一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法

本发明属于木质纤维原料预处理和酶解糖化，具体涉及一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法。

背景技术：

1、随着现代工业的发展及世界人口的激増，能源危机、粮食危机、环境危机日益加剧，寻找可再生的绿色能源替代日益枯竭的化石能源迫在眉睫。与化石能源相比，生物质能源是一种更为清洁的能源，主要包括燃料乙醇、生物柴油和合成气体等，其中燃料乙醇作为一种安全、清洁的运输燃料和汽油添加剂，被认为是目前最具有发展前景的液体燃料。传统的乙醇发酵主要以糖类和淀粉类粮食作物为原料，由于原料来源存在争议，且原料成本占总成本的60%左右，因此相继展开以木质纤维原料生产生物燃料和化工产品的生物炼制技术的研究与开发。

2、以木质纤维原料制备燃料乙醇及糖基化合物主要经过原料预处理、纤维素酶水解、糖液发酵和酒精蒸馏等过程。原料预处理是去除生物质天然抗降解屏障的有效方法，通过预处理，可以降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素和半纤维素的保护作用，增加酶与底物的可及性，从而提高后续的酶解糖化效率。一般地，生物质未经预处理时酶解效率不到20%，经预处理后酶解效率提高到80%以上。目前预处理的方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法。物理法包括机械碾磨和辐射，通过减小生物质尺寸来提高纤维素的酶解转化效率，存在设备要求和成本较高，难以实现大规模工业化生产等问题。化学预处理包括酸、碱和有机溶剂预处理。酸处理采用浓酸或稀酸溶解生物质中的半纤维素糖。酸处理对设备腐蚀强，操作和维护成本高，且回收困难，易造成环境污染；同时由于其反应强烈，导致产生的单糖进一步降解成后续发酵过程的抑制物。碱处理采用naoh、koh、ca(oh)2和氨水等碱溶液去除木质素和部分半纤维素，碱处理去除木质素的效果较好，且更容易断裂木质素、纤维素和半纤维之间的酯键连接，但碱处理后的生物质需要耗费大量的水洗涤才利于后续纤维素酶水解，并且碱处理液会造成环境污染。有机溶剂预处理是采用醇、酸和酮等多种有机溶剂在100-250℃范围内去除大部分的木质素和半纤维素，保留纤维素的过程，存在有机溶剂成本及回收成本高，并且有机溶剂处理需要在完全密封的装置中进行等问题。物理化学预处理主要为蒸汽爆破，它可以使原料中大部分半纤维素和部分木质素发生降解，降低木质纤维原料的尺寸，相对机械预处理节约能量，相对化学预处理环境污染较小；其缺点在于半纤维素或木质素的降解物会对下游工艺中菌种或酶有抑制作用。为了使蒸汽爆破的效果更好，常将so2、co2和液氨等化学试剂与蒸汽爆破预处理结合，成为so2/co2爆破处理和氨纤维爆破处理。生物预处理是利用微生物或微生物产生的酶来降解生物质的一种预处理方法，由于微生物生长缓慢，预处理周期长，导致在木质纤维素预处理过程中尚不能大规模应用。尽管四大类生物质预处理方法已经在实验室中得到发展，但仍然存在预处理能耗高、纤维素和半纤维素糖的转化效率低和经济成本高等问题。因此如何提高预处理的效率和降低预处理成本已成为木质纤维生物质制备生物乙醇研究的核心目标。

3、过氧酸是一类分子中含有过氧基-o-o-的强氧化剂，通常由过氧化氢与酸在催化剂的作用下反应制得，因其相对于传统的含氯纸浆漂白方法不产生含氯的废液而得到广泛关注。近些年，过氧酸也应用于生物质的脱木素，过氧酸在酸性环境下会产生水合氢离子，与木质素发生一系列反应，如环的羟基化、氧化脱甲基化、氧化开环、侧链的置换反应、芳基醚键的断裂和环氧化等，而生物质中的纤维素因具有较低的反应活性而得以保留下来。目前较常用的过氧酸为过氧乙酸，然而乙酸具有强的挥发性和腐蚀性，高浓度的乙酸和过氧化氢在高温下混合具有易爆性和危险性，不利于生物质糖基化合物和纤维素乙醇的工业化。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种清洁、高效的提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，该方法是将柠檬酸溶解于去离子水中，再与过氧化氢混合，在酸性催化剂的作用下形成过氧柠檬酸；然后对木质纤维原料进行过氧柠檬酸预处理，经预处理后的木质纤维原料中木质素含量低，纤维素相对含量增加；继而预处理底物经纤维素酶的降解和糖化后，获得高还原糖含量的水解液，再经微生物发酵可得纤维素乙醇。与传统的过氧乙酸预处理方法相比较，过氧柠檬酸预处理减少了酸溶液的用量，经预处理后的木质纤维原料中木质素含量更低，同时保留了大部分的纤维素，有利于后续的糖化和乙醇发酵。

2、所述过氧柠檬酸溶液是浓度为1-1.2g/ml的过氧化氢溶液和浓度为0.8-1g/ml的柠檬酸溶液在酸性催化剂作用下，在20-25℃下反应制得，其中过氧化氢溶液和柠檬酸溶液的体积比为1:1-1.5。

3、所述酸性催化剂为浓硫酸，其添加量为柠檬酸溶液体积的1-1.2%。

4、预处理时，按质量体积比g:ml为1:10-20的比例，将木质纤维原料与过氧柠檬酸混合均匀，在75-85℃下反应2-4h后，固液分离，固体用水洗涤至洗液ph为中性；洗涤后固体采用纤维素酶水酶解糖化，离心分离收集糖液，用高效液相色谱hplc测定葡萄糖和木糖浓度；采用酿酒酵母（安琪酿酒曲）对糖液进行乙醇发酵制备乙醇，酶解糖化和微生物乙醇发酵均为常规方法。

5、本发明优点和技术效果：

6、本发明方法预处理中过氧柠檬酸的浓度较过氧乙酸预处理降低了50%，减少了酸性试剂的用量，且反应过程中不产生挥发刺激性气体；该预处理方法对木质纤维生物质细胞壁结构进行了有效的拆分，经预处理的底物中木质素含量低，有利于纤维底物的利用，为后续酶解糖化效率和纤维素乙醇产率的提高奠定了基础。

7、总之，本发明方法工艺简单，能耗低，适合工业化的生产和市场推广应用。

技术特征：

1.一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，其特征在于：木质纤维原料采用过氧柠檬酸预处理脱除木质素后，进行酶解糖化，糖液微生物发酵制备纤维素乙醇，实现提高酶解糖化效率和乙醇产率的目的。

2.根据权利要求1所述的提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，其特征在于：过氧柠檬酸是浓度为1-1.2g/ml的过氧化氢溶液和浓度为0.8-1g/ml的柠檬酸溶液在酸性催化剂作用下，在20-25℃下反应制得，其中过氧化氢溶液和柠檬酸溶液的体积比为1:1-1.5。

3.根据权利要求2所述的提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，其特征在于：酸性催化剂为浓硫酸。

4.根据权利要求1所述的提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，其特征在于：过氧柠檬酸预处理是按质量体积比g:ml为1:10-20的比例，将木质纤维原料与过氧柠檬酸混合均匀，在75-85℃下反应2-4 h后，固液分离，固体用水洗涤至洗液ph为中性。

技术总结
本发明公开了一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，该方法是将木质纤维原料采用过氧柠檬酸预处理脱除木质素后，进行酶解糖化，糖液微生物发酵制备纤维素乙醇，实现提高酶解糖化效率和乙醇产率的目的；本发明方法可以有效脱除木质纤维生物质细胞壁结构中的木质素组分，保留纤维素和半纤维素组分，继而可提高后续糖基化合物和乙醇发酵的效率，实验结果显示葡萄糖、木糖和乙醇得率都显著提高，且本发明具有酸用量低、反应条件温和和纤维素半纤维素转化效率高的特点，所使用的过氧柠檬酸具有低的挥发性和腐蚀性；该方法是一种绿色的生物质细胞壁结构有序拆分的方法，适合工业化生产和市场推广应用。

技术研发人员：杨静,孟繁阳
受保护的技术使用者：西南林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13