氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法

專利名稱：氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法
技術領域：
本發明屬于生物質能源的預處理及應用領域，采用氨聯合稀堿在常壓和較低溫條件下處理木質纖維素類生物質，制備易糖化和產糖率高的木質纖維素。
背景技術：
木質纖維素類生物質農作物秸桿是籽實收獲后的含纖維成分很高的作物殘留物，包括禾谷類、豆類、薯類、油料類、麻類、以及棉花、甘蔗、煙草、瓜果等多種作物的秸桿。我國的稻草秸桿資源非常豐富，且產量巨大，主要成分是纖維素、半纖維素、木質素和一些可溶性物質。其中，纖維素是可發酵糖的主要來源，含量約占30 45%，可發酵糖經微生物發酵可進一步轉化為乙醇、丙酮、丁醇、乙酸等液體燃料或化工原料；也可作為抗生素、有機酸、單細胞蛋白、酶制劑的發酵原料。然而，由于秸桿細胞壁纖維素的絲狀結晶結構以及與木素嵌入式的連接，使得秸桿很難被徹底降解利用。因此必須對稻草秸桿進行有效的預處理。目前對木質纖維素原料的預處理方法主要有物理法、化學法、物理-化學法及生物法，具體的有研磨法、蒸汽膨脹法、稀酸法、堿處理法、有機溶劑法、濕氧化法、氨纖維爆破法、微波處理法和酶解法等。不同預處理方法的原理不同，但其主要目的都是除去生物質內阻礙糖化時纖維素酶與纖維素結合的結構，減少木質素或半纖維素對纖維素的保護作用，降低纖維素晶體的結晶度，增大木質纖維素原料內的比表面積，使之與纖維素酶從分接觸，得到較高的糖濃度和糖得率，增加水解速率，取得良好的水解效果，以較低的成本把它所含的纖維素和半纖維素轉化為可發酵性糖。目前，工業上多采用稀酸水解法、蒸汽爆破法和氨爆法。酸處理法可以用硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸等，最常用的是稀硫酸。利用稀硫酸對生物質進行預處理的典型過程是:將稀硫酸和木質纖維素原料混合均勻，然后加熱。溫度要求在140°C _190°C，稀硫酸濃度為
0.5%-1.0%，保溫時間從幾秒鐘到幾分鐘不等。這一方法可以有效地處理半纖維素，使之分解成木糖等可溶性糖類，半纖維素的去除使得纖維素水解生成葡糖糖的產率大大提高。但這一方法對木質素的作用不大,并且酸對設備的腐蝕性大,設備性能要求高,增加了工業上投資成本。蒸汽爆破法和氨爆法主要是借助在高溫下水或液氨的汽化膨脹，滲透進入秸桿組織內部，然后迅速泄壓形成爆破，以此達到破壞秸桿組織結構的效果。蒸汽爆破法是一種綜合了熱-機械力-化學作用的生物質預處理過程，在這一過程中，既有蒸汽熱作用協助下木質纖維素結構的大量軟化斷裂，又有因蒸汽爆破引起的在木質纖維素結構之間產生的大量機械剪切作用，同時還伴隨著糖苷鍵的水解斷裂，實現了原料組分的化學分離、機械分裂和結構重排等，從而提高了纖維素酶對纖維素的酶解率。中國科學院過程工程研究陳洪章等(中國專利CN100999739A
公開日期2007.7.18)發明了“蒸汽爆破與堿性雙氧水氧化耦合處理木質纖維素類生物質的方法”，此方法過程簡單，廢水量小，但水蒸汽爆破法需要消耗大量的能量，且設備投資大。氨爆法與蒸汽爆破法的熱-機械力作用相類似，不同之處在于所采用的是高溫高壓的液態氨，氨的化學作用與液堿相似，能夠打斷半纖維素與木質素之間的酯鍵連接，使得 其中大多數木質素從秸桿編織態結構上被剝離。這兩種預處理方法中，蒸汽爆破對秸桿中的纖維素、半纖維素均存在一定程度的水解作用，且半纖維素損失率較高、木質素混在其中難以分揀去除。氨爆法在木質素去除方面效果非常好且可控，同時半纖維素損失小，產生的副產物也少，但高昂的氨及其回收能耗使得其難以推廣。南開大學劉樂等(中國專利CN 102660884A
公開日期2012.09.12)利用氨水替代傳統的液氨于140-1600C (0.4-0.6MPa)進行汽爆,此方法雖然過程較傳統液氨法簡單,但仍需高溫且氨水用量較大，每Ig秸桿粉末至少需要15mL氨水。考慮到爆破過程的高耗能和高投資，姚日生等(中國專利CN101538597A
公開日期2009.9.23)發明了常壓下“三氧化硫刻蝕爆破稻草秸桿的預處理方法”，此方法預處理過程簡單、耗能低、對設備要求低，并且處理后的稻草秸桿糖化率高達92%。
除此之外，高溫堿處理法也是一種常用的木質纖維素預處理方法，該方法主要是在高溫條件下，將木質纖維素與稀堿液混合，攪拌或震蕩一段時間即可。堿液能夠浸入木質纖維素內部，破壞木質素與半纖維素、纖維素之間的連接，同時溶出木質素，而高溫有助于對木質素的剝離。利用2%的NaOH溶液于12TC下處理棉秸桿90min，棉秸桿木質素剝離率達到 68.3% (Rebecca A.Silverstein 等，2006, Bioresource Technology, 98 期，3000-3011)。
本發明利用常壓氨氣或氨水蒸汽聯合稀堿處理木質纖維素類生物質，木質素的去除率高，具有操作簡單，能耗低等優點。發明內容
本發明的目的在于提供一種效率高、成本低、能有效地降低環境污染并提高后續纖維素酶水解糖化率的常壓氨預處理木質纖維素類生物質的方法。
本發明解決技術問題采用如下技術方案: 氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征在于: 包括如下步驟: (1)取干燥木質纖維素類生物質，切碎； (2)取上述木質纖維素類生物質，預熱至40-60°C，通入一定量的氨氣，然后，通入適量的水蒸汽，于40-60°C密閉保溫0.5-lh ;或取上述木質纖維素類生物質，置于密閉容器內用濃氨水于40-60°C熏蒸l_4h; (3)將步驟(2)中處理后 的木質纖維素類生物質用稀堿液于40-100°C攪拌Ι-lOh，過濾并水洗至中性，得木質纖維素，備用。
氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是:所述木質纖維素類生物質是未經任何處理的稻草秸桿、麥秸桿、玉米桿、大豆秸、花生秸、花生殼、麻桿、棉桿、油菜秸、高粱秸桿、蔗渣、雜草、樹皮以及木屑中的一種或幾種。
所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是:氨氣來自液氨鋼瓶，或由銨鹽加堿分解發生，或是氨水加熱釋放，或是經空氣稀釋的混合氣體，涉及到氨氣處理木質纖維素類生物質的條件均為常壓。
所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是:所述步驟(2)中，IOOg秸桿共計氨氣用量l-10g，或用28%濃氨水5-50mL。
所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是:所述步驟(3)中，稀堿液的濃度為0.01-2mol/L，且秸桿與稀堿液的質量體積比為1: 1_1: 50g/mL。所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是:所用堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是:步驟(I)中的切碎的秸桿長度以不超過2cm。本發明的有益效果為:
本發明采用氨氣常壓條件下與稀堿液協同作用的綜合方法，對木質纖維素類生物質進行預處理，然后利用纖維素酶水解。在此過程中發生的物理變化使得木質纖維素類生物質秸桿結晶度降低，表面積增大；化學變化包括氨氣在加熱的條件下與木質纖維素類生物質發生了氨化反應，同時還生成了少部分的小分子鹽類物質，破壞了木質素與纖維素和半纖維素之間原有的連接。與原有技術相比，本發明處理條件溫和，操作簡單，對環境污染小，同時對纖維素和半纖維不會造成影響，和稀酸預處理相比減少了中和、脫毒等工藝，還可以減少發酵工藝中氮源的添加，是一種非常有效的木質纖維素預處理技術。本發明屬于生物質能源的處理及應用領域，采用常壓氨熏蒸秸桿然后用適量稀堿液處理稻草秸桿，木質素去除率> 90%，所及預處理過程簡單。該方法處理后的秸桿木質素含量< 2%，糖化率不低于87%;制備出的糖化液對后續發酵無抑制，可用于發酵生產乙醇、乳酸、飼料蛋白等，或直接用于制備飼料糖，也可作為微晶纖維素或造紙用紙漿的原料。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。圖1是未經任何處理的稻草秸桿掃描電鏡圖。圖2是經NH3處理后的稻草`秸桿掃描電鏡圖。
具體實施例方式以下以具體實施例來說明本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不限于此: 參考例1:將稻草秸桿切碎至_2cm，取10.0g,用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得
木質素纖維素5.2g (干重)，其中含纖維素3.3g，半纖維素1.2g，木質素剝離率為82.5% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖4.2g，還原糖得率為80.2%。參考例2:將稻草秸桿切碎至-2cm，取10.0g,于50°C條件下通入NH3,處理2h后用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.1g (干重)，其中含纖維素3.2g，半纖維素1.lg，木質素剝離率為81.8% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖4.lg，還原糖得率為80.3%。實施實例1:將稻草秸桿切碎至_2cm，取10.0g，于50°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.6g (干重)，其中含纖維素3.9，半纖維素1.4g,木質素剝離率為91.2% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖5.lg，還原糖得率為90.9%。
實施實例2:將稻草秸桿切碎至_2cm，取10.0g,于60°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.5g (干重)，其中含纖維素3.Sg，半纖維素1.3g,木質素剝離率為91.7% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖4.9g,還原糖得率為90.5%。取上述糖化液IOOmL,接入2 mL釀酒酵母菌，30 °C, 150 r/min振蕩培養10 12 h后密閉靜止發酵7d，用酒精計測得酒精度為2.7%。
實施實例3:將稻草秸桿切碎至_2cm，取10.0g,于70°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.5g (干重)，其中含纖維素3.Sg，半纖維素1.3g,木質素剝離率為92.3% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖5.0 g,還原糖得率為91.5%ο取上述糖化液IOOmL,接入2 mL產朊假絲酵母2.281，30 °C, 150 r/min振蕩培養4d，用考馬斯亮藍法測得其中蛋白質含量為4.0%。
實施實例4:將稻草秸桿切碎至_2cm，取10.0g,于50°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于50°C下堿洗4h，得木質素纖維素5.7g (干重)，其中含纖維素3.Sg,半纖維素1.4g,木質素剝離率為87.5% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖4.3 g,還原糖得率為75.4%。
實施實例5:將麥秸桿切碎至_2cm，取10.0g,于60°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.2g (干重)，其中含纖維素3.Sg，半纖維素1.0g,木質素剝離率為86.7% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖4.5g,還原糖得率為87.3%。
實施實例6:將麥秸桿 切碎至_2cm，取10.0g,于60°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.2g(干重)，其中含纖維素3.Sg，半纖維素1.0g,木質素剝離率為86.7% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖4.5g，還原糖得率為87.6%。取上述糖化液IOOmL,接入2 mL產朊假絲酵母2.281,30 °C, 150 r/min振蕩培養4d，用考馬斯亮藍法測得其中蛋白質含量為3.8%。
實施實例7:將玉米秸桿切碎至-1cm，取10.0g，于60°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.7g (干重)，其中含纖維素4.0g，半纖維素1.lg，木質素剝離率為92.7% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖5.lg，還原糖得率為90.0%。
實施實例8:將玉米秸桿切碎至-1cm，取10.0g,于60°C條件下氨水熏蒸2h后，用2%稀NaOH溶液于95°C下堿洗2h，得木質素纖維素5.7g (干重)，其中含纖維素4.0g，半纖維素1.lg，木質素剝離率為92.7% ;再利用綠色木霉(Trichoderma viride) ZY-1固態發酵生產的纖維素酶進行糖化降解產還原糖，選用50FPIU/g底物，固液比為1:10，50°C下糖化降解48小時，終止反應，提取糖化液，得還原糖5.lg，還原糖得率為90.0%。取上述糖化液IOOmL,接入2 mL產朊假絲酵母2.281，30 °C, 150 r/min振蕩培養4d，用考馬斯亮藍法測得其中蛋白質含量為4. 1%。
權利要求
1.氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征在于 包括如下步驟 (1)取干燥木質纖維素類生物質，切碎； (2)取上述木質纖維素類生物質，預熱至40-60°C，通入一定量的氨氣，然后，通入適量的水蒸汽，于40-60°C密閉保溫O. 5-lh ;或取上述木質纖維素類生物質，置于密閉容器內用濃氨水于40-60°C熏蒸l_4h; (3)將步驟(2)中處理后的木質纖維素類生物質用稀堿液于40-100°C攪拌Ι-lOh，過濾并水洗至中性，得木質纖維素，備用。
2.按照權利要求I中的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是所述木質纖維素類生物質是未經任何處理的稻草秸桿、麥秸桿、玉米桿、大豆秸、花生秸、花生殼、麻桿、棉桿、油菜秸、高粱秸桿、蔗渣、雜草、樹皮以及木屑中的一種或幾種。
3.根據權利要求I中所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是氨氣來自液氨鋼瓶，或由銨鹽加堿分解發生，或是氨水加熱釋放，或是經空氣稀釋的混合氣體，涉及到氨氣處理木質纖維素類生物質的條件均為常壓。
4.根據權利要求I中所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是所述步驟(2)中，IOOg秸桿共計氨氣用量l-10g，或用28%濃氨水5-50mL。
5.根據權利要求I中所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是所述步驟(3)中，稀堿液的濃度為O. 01-2mol/L，且秸桿與稀堿液的質量體積比為1:1-1: 50g/mL。
6.根據權利要求I中所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是所用堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。
7.根據權利要求I中所述的氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，其特征是步驟(I)中的切碎的秸桿長度以不超過2cm。
全文摘要
本發明公開了一種氨聯合稀堿常壓處理木質纖維素類生物質的方法，屬于生物質能源的處理及應用領域，包括如下步驟(1)取干燥木質纖維素類生物質，切碎；(2)取上述木質纖維素類生物質，預熱至40-60℃，通入一定量的氨氣，然后，通入適量的水蒸汽，于40-60℃密閉保溫0.5-1h；或取上述木質纖維素類生物質，置于密閉容器內用濃氨水于40-60℃熏蒸1-4h；(3)將步驟(2)中處理后的木質纖維素類生物質用稀堿液于40-100℃攪拌1-10h，過濾并水洗至中性，得木質纖維素，備用。該方法處理后的木質纖維素類生物質木質素含量≤2%，糖化率不低于87%；制備出的糖化液對后續發酵無抑制，可用于發酵生產乙醇、乳酸、飼料蛋白等，或直接用于制備飼料糖，也可作為微晶纖維素或造紙用紙漿的原料。
文檔編號D21B1/02GK103255659SQ201310148750
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月26日 優先權日2013年4月26日
發明者姚日生, 張波, 王淮, 鄧勝松, 朱傳喜, 張遙 申請人:安徽安生生物化工科技有限責任公司, 合肥工業大學