CN109706273B - 一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法，包括以下步骤：将木质纤维素生物质、五氧化二磷混合球磨，球磨样品与水混合进行水解反应，反应后进行固液分离分别得到含糖水解液和木质素残渣，然后向水解液中接种酿酒酵母进行乙醇发酵。本发明的优点和有益效果是：通过球磨促进五氧化二磷与木质纤维素生物质充分接触，可将纤维素高效地转化成单糖产品，反应条件相对温和，催化剂廉价易得；而且含糖水解液无需脱毒处理可直接发酵产乙醇，该工艺能耗低污染小，具有大规模工业应用的潜力和前景。
Description
技术领域
本发明涉及催化领域和生物质资源化领域，特别涉及一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法。
背景技术
生物质是一类很有潜力的可再生资源。开发利用生物质资源替代以石油为基础的资源有助于缓解对化石能源的依赖，同时可以减少化石资源大规模利用对环境带来巨大破坏。生物质转化至燃料分子以及大宗化学品的转化过程中最重要的一步便是单糖的获取。在木质纤维素类生物质中含量最高的组分是纤维素，而纤维素生成葡萄糖的过程是通过水解过程实现的。纤维素是由葡萄糖通过β-1,4-糖苷键链接形成的线性长链高分子聚合物，糖苷键通过纤维素的超分子结构中的分子内和分子间氢键紧密连接，阻碍催化剂进入链并使纤维素不溶于常规溶剂，因此导致纤维素水解过程中的低反应性。因此，开发催化活性位点可接近这些高度紧密的β-1,4-糖苷键的催化体系是非常重要的，进而可以通过纤维素水解获得大量的廉价葡萄糖资源。
目前相关报道的葡萄糖的生产方法主要有两类，一类是利用酶将生物质水解，另一类是利用酸催化生物质水解。酶水解生物质主要受限于酶的成本、水解效率低以及复杂的预处理方法。最常见的酸催化生物质水解方法主要是利用浓硫酸和浓盐酸，几乎可以把生物质中的糖完全释放出来，但是后续的产品分离和酸的回收利用仍然制约着这些技术的应用。许多研究者也尝试使用稀硫酸和稀盐酸催化生物质的水解，但只有特殊的反应条件，如高温和极短的反应时间，才能获得较高产率的糖。这样的反应条件在实际生产中是难以掌控的，因而其经济技术可行性也不高。此外，一些研究者利用固体酸催化生物质水解可以获得较高的单糖收率，但是由于水解后由于木素的存在导致催化剂很难回收利用。因此，开发更多更高效的催化体系是极为有意义的。
发明内容
本发明的目的在于解决生物质水解产糖工艺过程效率低、经济成本高、反应条件难以控制、产品分离纯化困难且容易造成环境污染等不足，提供一种绿色高效、成本较低、操作方便且适合大规模生产应用的将木质纤维素类生物质水解成糖的工艺。
本发明提供的一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素类生物质与五氧化二磷球磨粉碎；
(2)将球磨后的木质纤维素类生物质与一定量的反应溶剂水混合，在密闭条件下升温搅拌水解反应一段时间，反应结束后固液分离，分别回收未溶解的生物质固体残渣和水解溶液；
(3)向水解液中加入一定量的氢氧化钾调整pH值；
(4)然后接种酿酒酵母进行乙醇发酵。
所述的木质纤维素生物质选自微晶纤维素、半纤维素、秸秆、稻草、玉米芯、芦苇草、木糖渣、糠醛渣、甜高粱、柳枝程、甘蔗渣、枝叶、废弃木头、木屑等真实生物质与报纸中的一种或多种；甜高粱或/和柳枝程、废纸中的一种或多种富含纤维素的生物质材料或者废弃物。
所述的木质纤维生物质的球磨时间为0.5-24h；球磨样品与所用球的质量比为1g：5～30g。
所述的五氧化二磷与木质纤维素类生物质的质量比为0.1％～20％。
所述的球磨后的木质纤维素类生物质与反应溶剂水质量体积比为体为1g：(2～200)mL。
所述的所述水解反应的温度为150℃～250℃；所述水解反应的时间为5min～24h。
所述的酿酒酵母的细胞密度的OD60值为：0.2OD60～20OD60，发酵温度为28-40℃、发酵时间为2-120小时。
所述碱性物质为氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化镁、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾等无机碱和无机碱式盐，调整后水解液的pH为3.5～5.5。
本发明提供了一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵方法，包括以下步骤：将木质纤维素生物质、五氧化二磷混合球磨，球磨样品与水混合进行水解反应，反应结束后进行固液分离分别得到生物质固体水解渣和水解液，水解液中包含葡萄糖、木糖等单糖。然后向水解液中接种酿酒酵母进行乙醇发酵。
本发明的优点和有益效果是：通过球磨促进催化剂五氧化二磷与木质纤维素生物质的充分接触，可将纤维素高效地转化成单糖产品，反应条件相对温和，催化剂廉价易得；而且含糖水解液无需脱毒处理可直接发酵产乙醇，该工艺能耗低污染小，具有大规模工业应用的潜力和前景。
附图说明
图1为糠醛渣发酵制乙醇过程收集样品通过HPLC进行定性与定量分析。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，以下实施例中所用的试剂均为市售。本发明优选采用分析纯。
定性与定量检测仪器：高效液相色谱(HPLC)为Agilent 1260，液相色谱柱为87-H离子交换柱，柱温为65℃，视差折光检测器，检测器为50℃；流动相：5Mm H2SO4，流速0.6ml/min，进样量25uL。
对比例1
称取2g玉米秸秆置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取400mg球磨样品于反应釜内，加入4mL溶剂，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表1。
对比例2～4
称取5g玉米秸秆糠醛渣置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL溶剂，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表1。
对比例5
称取40mg玉米秸秆糠醛渣置于反应釜内，加入4mL溶剂，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表1。
表1对比例1～5反木质纤维素生物质水解应体系的组成及反应结果
实施例1
称取5g玉米秸秆、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例2
称取5g玉米秸秆、0.5g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例3
称取5g玉米秸秆、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨8小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例4
称取10g玉米秸秆糠醛渣、0.5g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例5
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例6
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取400mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例7
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取800mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例8
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取1000mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例9
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取200mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持50min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例10-13
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取400mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持30-60min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例14
称取10g玉米秸秆糠醛渣、1.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨4小时。然后称取400mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至200℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例15
称取20g玉米秸秆糠醛渣、2.0g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨8小时。然后称取400mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至200℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例16
称取2g稻壳糠醛渣、0.2g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至205℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例17
称取2g稻壳糠醛渣、0.2g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取400mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至205℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例18
称取2g稻壳糠醛渣、0.2g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取600mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至205℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例19
称取2g稻壳糠醛渣、0.4g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨10分钟。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至180℃并维持120min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例20
称取2g稻壳糠醛渣、0.4g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至120℃并维持120min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例21
称取2g稻壳糠醛渣、0.1g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取2000mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至180℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例22
称取2g稻壳糠醛渣、0.02g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至250℃并维持30min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例23-26
称取5g速生杨糠醛渣、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后分别称取40、200、400、600mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例27
称取5g速生杨糠醛渣、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后分别称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至200℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例28
称取5g速生杨糠醛渣、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后分别称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至185℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
实施例29
称取5g速生杨糠醛渣、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时。然后分别称取40mg球磨样品于反应釜内，加入4mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至170℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，收集液体产物。通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表2。
表2实施例1～38反应体系的组成及反应结果
实施例30
(1)称取5g速生杨糠醛渣、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时；(2)然后分别称取2400mg球磨样品于反应釜内，加入24mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至215℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，然后进行固液分离收集液体产物；(3)向水解液中加入1.92毫摩尔氢氧化钾调整pH值至4.46；(4)接种酿酒酵母细胞密度度1.6*108个/mL进行乙醇发酵，在33℃条件下发酵时间72小时。发酵过程收集样品通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见图1。
实施例31
(1)称取5g速生杨糠醛渣、0.25g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时；(2)然后分别称取3600mg球磨样品于反应釜内，加入24mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至200℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，然后进行固液分离收集液体产物；(3)向水解液中加入1.92毫摩尔氢氧化钾调整pH值至4.46；(4)接种酿酒酵母细胞密度度1.0*108个/mL进行乙醇发酵，在33℃条件下发酵时间72小时。发酵过程收集样品通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表3。
实施例32
(1)称取5g稻壳糠醛渣、0.5g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时；(2)然后分别称取4800mg球磨样品于反应釜内，加入24mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至200℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，然后进行固液分离收集液体产物；(3)向水解液中加入1.80毫摩尔氢氧化钾调整pH值至4.0；(4)接种酿酒酵母细胞密度度1.0*108个/mL进行乙醇发酵，在33℃条件下发酵时间48小时。发酵过程收集样品通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表3。
实施例33
(1)称取5g玉米糠醛渣、0.5g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时；(2)然后分别称取5000mg球磨样品于反应釜内，加入24mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至190℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，然后进行固液分离收集液体产物；(3)向水解液中加入1.90毫摩尔氢氧化钾调整pH值至4.2；(4)接种酿酒酵母细胞密度度1.0*108个/mL进行乙醇发酵，在33℃条件下发酵时间24小时。发酵过程收集样品通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表3。
实施例34
(1)称取5g玉米糠醛渣、0.5g五氧化二磷混合置于球磨罐中，球磨2小时；(2)然后分别称取4800mg球磨样品于反应釜内，加入24mL水，保持常压并密封反应釜。将反应釜置于磁力搅拌器上，以10℃/min的升温速率升温至185℃并维持40min。待反应结束后，冷却至室温，然后进行固液分离收集液体产物；(3)向水解液中加入1.90毫摩尔氢氧化钾调整pH值至4.3；(4)接种酿酒酵母细胞密度度1.0*108个/mL进行乙醇发酵，在33℃条件下发酵时间48小时。发酵过程收集样品通过HPLC进行定性与定量分析，其结果见表3。
表3：木质纤维素生物质水解液发酵制乙醇
| 实施例 | 乙醇收率/％ | 乙醇/g.L<sup>-1</sup> |
| 31 | 85.4 | 20.8 |
| 32 | 81.9 | 26.1 |
| 33 | 83.6 | 31.6 |
| 34 | 84.8 | 29.0 |
Claims (4)
1.一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法,其特征在于按照以下步骤进行：
（1）将木质纤维素类生物质与五氧化二磷混合球磨；
（2）将球磨后的木质纤维素类生物质与水混合，在密闭条件下升温搅拌水解反应一段时间，反应结束后固液分离，分别回收未溶解的固体生物质残渣和水解液；
（3）向水解液中加入碱性物质调整 pH 值；
（4）然后接种酿酒酵母进行乙醇发酵;
步骤（3）所述水解液调整后的 pH 为 3.5~5.5；
所述步骤（1）木质纤维生物质与五氧化二磷球磨时间为 10min-24h；所述步骤（1）五氧化二磷与木质纤维素类生物质的质量比为 0.001～0.2：1；所述的步骤（2）球磨后的木质纤维素类生物质与水固液比为 0.01～0.5g/mL。
2.按照权利要求 1 所述的一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法，其特征在于：所述的木质纤维素生物质为微晶纤维素、秸秆、稻草、玉米芯、芦苇草、木糖渣、糠醛渣、甜高粱、柳枝程、甘蔗渣、枝叶、废弃木头、木屑及其他真实生物质中的一种或多种。
3.按照权利要求1所述的一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法，其特征在于：所述的步骤（2）水解反应的温度为120℃～250℃；所述水解反应的时间为5min～24h。
4.按照权利要求 1 所述的一种五氧化二磷催化木质纤维素水解发酵的方法，其特征在于：所述的酿酒酵母的细胞密度为：0.5*10 8 -1.8*10 8 个/mL，发酵温度为 28-40℃、发酵时间为 2-120 小时。
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| CN101730751A (zh) * | 2007-07-03 | 2010-06-09 | 川崎隆 | 由纤维素类物质生产单糖和乙醇的方法 |
| CN103626633A (zh) * | 2013-11-14 | 2014-03-12 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种促进固体催化剂解聚纤维素的方法 |
| CN104479031A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-04-01 | 广西大学 | 一种机械活化协同金属盐降解纤维素的方法 |
| CN106188612A (zh) * | 2015-04-30 | 2016-12-07 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种木质纤维素水解液发酵过程表面活性剂回收技术 |
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| KR20110067992A (ko) * | 2009-12-15 | 2011-06-22 | 삼성전자주식회사 | 내부발열을 이용한 바이오매스의 전처리 방법 및 전처리 장치 |
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2017
- 2017-10-26 CN CN201711010502.2A patent/CN109706273B/zh active Active
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| Liquid crystalline solutions of cellulose in phosphoric acid;H.Boerstoel 等;《Polymer》;20011231;第7371-7379页 * |
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