续发展具有重要意义。
[0003]以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇一方面能缓解日益严峻的能源短缺和环境污染问题，另一方面还能减少木质纤维素原料的浪费，实现资源化利用。然而，在生产过程中如何提高木质纤维素原料的水解率和利用率仍然是制约第二代燃料乙醇技术发展的瓶颈。
[0004]木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中，纤维素是由D-葡萄糖通过β -1，4糖苷键联结而成的长链分子，长链分子进一步形成一种具有高度结晶区的稳定结构。且纤维素被半纤维素和木质素包裹镶嵌，彼此之间相互缠绕形成复杂紧密的结构，很难使纤维素酶直接降解其中的纤维素成分，因此需通过有效的预处理方式去除其中的木质素，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度，增加比表面积，这也是成功进行燃料乙醇转化的关键步骤和技术前提。
[0005]目前应用较多的预处理方法有物理法如机械粉碎、微波处理、超声波处理等，化学法如酸处理、碱处理、湿式氧化处理、臭氧处理等，物理化学法如蒸汽爆裂处理、以及生物法。但是传统的单一预处理方法均很难将木质纤维素原料中的木质素降低到最低程度，对去除的木质素回收利用未给予充分重视，且应用较广泛的酸预处理均会产生糠醛、ΗΜ等发酵抑制物，汽爆法成本高，产物复杂，有焦油形成。
[0006]中国专利文献CN102758028A(申请号201110104494.4)公开了一种预处理木质纤维素原料，再转化为还原糖的方法。它采用液固比5-50，将木质纤维素在质量分数0-5%氢氧化钠和质量分数0-5%的双氧水的混合溶液中处理1-10小时，处理后所得固体残留物用水洗涤烘干。然后在酸解时间10-120min，酸解温度30_150°C，硫酸质量浓度0-10%，液固比5-50处理得固体残留物，调节pH值至7，然后烘干。该处理工艺可使木质素有效去除，而且半纤维素在稀酸条件下水解得五碳糖，经进一步反应可得高附加值产品。
[0007]但上述方法用于木质纤维素酶法水解的预处理过程中，酶解转化率相对较低，无法满足相关要求。考虑到不同预处理方式，将其进行组合，探索木质纤维素预处理的新思路，突破传统预处理方式的瓶颈。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本发明提供一种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法。
[0009]本发明中的无氨基酸酵母氮源英文名称:YNB，Yeast Nitrogen Base WithoutAmino Acids。
[0010]本发明的技术方案如下:
[0011]—种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法，包括步骤如下:
[0012](1)碱预浸提:取木质纤维素原料浸泡于NaOH溶液，加热至70?90°C，保温预浸提0.5?3h，NaOH加量为0.03g-0.lg/g木质纤维素原料，预浸提后不溶性的木质纤维素原料固液分离去除可溶物，得预浸提后的木质纤维素原料；
[0013](2)碱性H202处理:预浸提后的木质纤维素原料与Η 202混合，Η 202加入量为0.025g-0.125g/g预浸提后的木质纤维素原料，调节pH至10?12，然后于温度28?35°C、转速120?200rpm条件下，保温反应20?30小时，反应后固液分离，得到碱性H202处理的木质纤维素原料；
[0014](3)酶水解:将步骤⑵所得碱性H202处理的木质纤维素原料调节pH至4?6，加入复合酶，搅拌均匀，于温度40?60°C、转速120?200rpm条件下，保温酶解20?30小时，所述的复合酶为纤维素酶和半纤维素酶的混合酶，复合酶加入量为5-15酶蛋白/碱性H202处理的木质纤维素原料，单位:mg/g，得木质纤维素水解液。
[0015]根据本发明优选的，秸杆的质量与水的体积之比为5?20:100，单位:g/mL。
[0016]根据本发明优选的，NaOH的加量为0.06-0.1/木质纤维素原料，单位:g/g。最为优选的NaOH的加量为0.08/木质纤维素原料，单位:g/g。
[0017]根据本发明优选的，步骤(1)中固液分离为通过挤压法将液体去除保留固态物质。
[0018]根据本发明优选的，步骤⑵中，H202的加入量为0.05-0.125/玉米秸杆，单位:g/g°
[0019]根据本发明优选的，步骤⑵中，优选pH为11.7，使用的pH调节剂为5mol/L的NaOH溶液。
[0020]根据本发明优选的，步骤(2)中，反应温度30°C，转速180rpm，反应时间24小时。
[0021]根据本发明优选的，步骤(3)中，优选pH为5.2，使用的pH调节剂为质量浓度72%
的硫酸。
[0022]根据本发明优选的，步骤(3)中，纤维素酶为纤维素酶Ctec2，半纤维素酶为半纤维素酶Htec2，纤维素酶Ctec2与半纤维素酶Htec2的蛋白质比为0.73:0.27。
[0023]根据本发明优选的，步骤(3)中，纤维素酶Ctec2蛋白含量为193mg/ml，半纤维素酶Htec2蛋白含量为172mg/ml。
[0024]纤维素酶Ctec2与半纤维素酶Htec2均为现有技术，市购产品，诺维信公司有售。
[0025]根据本发明优选的，木质纤维素原料木质纤维素为粉碎后的玉米芯、玉米秸杆、麦杆、棉杆、稻草、油菜杆、甜高粱茎杆、甘蔗渣、木肩、废纸和/或柳枝稷。
[0026]—种利用上述处理后得到的木质纤维素水解液高效制备乙醇的方法，步骤如下:
[0027]取木质纤维素水解液离心得上清液，向上清液中加入尿素和无氨基酸酵母氮源YNB，使尿素浓度为2?3.5g/L上清液，无氨基酸酵母氮源YNB浓度为1?2.5g/L上清液，混合均匀后，过滤除菌，加入酿酒酵母菌，于温度28?35°C、转速120?200rpm条件下，厌氧发酵100?150小时。
[0028]本发明优选的，尿素浓度为2.27g/L上清液，YNB浓度为1.67g/L上清液。
[0029]本发明优选的，过滤除菌为采用Millipore Stericup过滤器进行。MilliporeStericup过滤器为现有市购产品。
[0030]本发明优选的，所述的酿酒酵母菌为酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae工程菌。
[0031]本发明优选的，酿酒酵母菌的接种量为8?10%，优选的，酿酒酵母菌的接种量为10%。
[0032]本发明人意外发现，本发明的处理方法，先利用氢氧化钠产生的0H-离子能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键、皂化半纤维素和木质素之间的酯键，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度；碱预浸提的木质纤维素原料中富含纤维素和部分半纤维素，通过碱预浸提可以将很大一部分木质素去除，通过进一步研究，碱预浸提后能有效减少碱性过氧化氢处理的时H202的用量，减少过氧化氢的无谓消耗，使过氧化氢能充分作用到剩余木质素上，减少污染物的产生，并且能有效提高酶水解转化效率。同时，整个过程不需要水洗的步骤，极大减少了废水废液的产生。
[0033]本发明的有益效果如下:
[0034]本发明的处理方法先进行碱预浸提，然后进行碱性H202处理大大提高木质纤维素酶解转化率，促使纤维素的糖转化率进一步提高，该预处理过程简单易行，不产生难处理的废水。降低传统碱性过氧化氢预处理H202的用量，同时能使Η 202更有效的作用于剩余木质素上。
【附图说明】
[0035]图1、本发明实施例的处理方法与对比例的处理方法对葡萄糖转化率影响的曲线图；Η202加入量分别为0g、0.025g/g预浸提后的木质纤维素原料、0.125g/g预浸提后的木质纤维素原料。
[0036]图2、本发明实施例的处理方法与对比例的处理方法碱浸提步骤中NaOH的加量对葡萄糖释放浓度的影响的柱状图；NaOH加量分别为0.03g/g玉米秸杆，0.06g/g玉米秸杆，0.08g/g玉米稻杆，0.lg/g玉米稻杆。
[0037]图3、本发明实施例的处理方法与对比例的处理方法碱浸提步骤中NaOH的加量对木质素含量影响的柱状图；Na0H加量分别为0.03g/g玉米稻杆，0.06g/g玉米稻杆，0.08g/g玉米稻杆，0.lg/g玉米稻杆。
[0038]图4、本发明实施例的处理方法与对比例的处理方法碱浸提步骤中秸杆浓度(秸杆的质量与水的体积之比)以及NaOH的加量综合对葡萄糖转化率影响的柱状图；Na0H加量分别为0g，0.06g/g玉米稻杆，0.08g/g玉米稻杆，0.lg/g玉米稻杆，稻杆浓度分别为5%、10%、20%。
【具体实施方式】
[0039]下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0040]Millipore Stericup 过滤器，市场产品。
[0041]纤维素酶Ctec2、半纤维素酶Htec2购自诺维信公司；
[0042]酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae工程菌按以下途径获得，以市售安琪活性干酵母为出发菌株，将来源于树干毕赤酵母的木糖还原酶、木糖醇脱氢酶及木酮糖激酶导入，然后用碱性过氧化氢预处理法处理玉米秸杆所产生的液体(内含阿魏酸及对香豆酸等多种抑制物)进行定向驯化，得到能利用木糖并转化成乙醇而且对抑制物有耐受性的工程菌株。
[0043]实施例1
[0044]一种联合处理提高木质纤维素转化效率的方法，包括步骤如下:
[0045]1)碱预浸提:玉米秸杆浸泡在NaOH溶液中80°C保温lh。玉米秸杆的质量与水的体积之比为5:100,单位:g/mL。NaOH加量为0.03gg/g玉米秸杆。预浸提后不溶性的玉米秸杆用2倍体积的去离子水冲洗将所有可溶物去除。通过挤压法将液体去除保留固态物质即为预浸提后的玉米秸杆。
[0046]2)碱性H202处