专利名称：一种木质纤维素生物质的综合利用方法
技术领域：
本发明涉及一种综合利用木质纤维素生物质的方法，具体地说是一种综合利用木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素和木质素的方法。
背景技术：
随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要。而燃料乙醇是生物质液体能源的物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(玉米、木薯等)和糖类(甘蔗、甜菜等)作为发酵的原料。采用微生物法酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势在必行。现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素生物质。木质纤维素生物质以植物体的形式存在，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40%左右，半纤维素占25%左右，木质素占20%左右，地球上每年由光合作用生成的木质纤维素生物质总量超过2000亿吨，因此木质生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。如果能以木质纤维素生物质为原料生产乙醇，将极大解决人类的能源问题，但是以木质纤维素生物质为原料生产乙醇的过程中遇到的最大问题是纤维素酶解的提取率低，酶解的成本过高(占总生产成本的40-50% )，生产成本过高，无法真正实现工业化。纤维素酶解的提取率低的原因是一方面半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有的网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素，木质素和半纤维素在空间上可阻碍纤维素分子与酶的接触，酶可及度差，增加了酶解的难度。因此有必要对木质纤维素生物质进行有效的预处理，破坏木质素和半纤维素的空间障碍，同时还要避免预处理产生不利于酶解的 酶抑制物(如糠醛，乙酸等)，从而有利于纤维素的酶解；另一方面，纤维素酶对结晶纤维素酶促反应活力比较低，因此，为了提高纤维素酶解的提取率，需要提高纤维素酶的活力。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术在综合利用半纤维素、木质素和纤维素时，纤维素酶解提取率低的问题，从而提出一种纤维素酶解提取率高的木质纤维素生物质的综合利用方法。为达到上述目的，本发明提供一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)碱解用碱解木质纤维素生物质(与权利要求1表述不一致？)，从而提取木质素；(b)酸水解对所述碱解处理得到的碱解残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(c)使用纤维素酶对所述酸水解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液；所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicilliumdecumbens ro_G3_08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M2011195，保藏日期为2011年6月13号。所述碱解在40-100°C下进行。所述碱解步骤中液固体积比为5 1-20 I。所述碱解步骤中碱溶液的浓度为5-8重量％。所述碱溶液处理的时间为1-6小时。各种碱都可以用于本发明,包括但不限于氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水等。但是，根据某些优选实施方案，碱溶液为氢氧化钠的水溶液。所述酸溶液 的种类没有特别的限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规使用的酸，例如酸可以为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或几种。所述酸水解的温度为100-150°C，时间为O. 5-3小时，进行所述酸水解时，酸溶液的浓度为O. 5-30重量％ (如选用的酸为强酸，则酸溶液的浓度较低，约为O. 5-5重量％，如选用的酸为弱酸，则酸溶液的浓度较高，约为5-30重量％ )。所述酸溶液为磷酸溶液，磷酸溶液的浓度为1-20重量％。所述木质纤维素生物质可以为玉米秸杆、麦秸、稻秸、甘蔗渣、棉柴、棉子壳、玉米芯、稻草、高粱杆、阔叶木材和木片的一种或几种。根据原料情况进行预处理，对木质纤维素生物质原料进行切割或粉碎，接着对该秸杆段进行洗涤除尘。所述纤维素酶解的条件为底物用量为80_150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55°C、pH为4-6、搅拌转速为50_200rpm，酶解转化时间为
2-7 天。纤维素酶解糖化后，发酵可以采用本领域技术人员公知的方法，发酵生产乙醇。本发明的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点1、本发明采用了先碱解，再酸解，最后酶解的工艺路线，碱解和酸解完成后大部分半纤维素和木质素被提取，纤维素暴露出来，从而消除了纤维素的空间障碍，使纤维素酶更容易接触纤维素，提高了纤维素的转化率；同时由于所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicillium decumbens Η)-63_08,已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M 2011195，采用该青霉菌生产的纤维素酶具有较高的活力，进一步提高了纤维素酶解的提取率。2、本发明所用的由青霉菌培养得到的纤维素酶，在底物用量为80_150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55°C、pH为4-6、搅拌转速为50_200rpm，酶解转化时间为2-7天的条件下，酶解转化率最高。3、在所述酸水解反应的温度和时间下，既能将半纤维素水解的比较彻底，又能够阻止酸性条件下高温和反应时间过长对木质素和纤维素的破坏。4、本发明酸水解所用的酸为磷酸溶液，且磷酸溶液的浓度为1-20重量％，使用上述酸溶液不会大量破坏木质素及纤维素，且由于磷酸腐蚀性较弱，因此，设备维护简单、使用时间长。5、由于在较低的碱溶液处理温度(40-100°C )下实现对木质素的提取，降低了对木质素的破坏。6、本发明采用碱溶液中液固体积比比较适合提取木质素，避免了液固比太小不利于液固混合也不利于木质素的碱解，液固比太大后续的碱回收负荷大，产生的废水量也大，不经济的问题。7、本发明碱溶液处理的条件采用的液固比、碱用量、温度和时间，最终得到碱木质素的活性非常高。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1是本发明工艺流程的示意图。
具体实施例方式下面将通过具体实施例对本发明作进一步的描述。以下实施例所使用的自制纤维酶均由青霉菌培养得到，具体的培养方法为⑷菌种增殖培养将命名编号为Penicillium decumbens Η)-63_08青霉菌种子液以5% (ν/ν)的接种量接入到经过121°C灭菌30min的含有种子培养基的发酵罐中进行活化，保持罐压O. 02-0. 05MPa、通气量 O. 5vvm、搅拌转速100-150rpm、30°C培养30-60小时，得到活化后的
种子液。所述种子培养基中的组分及用量为取实施例1的酸水解残渣10_30g/L、麸皮20-50g/L、蛋白胨l_4g/L、硫酸铵2-4g/L、其余为水。所述种子培养基中的组分及用量优选为酸水解残渣20g/L、麸皮40g/L、蛋白胨3g/L、硫酸铵3g/L、其余为水。(B)制备纤维素酶将步骤(A)获得种子液以10% (ν/ν)的接种量接入已经灭菌的装有3L发酵培养基的5L发酵罐中，发酵过程中添加消泡剂控制发泡，保持罐压O. 02-0. 05MPa、通气量O. 5-0. 6vvm、搅拌转速100-150rpm、30°C培养80-136小时，得到发酵液。所述发酵培养基中各组分用量分别为酸水解残渣30_50g/L、麸皮20_50g/L、微晶纤维素或羧甲基纤维素4-8g/L、硫酸铵2-5g/L、磷酸二氢钾2-4g/L、硫酸镁O. 4-0. 6g/L、其余为水，培养基初始pH为5. 0-6. O。所述发酵培养基中各组分用量优选为酸水解残洛45g/L、麸皮35g/L、微晶纤维素5g/L、硫酸铵4g/L、磷酸二氢钾3g/L、硫酸镁O. 6g/L、其余为水，培养基初始pH为5. 0-6. O0得到的发酵液SOOOrpm离心取得上清液，即得含有纤维素酶的粗酶液，该粗酶液可直接用于纤维素的酶解。( 二)按下述方法测试以下实施例中木质素的各种性能
木质素含量的测定包括酸不溶木质素及酸可溶木质素。其中酸不溶木质素的测定采用Klason法，根据国标GB/T2677. 8-94进行；酸可溶木质素根据国标GB 10337-89进行。水分的测定根据GB/T 2667. 3-93进行。以下实施例可参见图1。以下实施例中酸水解温度对应的压力均为饱和水蒸汽的压力，因此不再为每个实施例给出压力数据。以下实施例中，除有特殊说明外，所用百分含量均表示重量百分含量，S卩“ 表示“重量％”。实施例1(I)碱溶液提取碱木质素将10. 6kg粉碎后的玉米芯(质量成分组成水分6. 12%、纤维素35. 19%、半纤维素32.1 %、木质素23. 7%、其它2. 95%，下同)打碎，用水洗涤除尘，然后用氢氧化钠溶液进行碱解，其中液固体积比为5 I,氢氧化钠溶液的浓度为6%,升温至70°C,经过2小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用IOkg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到20. 38kg碱解残渣(含水率65%左右)和49. 61kg的碱木质素溶液；碱木质素溶 液中碱木质素的含量为3. 16%,碱木质素的提取率为62%。碱木质素提取率的公式如下碱木质素提取率％=(碱木质素溶液的质量X碱木质素溶液中木质素的含量)/(玉米芯质量X玉米芯中木质素的含量)X100%。(2)酸水解取本实施例(I)碱解处理得到的全部碱解残渣，然后用磷酸溶液进行水解，液固比为10 1(新配制酸溶液与绝干碱解残渣的质量比)磷酸溶液的浓度为15%，进行酸水解的温度为120°C,时间为O. 5小时,水解完成后分离得到的酸水解残洛和戊糖溶液,用IOkg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到12. 67kg酸水解残渣(含水率65 %左右)和75. 8kg戊糖溶液，戊糖浓度为3.15%，半纤维素提取率为70 %。半纤维素提取率的计算公式如下半纤维素提取率％=(戊糖溶液的质量X戊糖的浓度)/(玉米芯质量X玉米芯中半纤维素的含量)X 100%。(3)纤维素酶解取步骤(2)所述全部酸水解残渣作为纤维素底物，进行纤维素酶解，所述酶解的条件为纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbens PD-G3-08,已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M2011195，下同)培养得到的纤维素酶，按照15FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶,纤维素底物用量为150g/L,在温度为48°C、pH为5. O、搅拌转速50rpm的条件下，酶解转化7天，整个酶解过程无需保压，最后得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为33. 99kg，浓度为7. 06%，纤维素的提取率为64%。纤维素提取率的计算公式如下纤维素提取率％ =(葡萄糖溶液质量X葡萄糖溶液的浓度)/ (玉米芯质量X玉米芯中纤维素的含量)X 100%。
葡萄糖溶液生产乙醇的工艺为现有工艺，在此不再赘述，其它实施例相同。实施例2(I)碱溶液提取碱木质素将10. 6kg粉碎后的玉米芯打碎，用水洗涤除尘，然后用氢氧化钠溶液进行碱解，其中液固体积比为20 I，氢氧化钠溶液的浓度为5%，升温至100°C，经过I小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用IOkg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到19. 29kg碱解残渣(含水率65%左右)和200. 67kg的碱木质素溶液；碱木质素溶液中碱木质素的含量为O. 79%,碱木质素的提取率为63%。(2)酸水解取本实施例(I)碱解处理得到的全部碱解残渣，然后用磷酸溶液进行水解，液固比为10 I (新配制酸溶液与绝干碱解残渣的质量比)磷酸溶液的浓度为10%，进行酸水解的温度为100°c，时间为I小时，水解完成后分离得到的酸水解残渣和戊糖溶液，用IOkg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到11. 78kg酸水解残渣(含水率65%左右)和72. 51kg戊·糖溶液，戊糖浓度为3. 2 %，半纤维素提取率为68%。(3)纤维素酶解取步骤(2)所述全部酸水解残渣作为纤维底物，进行纤维素酶解，所述酶解的条件为纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbens PD-G3-08)培养得到的纤维素酶，按照10FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为125g/L，在温度为45°C、pH为6、搅拌转速为200rpm的条件下，酶解转化4天，整个酶解过程无需保压，得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为32. 97kg，浓度为6. 82%，纤维素的提取率为60%。实施例3(I)碱溶液提取碱木质素将10. 6kg粉碎后的玉米芯打碎，用水洗涤除尘，然后用氢氧化钠溶液进行碱解，其中液固体积比为10 I，氢氧化钠溶液的浓度为8%，升温至40°C，经过6小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用IOkg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到21. 47kg碱解残渣(含水率65%左右)和93. 85kg的碱木质素溶液；碱木质素溶液中碱木质素的含量为1. 53%,碱木质素的提取率为57%。(2)酸水解取本实施例(I)碱解处理得到的全部碱解残渣，然后用磷酸溶液进行水解，液固比为10 1(新配制酸溶液与绝干碱解残渣的质量比)磷酸溶液的浓度为5%，进行酸水解的温度为150°C,时间为2小时,水解完成后分离得到的酸水解残洛和戊糖溶液,用IOkg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到13. 17kg酸水解残渣(含水率65%左右)和79. 49kg戊糖溶液，戊糖浓度为3. 26%，半纤维素提取率为76%。(3)纤维素酶解、并发酵制备乙醇取步骤(2)所述酸水解残渣15. 86kg作为纤维底物，进行纤维素酶解，所述酶解的条件为纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbensPD-G3-08)培养得到的纤维素酶，按照UFPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为80g/L，在温度为55°C、pH为4. O、搅拌转速50rpm的条件下，酶解转化2天，整个酶解过程无需保压，得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为62. 24kg，浓度为4. 15%，纤维素的提取率为69%。
实施例4(I)碱溶液提取碱木质素将11. 12kg粉碎后的麦秸杆(质量成分组成水分10.1 %、纤维素44%、半纤维素22. 2%、木质素17%、其它6. 7% )打碎,用水洗漆除尘,然后用氢氧化钠溶液进行碱解,其中液固体积比为5 I，氢氧化钠溶液的浓度为6%，升温至70°C，经过2小时的蒸煮碱解，分离得到碱解残渣和碱木质素溶液，用IOkg水清洗所述碱解残渣，清洗液与所述碱木质素溶液合并；最终得到21. 12kg碱解残渣(含水率65%左右)和55. 6kg的碱木质素溶液；碱木质素溶液中碱木质素的含量为2. 04%,碱木质素的提取率为60%。(2)酸水解取本实施例(I)碱解处理得到的全部碱解残渣，然后用硫酸溶液进行水解，液固比为10 1(新配制酸溶液与绝干碱解残渣的质量比)硫酸溶液的浓度为0.5%，进行酸水解的温度为120°C，时间为3小时，水解完成后分离得到的酸水解残渣和戊糖溶液，用IOkg水清洗所述酸水解残渣，清洗液与所述戊糖溶液合并，最后得到15. 07kg酸水解残渣(含水率65 %左右)76. 23kg戊糖溶液，戊糖浓度为2.33%，半纤维素提取率为72 %。(3)纤维素酶解取步骤(2)所述全部酸水解残渣作为纤维底物，进行纤维素酶解，所述酶解的条件为纤维素酶为上述青霉素(Penicillium decumbens PD-G3-08)培养得到的纤维素酶，按照10FPU/g纤维素的添加量添加纤维素酶，纤维素底物用量为125g/L，在温度为45°C、pH为6、搅拌转速为IOOrpm的条件下，酶解转化4天，整个酶解过程无需保压，得到主要成分为葡萄糖的溶液，质量为42. 2kg，浓度为7. 3%，纤维素的提取率为63%。通过实验发现，酸溶液采用`重量百分浓度为30%的弱酸时，对木质素和纤维素的破坏较小，能实现本发明的目的。而磷酸溶液的浓度为1%时，也能够实现本发明，只是酸水解所需要的时间和反应温度需要相应增加。对比例I工艺和方法同实施例1，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为33. 9kg，浓度为4. 63 %，纤维素的提取率为42 %。对比例2工艺和方法同实施例2，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为32. 95kg，浓度为4. 32%，纤维素的提取率为38%。对比例3工艺和方法同实施例3，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为62. 2kg，浓度为2. 71 %，纤维素的提取率为45%。对比例4工艺和方法同实施例4，不同点在于步骤(3)纤维素酶解所用的纤维酶为市售纤维素酶(和氏璧生物技术有限公司、4w单位)，进行纤维素酶解后，葡萄糖溶液的质量为42. 23kg，浓度为4. 64%，纤维素的提取率为40%。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或 变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)碱解用碱溶液处理木质纤维素生物质，从而提取木质素；(b)酸水解对所述碱解处理得到的碱解残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(C)使用纤维素酶对所述酸水解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液；所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicillium decumbens ro_G3_08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M 2011195。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述碱解在40-10(TC下进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述碱解步骤中液固体积比为 5 1-20 I。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于所述碱解步骤中碱溶液的浓度为5-8重量％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于所述碱溶液处理的时间为 1-6小时。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于所述酸水解的温度为 100-150°C，时间为 O. 5-3 小时。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其特征在于所述酸水解中酸溶液的浓度为O. 5-30重量％。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述酸溶液为磷酸溶液，磷酸溶液的浓度为1-20重量％。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于所述纤维素酶解的条件为 底物用量为80-150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55°C、pH为 4-6、搅拌转速为50-200rpm，酶解转化时间为2-7天。
全文摘要
一种木质纤维素生物质的综合利用方法，包括以下步骤(a)用碱解木质纤维素生物质，从而提取木质素；(b)对所述碱解处理得到的残渣进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱解处理得到的残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液；所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为Penicillium decumbens PD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M 2011195，保藏日期为2011年6月13号。上述方法提高了纤维素酶解的提取率，实现了对木质纤维素生物质资源的综合利用。
文档编号C12P19/14GK103045683SQ20111030674
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者唐一林, 江成真, 张恩选, 高绍丰, 韩文斌, 崔建丽, 马军强, 焦峰, 张茜, 刘洁 申请人:济南圣泉集团股份有限公司