CN102757982A - 一种酸盐协同作用水解生物质生产可发酵糖的新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用酸和镁盐协同作用水解生物质生产可发酵糖的新方法。具体涉及以生物质为原料，以酸和镁盐为混合催化剂，在120-230℃的温度范围内水解，水解液在反应器中停留时间为1-60min，可以使总糖的回收率达到70％以上，此产率高于单独使用酸或者镁盐时得到的总糖回收率的总和。

Description

一种酸盐协同作用水解生物质生产可发酵糖的新方法
技术领域
本发明属于可再生生物质资源开发利用领域，特别涉及一种利用酸和无机镁盐协同作用水解生物质资源生产生物可发酵糖的高效方法。 
技术背景
生物质是地球上最丰富的可再生资源，每年产量大约为1.5-2.0×1012吨。其主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素等，其中纤维素和半纤维素的含量约占70％-80％。纤维素和半纤维素在一定的条件下可以水解生成葡萄糖、木糖等可溶性的糖稀，这些糖类化合物可通过化学或生物转化的方法生产包括燃料乙醇和氢，以及各种碳基化合物，如甘油、乳酸、氨基酸、多元醇、二元酸等高值生物基产品。这样，不仅可以替代现行的以粮食和糖类物质为原料制备燃料乙醇的工艺，降低能源的生产成本，解决能源的短缺问题；同时对于有效减少环境污染，保护生态和环境也大有益处。然而，据保守的估计，在生物质转化过程中，糖稀的生成至少占总成本的30％(Wyman CE.What is(and is not)vital to advancing cellulosic ethanol.Trends in Biotechnology 2007；25：153-157)。目前生物质资源转化为糖稀或糖液的糖平台主要三种方法主流的方法：直接浓酸水解法、直接稀酸水解法和热化学预处理加酶水解法(Sun Y，Cheng J.Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production：a review.Bioresource Technology 2002；83：1-11)。 
直接浓酸水解法首先是用70-77％左右的硫酸把含水量在10％的生物质晶体结构破坏。这一步的酸与底物的比例在1.25∶1，温度控制在50℃左右。然后加水把酸稀释到20-30％并加热到100℃使生物质降解释放出可溶性的糖。浓酸工艺很早已经被产业化推广，特别是在前苏联和日本等国。但是这些工艺的成功使用只是局限于的特定的时期和环境。例如在能源危机时，在不考虑生物燃料生产等经济竞争力的情况下。目前在美国主要有两家公司Arkenol和Masada Resource Group与美国能源部和可再生能源国家实验室(NREL)合作改进和商业推广这项 技术，利用它来处理来自于工农业生产和生活的各种生物质废物，在生产出包括生物燃料和其他高附加值产品的同时，来解决环境污染的问题。 
直接稀酸水解法通过两步水解来协调生物质资源中半纤维素和纤维素的特性差异，减少工艺过程中对释放出糖的破坏，提高糖产量和效率。第一步是在较温和的条件下进行，以最大限度地从易降解的半纤维素中释放出糖(Lee Y，Iyer P，Torget R.Dilute-Acid Hydrolysis of Lignocellulosic Biomass.In：Tsao G，Brainard A，Bungay H，et al.，eds.Recent Progress in Bioconversion of Lignocellulosics：Springer Berlin/Heidelberg，1999：93-115.)。第二步用相对激烈的反应条件水解难降解的纤维素部分。NREL报道指出软木的稀酸水解工艺是：先用0.7％的稀硫酸在190℃作用3min；然后用0.4％的稀酸在215℃作用另外3min。这样有较高的糖产量。稀酸过程有相当较多的产业经验。德国、日本和俄罗斯在过去的50年建立许多利用稀酸浸透工艺的工厂。但是这些稀酸浸透工艺还是难以在竞争激烈的市场中得以生存。现在利用这个技术工艺的企业仍然是处理如涉及环境问题的废物处理以及在一些造纸工业中应用。 
目前广受关注的是建立在生物质预处理基础上的酶水解工艺。生物质资源通过不同热化学过程的预处理(Mosier N，Wyman C，Dale B，et al.Features of promising technologies for pretreatment of lignocellulosic biomass.BioresourceTechnology 2005；96：673-686)后用纤维素酶为核心的复合酶制剂进行酶水解使由聚合物组成的生物质资源降解成单糖和少量可溶性的寡糖组成的糖液或糖稀。这些糖液或糖稀可以被用于发酵生产纤维素酒精或其它高附加值的生物基化合物。生物质资源的热化学预处理有多种不同的方法，包括热水预处理，酸预处理，碱预处理，氨膨爆，石灰堆埋处理等，其主要作用是去除或降解生物质资源中包被在纤维素***的木质素和半纤维素，破坏坚韧执拗的纤维素晶体结构，使酶制剂可以有效地作用于晶体结构被破坏纤维素，加速酶降解释放出可溶性的糖(Zhu JY，Pan X，Zalesny RS Jr.Pretreatment of woody biomass for biofuel production：energy efficiency，technologies，and recalcitrance.Appl Microbiol Biotechnol.201087(3)：847-57.)。 
生物质资源的热化学预处理加酶水解虽然是目前最有前途的一个工艺，但它相对是一个复杂的过程。不同的热化学预处理会显著地影响随后的酶解过程，不 同的生物质资源在不同的热化学过程中也有不同的影响，从而影响酶解。还有酶制剂的成本和效率更是影响整个工艺的发展。目前其工艺成本还未能达到人们的预期目标，特别是与燃料乙醇的生产相联时，更是需要进一步改进工艺，包括热化学预处理的过程的探索和组合使用，提高酶制剂的效率，降低成本等(Lin Y，Tanaka S.Ethanol fermentation from biomass resources：current state and prospects.Applied Microbiology and Biotechnology 2006；69：627-642)。 
目前，另外一项有潜力用于利用生物质获得糖的技术是超临界流体(Supercritical fluid，SCF)水解技术(何北海，林鹿，孙润仓，孙勇.木质纤维素化学水解产生可发酵糖研究.化学进展2007；19：1141-1146；Yu Q，Wu P，Xu P，Li L，Liu T，Zhao L.Synthesis of cellulose/titanium dioxide hybrids in supercritical carbon dioxide.Green Chemistry 2008；10：1061-1067)。在超临界流体中，分子的扩散系数介于气、液之间，具有独特的溶解性，使反应变为均相，进而加速超临界条件下的化学反应，其显著特点是反应不需要任何催化剂，反应时间较短(低于10s)，反应选择性高，而且对环境没有污染。但是利用超临界水解工艺进行生物质转化，其主要成分为低聚糖，需要有其他配套技术把低聚糖转化为可用于微生物发酵生产的单糖。因此该技术仍然有一定的局限性，需要进一步完善，提高单糖的产率。 
综上所述，把生物质资源高效水解，提高糖的产量和产率仍然是其转化利用的巨大的挑战性任务。在发展完善现有各种技术平台的基础上，开发新一代的生物质资源水解技术，建立新型、低成本的糖平台仍然是实现可再生生物质资源高效利用的重要前提(DOE Biomass Multi-year Program Plan.2008)。 
发明内容
【本发明的目的】 
本发明的目的在于提供一种利用酸和镁盐协同作用水解生物质资源生产微生物可利用糖的高效新方法。经协同作用水解后生成的可发酵糖产率可达到70-90％之间，利用传统的直接浓酸水解法、直接稀酸水解法和热化学预处理加酶水解法，耗能比较高。相比之下将价格低廉的无机矿物镁盐加入相应的酸，二者协同作用水解生物质时，成本低，效率高。生成的可发酵糖也可被酿酒酵母等微生物利用。添加的镁盐经分离后可重复利用。 
【本发明的思路】 
无机矿物镁盐是一种弱的路易斯酸，它具有同时破坏纤维素的晶格结构和水解催化的功效。在常温下，虽呈中性，但在温度超过160℃左右能释放出质子，使pH值降到4-5之间。而经冷却后又可恢复中性。将其与酸混合后，酸的酸性与镁盐的盐的性质使得生物质的结构更易破坏，使得其中纤维素，半纤维素降解生成可发酵糖。 
【本发明的技术路线】 
本发明的技术路线如下： 
(1)将选用的生物质原料粉碎至4-200目； 
(2)配制由酸及其相应盐形成的混合催化剂； 
(3)将粉碎好的生物质原料和一定量的酸盐混合催化剂放入反应器中； 
(4)将反应器在120-230℃下加热1-60min，总糖回收率可达到70％以上； 
(5)将反应器至于冷水浴中，使其内部温度迅速降至105℃以下，以免生成的糖发生降解。 
(6)将生成的水解液调节pH至5.0后，接种酿酒酵母后在30℃，200rpm下培养，水解液中的葡萄糖可完全水解生成乙醇。 
【本发明的优点】 
本发明的优点是： 
(1)总糖产率高，酸和镁盐二者协同作用可使70％以上糖生成，高于单独使用酸或盐时得到的总糖回收率的总和。 
(2)成本低，氯化镁价格低廉，而且冷却后可以重复使用。 
(3)二者协同作用可使纤维素和半纤维素直接水解生成糖稀，而无须使用生物酶菌。 
(4)镁盐对于大多数微生物细胞生长等没有明显抑制的作用。 
具体实施 
实施例1 
取1g粉碎至40目的生物质原料，分别加入5mL(1)2％HCl；或者(2)2％HCl和2.5％MgCl2的混合催化剂。将反应器在180℃下加热10min后，迅速放入冷水浴中，使反应器内的温度迅速降低到105℃以下。不添加MgCl2时，总糖回收率只有42.59％，而添加有MgCl2的酸盐混合催化剂则可使总糖回收率提高至83％。 
实施例2 
取1g粉碎至10目的生物质原料，分别加入5mL(1)4％HCl；或者(2)4％HCl和2.5％MgCl2的混合催化剂。将反应器在180℃下加热10min后，迅速放入冷水浴中，使反应器内的温度迅速降低到105℃以下。不添加MgCl2时，总糖回收率为72％，而添加有MgCl2的酸盐混合催化剂则可使总糖回收率提高至80％。 
实施例3 
取1g粉碎至10目的生物质原料，分别加入5mL(1)0.5％HCl；或者(2)0.5％HCl和2.5％MgCl2的混合催化剂。将反应器在180℃下加热10min后，迅速放入冷水浴中，使反应器内的温度迅速降低到105℃以下。不添加MgCl2时，总糖回收率为6.7％，而添加有MgCl2的酸盐混合催化剂则可使总糖回收率提高至7.5％。 
实施例4 
取上述水解液5mL，调节pH至5.0左右，将活化好的酿酒酵母(安琪干酵母1-3％)接种于水解液中，于30℃，200rpm下培养。36h后，水解液中的葡萄糖可完全转化生成乙醇。 

Claims (9)

1.一种利用酸和镁盐协同作用水解生物质资源生产微生物可发酵糖的高效新方法，步骤如下：
(1)将生物质原料加入一定量的酸和镁盐混合催化剂中，可使生物质中的纤维素和半纤维素水解生成比单独利用纯稀酸催化剂时产率更高的可发酵糖；
(2)将反应器一定温度下加热足够长的时间，可使总糖的回收率达到70％以上；
(3)水解生成的葡萄糖可完全被酿酒酵母利用，生成乙醇。
2.按权利要求1按权利要求1中所述的方法，其特征是：所述的生物质原料包括软木、硬木、农业废弃物、秸秆以及藻类生物质等。
3.按权利要求1按权利要求1中所述的方法，其特征是：所述的生物质原料在使用前应粉碎至4-200目。
4.按权利要求1中所述的方法，其特征是：所述的酸包括H2SO4，HCl和HNO3等强酸；所述的盐包括MgSO4，MgCl2和MgNO3等。
5.按权利要求3中所述的方法，其特征是：所述的酸浓度在0.5-6％；所述的盐浓度在0.5-7.5％。
6.按权利要求1中所述的方法，其特征是：所述的反应器是批式反应器.
7.按权利要求1中所述的方法，其特征是：所需加热温度在120-230℃之间，反应时间在1-60min。
8.按权利要求1中所述的方法，其特征是：在反映结束后，反应器需在冷水中冷却至50℃以下，以免生成的糖发生降解。
9.按权利要求1中所述的方法，其特征是：水解生成的葡萄糖在30℃条件下，可完全被酿酒酵母利用转化生成乙醇。
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