一种木质纤维素生物质综合利用的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种将木质纤维素生物质中的纤维素、半纤维素和木质素充分利用的 方法，具体设及一种木质纤维素生物质综合利用的方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石燃料日益枯竭，全球变暖、雾霸天气等，环境问题加剧，寻找清洁、可再生 能源成为热口议题。燃料己醇已被证实可W代替汽油作为汽车燃料，利用微生物发酵法生 产己醇技术成熟，W木质纤维素生物质（杂草、林木、农业废弃物等）转化己醇具有原料分 布广、不与人畜争粮等优势。
[0003] 木质纤维素生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，将其中的纤维素和半 纤维素水解得到还原糖可W用来发酵生产己醇，但=种组分相互连接、结构复杂导致聚糖 不容易水解，为提高纤维素和半纤维素酶解转化效率需要将原料中的木质素除去，最大程 度的保留纤维素与半纤维素，用于制备木质纤维素水解糖，然后通过生物转化技术转化为 能源产品或生物基化学品。
[0004] 中国专利CN201110308471，同样公开了一种木质纤维素生物质的综合利用方法， 采用对木质纤维素生物质进行N级酸水解，其中，第一级酸水解的温度为100-150°C，后续 每级逐级降低5~25°C，N为大于等于2的整数；酸处理后的渣进行酶解，然后用碱提取酶 解渣中的木质素，剩余的渣再酶解，循环反复，此工艺复杂，并且大量使用酸碱，容易产生大 量废液造成环境污染，纤维素酶的反复添加增加了生产成本，不具有经济性，同时该工艺中 戊糖经过多次酸处理后会分解产生发酵抑制物，不利于后续利用。中国专利201110306624， 公开了一种木质纤维素生物质的综合利用方法，方法与专利CN201110308471相类似，只不 过采用一步磯酸酸解，由于磯酸价格高昂，同时用磯酸预处理得到的戊糖未做高值化转化， 因此该综合利用方式同样不具有经济性和产业化价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了提供一种木质纤维素生物质综合利用的方法。
[0006] 本发明是通过W下技术方案实现的：
[0007] 一种木质纤维素生物质综合利用的方法，包括W下步骤：
[000引 （1)将原料木质纤维素材料粉碎，W液固质量比4~10 : 1置于水中，形成混合 液，加碱调节pH为9~11，然后加入亚硫酸盐进行蒸煮得到混合物，亚硫酸盐添加量为原料 中木质素质量的5%~20%。
[0009] (2)将步骤（1)中得到的混合物进行固液分离，固体采用热水进行冲洗降温，冲洗 出的液体与固液分离的液体混合后循环利用到步骤（1)中，通过补加碱或亚硫酸盐满足步 骤（1)中混合液抑为9~11、亚硫酸盐的质量为原料中木质素质量的5%~20%，液体循 环使用，待液体中的干物质含量在10~20% (w/w)时，将液体干燥得到横化木质素。
[0010] 做将步骤似中冲洗后的固体部分加磯酸调节抑为4. 0~6. 0,待混合均匀抑 稳定在4. 0~6. 0,按照固体中每克纤维素质量添加5~12FPU纤维素酶液，加水调节液固 质量比为7~8: 1，50~55°C条件下进行高浓物料糖化。
[0011] (4)待步骤（3)中糖化液的糖浓度达20~30g/L时，将糖化液累入发酵罐，加入活 化好的酵母进行厌氧发酵，按照糖化液体积的2~10%接种，34~40°C发酵48~12化，发 酵完成后，混合物经减压蒸馈得到粗己醇、粗己醇通过精馈和脱水得到无水己醇。
[0012] (5)将步骤（4)中蒸馈剩余的蒸馈膠液直接转入厌氧发酵罐，接入扩大培养后的 拜氏梭菌进行厌氧发酵，接种量为步骤（4)蒸馈膠液体积的3%~10%，36~38°C发酵 72~12化，发酵后蒸馈生产己醇、丙酬和了醇，蒸馈后的该步骤产生的废膠直接进入污水 处理进行厌氧好氧处理装置进行沼气发电。
[0013] 上述步骤（1)中，所述的木质纤维素材料为一年生草本植物，包括农业废弃物玉 米巧、玉米枯杆、稻壳、麦杆的一种、两种或两种W上的混合物。
[0014] 上述步骤（1)中，所述的木质纤维素材料粉粹至小于10cm。优选的，将木质纤维素 材料粉粹至3~10cm。
[00巧]上述步骤（1)中，蒸煮时温度为155~210°C，保温时间为20~ISOmin。
[0016] 上述步骤（1)中，所述的亚硫酸蒸煮所用的设备，其承受压力大于等于2MPa，材质 为双相钢或不诱钢31化材质，其进料口通过进料螺旋在压力作用下将物料形成塞状，简称 物料塞，且形成的物料塞固含量大于等于35 %，小于等于60%。物料塞固含量是指物料塞 中固形物的质量占物料塞总质量的质量百分数。
[0017] 上述步骤（1)中，所述的亚硫酸盐蒸煮所用的试剂，所有碱和亚硫酸盐均适用于 本发明，碱添加量为原料中木质纤维素质量的0.5%~2. 0% ;其中碱优选用化0H和氨水， 亚硫酸盐可W使用Na2S〇3、Na服〇3、畑4服〇3、（畑4)25〇3,优选畑4服〇3、（畑4)25〇3。
[0018] 上述步骤（2)中，固体采用其1~2倍质量的热水进行冲洗降温，热水温度为50~ 65°C，其目的是将原料蒸煮后的温度降低至糖化温度，同时将碱与亚硫酸盐洗出回收循环 用于原料蒸煮预处理，减少碱和亚硫酸盐的使用。
[0019] 上述步骤（2)中，所述液体经过五次循环使用。
[0020] 上述步骤（3)中，酶解特征是，先采用磯酸调节固体抑至4~6,待抑稳定不回升 时通过加纤维素酶粗酶液和水进行液固比调整。其所述的纤维素酶是草酸青酶发酵生产的 复合粗酶液。其中，所述磯酸的质量浓度是30% (w/w)。
[0021] 上述步骤（3)中，高浓物料糖化的设备采用专利201420441746. 1实施例1所述的 酶解反应器。
[0022] 上述步骤（3)中，所述的纤维素酶液是由草酸青霉菌株（本本发明中草酸青霉保 藏在中国普通微生物保藏管理中屯、，保藏编号CGMCCNO. 5302,记载在中国专利《一种提高 纤维素酶和半纤维素酶酶活性的草酸青霉菌株》中，申请号；201410160118. 0)发酵得来。 其中菌种活化方法；草酸青霉在PDA平板上于30°C条件下，生长7天，然后挑取单菌落划线 于含有PDA琼脂（马铃馨粉；5.Og/L，葡萄糖；20.Og/L，琼脂；15.Og/l，氯霉素；0.Ig/L)的 茄形瓶中，28°C培养7天，然后用无菌水洗出，接入液体活化培养基中培养36h，即得活化后 的草酸青霉，草酸青霉的数量为IX106~10 "CFU/ml，菌丝短、粗壮呈现菊花状。
[002引所述PDA平板的配方是；马铃馨300克、葡萄糖20克、琼脂15~20克、自来水1000 毫升、自然pH。所述液体活化培养基的配方是；葡萄糖lOg/l，蛋白腺lOg/l，玉米巧lOg/l， 款皮lOg/L碳酸巧5g/L。
[0024] 纤维素酶发酵方法；W步骤（1)中蒸煮预处理后的原料经步骤（2)冲洗后为碳源 及诱导物，进行草酸青霉在28~32°C好氧发酵生产纤维素酶，发酵液所需成分为；蒸煮预 处理后的原料：50g/l，款皮；20~40g/l，尿素；1~lOg/l，豆饼粉；3~lOg/l，玉米浆；5g/ L，硫酸锭；1~5g/l，硫酸儀；0. 5g/L和磯酸二氨钟：l-3g/L，调节抑为5. 0~5. 5,活化好 的草酸青霉菌种按照液体发酵培养基体积的5~10% (v/v)接种量转接于液体发酵培养 基，28~32°C发酵72~12化获得纤维素酶酶液。
[0025] 上述步骤（4)中，使用的酵母为耐高温酿酒高活性干酵母（为常规市售产品，购自 安琪酵母股份有限公司）。酵母活化的方法为；将步骤（2)中的固液分离后的固体部分进行 酶解制备葡萄糖液，酶解时干物含量为40~lOOg/l，混合均匀，加磯酸调节抑为4~6,按 照固体中每克纤维素质量添加5~20FPU纤维素酶液，50°C糖化2~2化得到糖化液。向 每升糖化液中加入0~5g的玉米浆及Ig干酵母，34°C活化4~她，得活化好的酵母。其中 酵母个数为2X1〇8~10 1化即/ml
[0026] 上述步骤（4)中，减压蒸馈时采用的蒸馈塔塔底温度为90~108°C，减压蒸馈后的 酒精膠用于丙酬了醇发酵，酒气进入精馈塔，精馈塔塔底温度为105~125°C。
[0027] 上述步骤巧）中，所述的丙酬、了醇发酵菌为拜氏梭菌ATCC55025(山东大学提 供）。活化培养基的配方为：酵母浸膏3g/l，牛肉浸膏lOg/l，膜蛋白腺lOg/l，葡萄糖5g/L， 可溶性淀粉Ig/l，氯化钢5g/l，k半脱氨酸0. 5g/L，115°C灭菌15min。菌种活化方法为：从 甘油管菌种中按上述培养基体积的10%v/v进行接种，在厌氧培养箱培养1她。扩大培养 方法；蒸煮预处理后的玉米枯杆80g/l，磯酸调节抑至5.0,按照玉米枯杆中每克纤维素质 量渣添加15FPU纤维素酶糖化化后，加入1倍质量己醇蒸馈剩余的蒸馈膠液，接入活化好 的菌种进行扩大培养20h，扩大培养后，蒸馈膠液中的拜氏梭菌ATCC55025的数量为1〇6~ 10化即/血。
[002引本发明采用碱法配合亚硫酸盐蒸煮一步法进行木质素提取及改性，改性木质素用 于制备燃料分散剂或减水剂，采用的碱性环境下亚硫酸盐连续蒸煮预处理工艺，去除了木 质素，并且纤维素得W溶胀，充分打开纤维素的结晶结构，提高酶的可及性；蒸煮后的残渣 主要W纤维素和半纤维素聚糖组成，W此预处理后的残渣作为诱导物W草酸青霉为菌株进 行纤维素酶和木聚糖酶发酵，得到了最适于该原料降解的酶与木聚糖酶复合酶系，极大的 提高了降粘速率，使得纤维素酶用量降低20%W上，虽然木聚糖酶酶活力较低，但在己醇发 酵结束后，发酵液中含有大量木糖，通过己醇蒸馈灭菌后，剩余木糖膠液采用木糖利用型菌 株拜氏梭菌发酵生产丙酬和了醇，此过程无需添加任何营养元素，因为己醇发酵后剩余的 废渣、废液中含有丰富的菌体蛋白及聚合度较低的纤维素和未被充分利用的还原糖经过蒸 馈后降解为利于发酵的营养元素，同时在蒸馈过程中实现了膠液的灭菌，实现了木质纤维 素原料应用的最大化。
[0029] 本发明的有益效果：
[0030] 1、实现了木质纤维素生物质中木质素、纤维素和半纤维素=种主要成分的高效利 用，其中的木质素经横化得到木质素横酸盐，可W用作水泥减水剂或高效缓释肥（W氨为 预处理工艺）；纤维素转化为己醇，半纤维素转化为丙酬、了醇。
[0031] 2、亚硫酸盐蒸煮使得原料中的木质素被横化有效除去了木质素对纤维素和半纤 维素的束缚，提高了酶解产糖效率，同时去除了部分半纤维素。
[0032] 3、纤维己醇发酵废渣、废液被充分利用，进行废水处理的同时生产丙酬、了醇。
[0033] 4、草酸青霉可W分泌纤维素酶酶系和木聚糖酶酶系，W预处理后的纤维质原料作 为碳源和诱导物替代高价的微晶纤维，生产成本大幅度降低，其诱导的酶系纤维素酶与木 聚糖酶酶系比例适当，便于预处理后物料的快速降粘；而且就地生产纤维素酶，使得纤维素 酶粗酶液中的营养物质被酵母直接利用生产纤维己醇，极大的降低了生产成本。
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