[发明专利]一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种采用微生物处理与稀酸处理相结合进行木质纤维素原料联合预处理的方法及其系统。

背景技术

木质纤维素原料经过酶解糖化后，可得到以葡萄糖为主的六碳糖及以木糖为主的五碳糖，是食品和化工等行业的重要原料。木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成份组成，半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，导致木质纤维素原料中多糖的酶解缓慢。因此要实现木质纤维素原料的酶解糖化必需通过适宜的预处理技术使它的三种成份有效分离，同时打断部分糖苷键，降低聚合度，脱除木质素，改善木质纤维素原料的天然结构，解除对酶的屏障阻碍作用，增强酶与纤维素可及度，提高纤维素酶解糖化效率。因此适宜的预处理方法是木质纤维素原料转化利用关键环节之一。

目前，木质纤维素原料的预处理的方法主要有物理法、化学法和生物法。物理、化学预处理技术有机械粉碎处理、蒸汽爆破处理、微波和超声波处理、辐射处理、碱法处理、过氧化物氧化处理、稀酸浸泡处理、有机溶剂处理、氨爆破处理、二氧化碳爆破处理、湿氧化处理等多种方法。但其中的很多物化方法因处理效果差、环境污染、设备成本和运行成本高昂、操作复杂等多重原因未被推广，其中相对较为成熟方法主要有蒸汽爆破法、稀酸浸泡法两种方法。

蒸汽爆破法是一种木质纤维素原料预处理最常用的方法，在不加催化剂的情况下，利用高压蒸汽迅速升温，将原料和水或水蒸气等在高温、高压下(150～240℃)处理一定时间后，立即降至常温、常压，蒸汽爆破过程中,高压蒸汽渗入至纤维内部，以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，使纤维发生一定的机械断裂，同时高温、高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，纤维素内的有序结构发生变化，增加了纤维素的吸附能力。但由于蒸汽爆破过程中产生的乙酸和其它一些酸的酸性很弱，导致对半纤维素的转化效果并不是很高，一般仅为65～70%左右，而且乙酸也是一种乙醇发酵的抑制产物；半纤维素降解后的糖单体在高温下会转化为糠醛、羟甲基糠醛等发酵抑制物，原料需要用大量水冲洗，同时也造成糖成份的损失；蒸汽爆破法对木质素去除率很低，并且经蒸汽爆破后的木质素对纤维素酶有着较高的非特定吸附，同时一些低聚糖类和断裂木质素会在冷却后沉淀黏附于纤维素表面，阻碍纤维素酶解。

稀酸浸泡法也是目前使用较为成熟的预处理方法。指用低浓度的稀酸（0.5～1%）在低于或高于100℃的温度下对木质纤维素原料处理。在低于100℃的温度下进行预处理时，处理时间一般为4～24h；在高于100℃的温度下进行预处理时，处理时间一般几分钟至几小时。稀酸水解半纤维素并改变纤维素晶型、增大其比表面积，提高后续酶解效率。但稀酸浸泡法的反应时间较长，能耗高，并且半纤维素转化率也不高，一般为70～80%；稀酸浸泡法对木质素基本不脱除，不能有效解除木质素对纤维素酶的无效吸附和空间阻碍，同时由于较长的反应时间导致糖单体进一步生成糠醛、甲酸、乙酸、羟甲基糠醛等发酵抑制产物，影响后续酶解、发酵。

生物法主要利用微生物的生物催化作用（包括真菌、细菌、放线菌等）进行木质素、半纤维素、纤维素等组分的降解，提高后续纤维素、半纤维素糖化效率。这种方法反应条件温和、不造成环境污染、成本低等优势，是目前国内外研究的热点。但从国内外研究报道来看，生物法存在预处理时间较长、效率低、糖成份损失等缺点。

鉴于以上预处理技术存在的问题，迫切需要寻找一种新的预处理方法以获得较高的半纤维素转化率、较少的抑制产物和解除木质素对纤维素酶的屏障阻碍作用以及无效吸附来替代现有的方法，提高木质纤维素原料酶解效率。

发明内容

为克服上述物理法、化学法和生物法预处理工艺存在的问题，本发明提供一种能够有效提高木质纤维素原料中半纤维素转化率、木质素脱除率和纤维素酶解糖化率以及减少发酵抑制产物的方法。

本发明的另一目的在于提供一种匹配上述方法的系统。

本发明可以通过以下方式实现：

一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，将木质纤维素原料粉碎到5～60目的粒度后装入微生物处理池中，注入微生物菌液进行生物处理，所用微生物菌液为高效木质素降解微生物，生物处理条件为：按木质纤维素原料干重的5～10%，添加微生物菌液，加水至反应体系含水率达65～75%，温度25～35℃，处理5～10d，通气口打开。

所述的木质纤维素原料主要为玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆。