一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物炼制与生物能源技术领域，尤其设及一种利用木质纤维素原料生 产生物柴油的方法。
【背景技术】
[0002] 自然界中某些微生物在特定条件下，能够W碳水化合物、碳氨化合物、二氧化碳等 为碳源，在体内合成并胆存大量油脂，凡是可W在胞内积累油脂并超过细胞干重20%(w/w， 运里w/w表示质量比，下同）的微生物称为产油微生物。某些产油微生物胞内积累的油脂甚 至超过其细胞干重的70%。微生物油脂，尤其是产油真菌产生的油脂，其主要成份是甘油= 醋，脂肪酸组成与商品化的动植物油脂相似，WC14-C22长链脂肪酸为主。相对于动植物油 月旨，微生物油脂生产周期短，不受季节与气候限制，原料来源广，基本不占用额外耕地资源， 易于实现规模生产，是极具潜力的新型油脂资源。微生物油脂不仅可W作为食用油或其他 功能性油脂的替代品，还可W为生物柴油产业可持续发展提供原料。
[0003] 木质纤维素材料来源广泛、是自然界中最丰富的可再生资源之一，据测算年总产 量高达1500亿吨，其化学成份主要是纤维素、半纤维素和木质素，蕴藏着巨大的碳水化合物 资源。纤维素完全水解主要产物为葡萄糖;半纤维素水解可得到木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半 乳糖、甘露糖等的混合物。廉价的木质纤维素原料主要有W玉米賴杆、玉米忍、稻草和麦杆 为代表的农业废弃物，W树木、枝权和银末为代表的林业废弃物，W甘薦渣和甜高梁渣等为 代表的工业废弃物等。目前我国对木质纤维素资源的利用尚不完善，大部分未得到合理开 发利用。利用木质纤维素水解液培养产油微生物，有望大幅度降低原料成本，并使规模化制 备微生物油脂的原材料得到保障。
[0004] 然而，目前木质纤维素基原料的经济性不如传统的糖质原料，主要是由于生物质 抗降解特性(b i oma S S re Ca 1C i tr an C e )，导致很难通过经济、高效的方式降解木质纤维素获 取产油微生物利用的可发酵性糖。木质纤维素通常需要先经过物理、化学、物理化学或生物 的方法进行预处理，破坏木质纤维素的抗降解结构，降低纤维素的结晶度、增加原料的孔隙 率、提高酶的可及度和脱除木质素的保护作用，从而提高木质纤维素的酶解效率。预处理通 常需要加入化学试剂或者较高的能耗，成本高。另外，诱发产油酵母过量积累油脂，通常需 要培养基中的碳水化合物过量，而缺乏产油酵母生长繁殖的其它必要成分，包括氮、憐、硫、 铁、锋和溶氧等。氮限制是微生物调控油脂积累最常用的策略，较高的C/^比有利于油脂积 累。然而，木质纤维素原料通常氮含量较高，另外其降解过程中添加水解酶，也会引入一定 量的氮源，导致水解液C/N比较低，产油微生物W菌体增殖为主，油脂产量和油脂得率较低。
[0005] 通过木质纤维素原料为碳源培养产油微生物，然后进行碱催化转醋化制备生物柴 油有望从根本上解决制备生物柴油的油脂资源问题。然而，当前该技术路线存在着生产成 本高、油脂产量低、副产物资源化利用困难、废水处理的突出问题。绿色、经济、高效地利用 木质纤维素制备生物柴油是目前能源生物技术领域的研究难点和热点。
【发明内容】
[0006] 鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的 方法，旨在解决现有方法生产成本高、油脂产量低、副产物难资源化利用的突出问题。
[0007] 产油微生物积累的胞内油脂主要为中性脂，其主要成分为=酷甘油，游离脂肪酸 含量非常低，可通过简单的一步碱催化转醋化制备生物柴油。转醋化反应后产生副产物甘 油的同时，残留大量的碱催化剂和未反应的甲醇。本发明提出一种利用木质纤维素原料生 产生物柴油的方法，可W充分利用碱催化转醋化的副产物甘油W及残余碱催化剂和未反应 的甲醇，W提木质纤维素转化制备生物柴油的技术经济性，大大降低了成本，具有显著的经 济效益。本发明方法具体包括如下步骤：
[0008] 取微生物油脂经一步碱催化转醋化制备得到的生物柴油，加正己烧萃取并静置分 层，上层液通过蒸发除去正己烧收获生物柴油产品，下层液获得含碱催化剂、副产物甘油和 未反应甲醇的混合溶液；
[0009] 将木质纤维素原料与所述混合溶液按固液质量比5%~50%混合均匀，并高溫预 处理，然后原位蒸发及冷凝回收甲醇，原料加水至固液质量比5%~25%，采用酸中和，添加 适量的木质纤维素降解酶进行水解，固液分离后获得水解液，调整水解液的pH值至4~9，最 后灭菌处理，所述水解液中包含有由木质纤维素降解得的可发酵性生物质糖；
[0010] 取产油微生物并在种子培养基中培养，得到产油微生物种子液，将所述产油微生 物种子液接种至所述水解液中，接种量为2%-20%，于20°C-37°C通气培养，直至发酵液中 残余碳水化合物和甘油的浓度总和低于5g/L，终止发酵，固液分离收集产油微生物菌体，所 述接种量为体积比；
[0011] 提取所述产油微生物菌体的胞内油脂，采用一步碱催化转醋化制备生物柴油，审U 备得到的生物柴油中包含碱催化剂、副产物甘油和甲醇的溶液，用于循环预处理木质纤维 素。
[0012] 本发明的有益效果是:本发明将微生物油脂制备生物柴油过程中的碱催化剂-副 产物甘油-未反应甲醇溶液作为预处理介质处理木质纤维素原料，可显著提高木质纤维素 的酶可及性，葡萄糖得率可达95% W上，木糖得率可达到80% W上;强碱和甲醇可先后用于 碱催化转醋化和木质纤维素的预处理，降低了试剂成本;甘油可先后作为木质纤维素的预 处理介质和产油酵母的碳源被转化为微生物油脂，整个生物柴油生产方法没有副产物甘油 的净产出；高糖得率，W及预处理的甘油，提高了水解液中C/^比，使微生物能够更好地将碳 源导向油脂合成，显著提高油脂的产量。因此，本发明提供的利用木质纤维素原料生产生物 柴油的工艺，实现了原料循环，可大大降低成本，具有非常好的应用前景。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明实施例提供的利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下实施例对本发明进行 进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定 本发明。
[0015] 本发明是将微生物油脂经一步碱催化转醋化制备生物柴油过程中的碱催化剂-副 产物甘油-未反应甲醇的混合溶液用于木质纤维素的预处理，酶水解获得大量可发酵性糖， 糖和甘油可作为碳源，强化油脂发酵过程，生产微生物油脂。
[0016] 结合图1所示，本发明方法具体包括如下步骤：
[0017] 步骤S101、获取强碱-甘油-甲醇的混合溶液。
[0018] 取微生物油脂采用一步碱催化转醋化方法制备生物柴油，加入一定量的正己烧充 分震荡，萃取并静置分层，上层液通过蒸发除去正己烧收获生物柴油产品，下层液获得含碱 催化剂、副产物甘油和未反应甲醇的混合溶液。所述碱催化剂为KOH或化0H。所述强碱-甘 油-甲醇的混合溶液中，碱催化剂的质量浓度为0.2 %~2 %，副产物甘油的质量浓度为1 % ~5%，甲醇的质量浓度为80%~90%，余量为油脂、皂、无机盐和微量水等。
[0019] 步骤S202、预处理木质纤维素原料。
[0020] 将木质纤维素原料与所述混合溶液按固液质量比5%~50%混合均匀，优选为 10%-50%混合，并高溫预处理，溫度为80°C~180°C，时间为15min~4h，显著提高原料的酶 可及性。本发明所适用的木质纤维素为主要成份为纤维素、半纤维素和木质素的生物质材 料。包括玉米賴杆、玉米忍、稻草、稻壳和麦杆等农业生物质，树木、枝权和银末等林业生物 质，甘薦渣、甜菜渣和甜高梁渣等工业生物质，水葫芦和碑子等杂草，柳枝稷和芒草等能源 植物中的一种或二种W上组合。
[0021] 步骤S203、制备木质纤维素水解液。
[0022] 预处理后的原料原位蒸发及冷凝除甲醇，回收得到的甲醇用于碱催化转醋化反应 的原料反复使用。然后加水稀释至固液质量比5%~25% (w/v)，采用酸中和，运里使用硫 酸、盐酸、憐酸、醋酸或巧樣酸调节抑值至4.5~5.5,再添加适量的木质纤维素降解酶进行 降解，将预处理的木质纤维素中的纤维素和半纤维素降解成可发酵性生物质糖，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、纤维寡糖、木寡糖、半乳糖醒 酸等。固液分离，调整水解液的pH值至4~9,最后灭菌处理备用。另外，在调整水解液pH值 前，也可W少量添加其它微生物培养常用的营养物质，包括氮源、憐源、硫源、无机盐、维生 素或它们的组合，制备产油微生物培养基。所述木质纤维素降解酶为具有降低碳水化合物 聚合物的聚合度的酶，包括纤维素酶、e-葡萄糖巧酶、木聚糖酶、e-木糖巧酶、果胶酶等的一 种或它们的组合。
[0023] 步骤S204、培养产油微生物。
[0024] 取产油微生物并在种子培养基中培养，溫度设置为30°C，200rpm振荡培养2地，得 到产油微生物种子液。将所述产油微生物种子液接种至所述水解液中，接种量为2%-20%， 于20°C-37°C通气培养，直至发酵液中残余碳水化合物和甘油的浓度总和低于5g/L，终止发 酵，固液分离收集产油微生物菌体，所述接种量为体积比。
[0025] 所述产油微生物为经发酵后菌体油脂含量可超过细胞干重20 %的产油酵母，它们 包括但不限于下列之一：油脂酵母(如斯达油脂酵母Lipomyces stark巧i)、红酵母(如圆红 冬抱酵母 Rhodospor idium torulo ides、粘红酵母 Rhodotorula glut ini S 和掷抱酵母 Sporobolomyces roseus)、