CN106755198B - 一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法 - Google Patents

一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及本发明的一种农林生物质原料浓醪水解产糖方法，其特征在于：以纤维类生物质为原料，采用常压短时的甘油有机相蒸煮预处理方法，保留原料中90％以上纤维素的同时，可选择性脱除其中70％以上木质素和不足20％半纤维素。收集的甘油处理液中有大量的甘油糖苷生成，但几乎无糠醛类发酵抑制物产生，甘油可直接循环使用7‑11次。甘油粗纤维素在10‑40％基质浓度和2‑15FPU·g‑1基质酶载量时72hr酶解率可达70％以上。本发明之农林生物质原料浓醪水解产糖方法，具有简单经济、高效环保等特点，具有驱动生物柴油和纤维素乙醇同时商业化的应用前景。

Description

一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法
技术领域
本发明涉及农林生物质原料资源化利用和生物质化工技术领域，尤其涉及一种纤维质原料浓醪糖化方法。
背景技术
随着当今资源能源危机、温室效应和环境污染等问题日益突出，利用丰富的农林纤维素类生物质可再生资源，生物炼制可全方位替代石化生产的生物液体燃料和生物基化学品，是当前世界生物能源产业的主流。但是，真正的生物质经济时代至今尚未实现，由农林纤维类生物质实现生物能源和生物基产品的生物炼制技术仍旧面临着许多瓶颈问题，其中木质纤维素-糖平台(预处理、酶解和糖发酵)的预处理和酶解问题尤为突出。
目前，在纤维类生物质预处理方面具有代表性的方法有：稀硫酸法、热水法、汽爆法、石灰法、离子液和低沸点有机溶剂等预处理，它们在预处理评价方面(经济性、有效性、处理时间、安全性和环境友好以及对后续工艺影响)都不同程度地存在着问题：1)大多需要高压运行，存在安全隐患；2)强酸/碱对设备材质要求较高；3)试剂昂贵；4)能耗高；5)组分选择性差，残留大量木质素，导致预处理效果方面不理想；6)产生大量发酵抑制物，影响后续工艺；7)产生的大量废水易导致二次污染。
另一方面，甘油作为生物柴油的副产品(1/10生物柴油量)，产量随着全球生物柴油的日益剧增而不断攀升，出现了严重的供大于求，而且这些低品级甘油精制到食品和医药级(～99.5％)需要先进的技术和高昂的投资成本。基于这些问题，本发明人一直致力建立纤维质原料的甘油有机溶剂预处理方面研究(CN101148830B；CN101440108B)。在国内外率先开展并建立甘油有机溶剂预处理工艺，获得国际上近20个课题组的关注和重视，发表英文文章单篇被引用50次以上。在早期建立一种实现木质纤维类生物质组分分离的常压脱脂粗甘油预处理方法基础上，本发明对预处理工艺中蒸煮方式和洗涤方式上均进行改进，具有以下两大优势：1)降低蒸煮能耗、减少洗涤用水量、规避发酵抑制物产生；2)选择性脱除木质素和甘油纤维素可酶解性均明显提高。
在酶解方面，目前，虽然纤维素乙醇的生产方法(主要包括原料的预处理、酶解、乙醇发酵和分离提纯等步骤)已经打通，但是过高的酶解成本严重阻碍了纤维素乙醇的商业化进程。研究者们认为造成酶水解成本较高的主要原因之一是由于纤维素酶解糖化未达到淀粉质浓醪酶解的“三高”(高浓度、高转化率和高效率)指标。因此，国内外研究者从探索经济高效预处理方法、提高基质纤维素纯度和可酶解性，以及减少发酵抑制物产生等方面研究纤维质浓醪糖化，以期实现可发酵性糖的“三高”指标。
总之，本发明对甘油有机溶剂预处理工艺进一步研究和创新，并考察甘油预处理纤维素的浓醪酶解糖化，使其更具有产业上的应用潜力。
发明内容
为解决当前纤维质原料存在难以浓醪酶解糖化的问题，本发明提供一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法，包括以下步骤：
(1)将纤维质原料粉碎至3-50mm。
(2)将步骤(1)中粉碎的纤维质原料在甘油中蒸煮处理，经分离后获得甘油粗纤维素和甘油处理液；
(3)将上述收集的甘油处理液于步骤(2)所述蒸煮处理中循环使用7-11次。
(4)将步骤(2)得到的所述甘油粗纤维素经由微生物或纤维素酶水解，可获得糖基生物能源或化学品。
进一步的，纤维质原料包括源于农林生物质、工业加工剩余物、餐厨垃圾、动物粪便和藻类，及它们的任意混合中的一种或几种。
进一步的，在步骤(2)中，甘油指不同浓度的甘油溶液，通常包括粗甘油、工业甘油和精甘油。
进一步的，在步骤(2)中，纤维质原料与甘油(折算为纯甘油)质量比为6:1-30:1。
进一步的，在步骤(2)中，甘油自催化保温蒸煮条件为：蒸煮表压为0-5atm，蒸煮温度为230-270℃，保温1-30min，该方法具有常压、高温、短时特征，对处理装置要求低，且实现纤维质原料中部分木质素及半纤维素组分的选择性脱除，产生自催化甘油粗纤维素，其中纤维素含量为55-65％，半纤维素含量为15-25％，木质素含量为10-20％。
进一步的，在步骤(2)中，甘油酸催化保温蒸煮条件为：蒸煮表压为0-5atm，加酸量为0.01％-0.3％(w/v)溶液体积，蒸煮温度160-240℃，保温1-30min，保温1-30min，该方法具有常压、高温、短时特征，对处理装置要求低，且实现纤维质原料中大部分半纤维素组分的选择性脱除，产生酸催化甘油粗纤维素，其中纤维素含量为55-70％，半纤维素含量为2-10％，木质素含量为20-30％。
进一步的，在步骤(2)中，甘油碱催化保温蒸煮条件为：蒸煮表压为0-5atm，加碱量为0.01％-0.3％(w/v)溶液体积，蒸煮温度160-240℃，保温1-30min，该方法具有常压高温短时特征，对处理装置要求低，且实现纤维质中大部分木质素选择性脱除，并产生碱催化甘油粗纤维素，其中纤维素含量为55-60％，半纤维素含量为25-30％，木质素含量为5-10％。
进一步的，在步骤(2)中，其分离直接采用自来水洗涤1-3次，使甘油纤维素基质的甘油含量不超过15-20％。
进一步的，甘油处理液中包括发酵抑制物，发酵抑制物为糠醛和5-羟甲基糠醛，糠醛和5-羟甲基糠醛总量为原料重量0.1-1.0‰(w/w)。
进一步的，甘油蒸煮处理过程中，在高温或碱存在条件下，丙三醇分子会与单糖(葡萄糖和木糖)或寡糖(纤维二糖、木二糖等)以糖苷键相连接，发生耦合反应，进而在步骤(2)中，甘油预处理液中含有甘油糖苷、甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，所述甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷中的一种或几种。这些产物具有保湿、抗氧化功能，可作为化妆品添加剂使用，是本发明中具有高附加价值的副产物。
进一步的，在步骤(4)中，甘油粗纤维浓度为20–40％，纤维素酶添加量为2–15FPU·g-1甘油粗纤维素，水解72–96h，纤维素酶解率可达到70–90％。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
纤维质原料的现有的热水法、稀酸/碱、汽爆和低沸点有机溶剂预处理等技术大多是在水相中进行的，而本发明拟公开技术是在甘油有机相中进行的，这也与之前公开的专利(CN101148830B；CN101440108B)也显著不同。本发明具有以下优势：(1)基质适用性强，可广泛应用于不同种类的农林生物质原料；(2)预处理效果可与已被示范或中试的低沸点有机溶剂(乙醇、甲醇和丙酮等)预处理媲美；(3)该预处理属于木质素选择性溶解型，预处理后固体基质中木质素含量可不足10％，纤维素纯度可达60-70％，这有助于当前的纤维素乙醇工业实现高浓水解和浓醪发酵，该特点是当前的稀酸、热水、汽爆和氨爆等预处理技术所无法比拟的；(4)甘油木质素具有纯度高、分子量小且分布窄以及活性基团丰富等特点；(5)该预处理几乎不产生发酵抑制物(糠醛和羟甲基糠醛等)；(6)与其它预处理溶剂(有机溶剂或离子液)相比，甘油是多种微生物优良碳源，少量残留对后续微生物/酶活性无明显不良影响；(7)甘油热敏性好(比热容不足水的60％)，工艺温度可控性好；(8)最重要的是，该预处理把生物柴油工业副产物甘油用于纤维素乙醇工业的预处理，有助于同时推进生物柴油和生物乙醇的工业化。
与已公开甘油有机溶剂预处理(CN101148830B；CN101440108B)相比，本发明技术是在甘油有机相中进行的，不产生发酵抑制物且生成大量的甘油糖苷类化合物；本发明无论采用自催化还是加碱催化预处理，都具有常压短时特点，以降低能耗，而碱催化预处理可降低预处理温度从而进一步能耗；而且本发明在洗涤方式上很简便，避免了已公开专利中提及的热甘油-水溶液洗涤和热水洗涤等，而通过控制甘油残留量来进行洗涤，通常采用自来水洗涤1-2次即可；该发明中甘油预处理液可实现循环回用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1实施例3预处理后基质批次浓醪酶
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但是不用来限制本发明的范围。
实施例1
将收集的风干甘蔗渣过筛至5-20mm。
然后，取100g上述甘蔗渣与1.4kg工业甘油置于5升三口烧瓶中，250rpm搅拌速率下，加热升温至240℃，然后保温煮10分钟。反应结束后冷却至100℃，加入1.5kg沸水进行洗涤，机械搅拌，继续降温至50-60℃。由于甘油较为稠密，粘度较低，一些脱除的木质素常沾黏在物料表面未被完全溶解在甘油中，因此加入沸水形成甘油水溶液，同时加以机械搅拌，更利于木素的溶解。然后用G4砂芯漏斗抽滤，再用自来水洗脱抽滤2次(每次2kg)；滤渣为甘油粗纤维素，其质量为甘蔗渣的62％，其纤维素含量61％，半纤维素含量26％，木质素含量13％，甘油残留为基质干重0.39％，其中半纤维素与木质素脱除率分别为40％和65％。滤液即为甘油处理液，其中含有明显的甘油糖苷(甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷)，两种主要发酵抑制物5-羟甲基糠醛和糠醛分别为0.66g/kg甘蔗渣和0.20g/kg甘蔗渣。
取上述甘油粗纤维素5g，加入25mL柠檬酸缓冲液(pH 4.8)，此时，基质浓度为20％(w/v)，纤维素酶C-Tce2(141FPU·g-1)添加量6FPU·g-1基质，180rpm，50℃酶解48h，酶解率达到72％，还原糖浓度为125.06g·L-1，72h酶解率达到80％，此时的还原糖浓度为138.9g·L-1。
实施例2
将收集的甘蔗渣，风干过筛，收集5-20mm范围内的物料。
然后，将100g上述经粉碎甘蔗渣与1.0kg上述工业甘油置于5升三口烧瓶蒸煮装置中，添加1ml浓硫酸(硫酸添加量为0.1％，w/v)加热升温，250rpm下搅拌，升温至230℃时保温煮30分钟。反应结束后冷却至100℃，加入1.5kg沸水，机械搅拌，降温至50-60℃，用G4砂芯漏斗抽滤，滤渣再用2kg自来水洗脱抽滤、G4砂芯漏斗抽滤1次；滤渣为甘油粗纤维素，其质量为预处理前甘蔗渣57.9％，其纤维素含量64％，半纤维素含量为6.61％，木质素含量为18.14％，甘油残留为基质干重22.3％，半纤维素与木质素脱除率分别为83.9％和49.4％。滤液即为甘油处理液，其中含有明显的甘油糖苷(甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷)，甘油处理液中未检测到发酵抑制物糠醛，但5-羟甲基糠醛含量也很低，仅为0.09g/kg甘蔗渣。
取上述甘油粗纤维素5g，加入25mL柠檬酸缓冲液(pH 4.8)，此时，基质浓度为20％(w/v)，纤维素酶C-Tce2(141FPU·g-1)添加量6FPU·g-1基质，180rpm，50℃酶解48h，酶解率达到75％，还原糖浓度为136.95g·L-1，72h酶解率达到83％，此时的还原糖浓度为151.5g·L-1。
实施例3
将收集的风干甘蔗渣过筛至5-20mm。
然后，将上述经粉碎后的甘蔗渣100g和1.4kg上述工业甘油溶液置于蒸煮装置中，加入3g氢氧化钠(0.2％氢氧化钠，w/w)，200rpm搅拌加热升温，240℃蒸煮10分钟。反应结束后，冷却至100℃，加入1.5kg沸水，机械搅拌，降温至50-60℃，G4砂芯漏斗抽滤，滤渣用常温自来水洗脱、G4砂芯漏斗抽滤2次(每次2kg)；滤渣为甘油粗纤维素，其质量为反应前甘蔗渣的64％，其纤维素含量58％，半纤维素含量为28％，木质素含量10％，甘油残留为基质干重0.47％，与之对应的，半纤维素与木质素脱除率分别为20％和70％。滤液即为甘油处理液，其中含有明显的甘油糖苷(甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷)；两种主要发酵抑制物5-羟甲基糠醛和糠醛分别为0.57g/kg甘蔗渣和0.21g/kg甘蔗渣。
取上述甘油粗纤维素3.75g(15％基质浓度,w/v)作为酶解起始基质浓度，按35％基质浓度一次性添加纤维素酶C-Tce2(141FPU·g-1)，添加量6FPU·g-1基质，加入一定量的柠檬酸缓冲液(pH 4.8)，使整个酶解体系的液体添加量为25mL，在180rpm，50℃条件下进行酶解。选择在酶解起始后的12hr，18hr，24hr和30hr四个时间点分别补加1.25g基质(5％,w/v)，从而使得最终的基质浓度为35％(w/v)。酶解72hr时，葡萄糖浓度达到了171g·L-1，此时的纤维素转化率为75.5％。
实施例4
将收集的甘蔗渣，风干过筛，收集5-20mm范围内的物料。
然后，将100g上述经粉碎后的甘蔗渣与1.0kg上述工业甘油置于5升三口烧瓶蒸煮装置中，添加1mL浓硫酸(硫酸添加量为0.1％，w/v)加热升温，250rpm下搅拌，升温至220℃时保温煮30分钟。反应结束后冷却至100℃，加入1.5kg沸水，机械搅拌，降温至50-60℃，用G4砂芯漏斗抽滤，滤渣再用自来水洗脱抽滤、G4砂芯漏斗抽滤2次(每次2kg)；滤渣为甘油粗纤维素，其质量为预处理前甘蔗渣58.9％，其纤维素含量57.37％，半纤维素含量为7.76％，木质素含量为24.27％，甘油残留为基质干重0.31％，半纤维素与木质素脱除率分别为80.79％和31.22％。滤液即为甘油处理液，其中含有明显的甘油糖苷(甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷)，甘油处理液中未检测到发酵抑制物5-羟甲基糠醛，但糠醛含量也很低，仅为0.09g/kg甘蔗渣。
取上述甘油粗纤维素3.75g(15％基质浓度,w/v)作为酶解起始基质浓度，按30％基质浓度一次性添加纤维素酶C-Tce2(141FPU·g-1)，添加量10FPU·g-1基质，加入一定量的柠檬酸缓冲液(pH 4.8)，使整个酶解体系的液体添加量为25mL，在180rpm，50℃条件下进行酶解。选择在酶解起始后的12hr一次性补加3.75g基质(15％,w/v)，从而使得最终的基质浓度为30％(w/v)。酶解72hr时，此时的纤维素转化率为83％。
实施例5
将收集的风干甘蔗渣过筛至5-20mm。
然后，将上述经粉碎后的甘蔗渣100g和1.4kg上述工业甘油溶液置于蒸煮装置中，加入3g氢氧化钠(0.2％氢氧化钠，w/w)，200rpm搅拌加热升温，230℃蒸煮30分钟。反应结束后，冷却至100℃，加入1.5kg沸水，机械搅拌，降温至50-60℃，G4砂芯漏斗抽滤，滤渣用常温自来水洗脱、G4砂芯漏斗抽滤2次(每次2kg)；滤渣为甘油粗纤维素，其质量为反应前甘蔗渣的57％，其纤维素含量55％，半纤维素含量为28％，木质素含量12％，甘油残留为基质干重0.36％，与之对应的，半纤维素与木质素脱除率分别为12％和60％。滤液即为甘油处理液，其中含有明显的甘油糖苷(甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷)；两种主要发酵抑制物5-羟甲基糠醛和糠醛分别为0.56g/kg甘蔗渣和0.16g/kg甘蔗渣。
取上述甘油粗纤维素3.75g(15％基质浓度,w/v)作为酶解起始基质浓度，按35％基质浓度一次性添加纤维素酶C-Tce2(141FPU·g-1)，添加量6FPU·g-1基质，加入一定量的柠檬酸缓冲液(pH 4.8)，使整个酶解体系的液体添加量为25mL，在180rpm，50℃条件下进行酶解。选择在酶解起始后的12hr，18hr，24hr和30hr四个时间点分别补加1.25g基质(5％,w/v)，从而使得最终的基质浓度为35％(w/v)。酶解72hr时，此时的纤维素转化率为79.8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纤维质原料在甘油相蒸煮处理，经分离后获得甘油残留不超过15-20％的甘油粗纤维素和甘油处理液；
(2)将上述收集的甘油处理液于步骤(1)所述蒸煮处理中循环使用7-11次。
(3)将步骤(2)得到的所述甘油粗纤维素经由纤维素酶水解，获得可发酵性糖；
所述步骤（1）具体是：将甘蔗渣和甘油溶液按1:14的质量比置于蒸煮装置中，加入3g氢氧化钠，200rpm搅拌加热升温，240℃蒸煮10分钟；反应结束后，冷却至100℃，加入1.5kg沸水，机械搅拌，降温至50-60℃，G4砂芯漏斗抽滤，滤渣用常温自来水洗脱、G4砂芯漏斗抽滤2次，每次2kg；滤渣为甘油粗纤维素；滤液即为甘油处理液；
所述步骤（3）具体是：取制备的甘油粗纤维素按35％基质浓度一次性添加纤维素酶C-Tce2，添加量6FPU·g-1基质，加入一定量pH 4.8的柠檬酸缓冲液，在180rpm，50℃条件下进行酶解12~72 h。
2.根据权利要求1所述的一种农林生物质原料浓醪水解产糖方法，其特征在于：步骤(1)甘油相为：甘油含量95-100％的甘油溶液，或甘油含量为30％-80％的粗甘油溶液经升温浓缩而成的甘油含量95-100％的甘油溶液。
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