[发明专利]一种蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质精炼与生物质能源领域，涉及一种木质纤维生物质原料组合预处理方法，特别涉及一种高效分离蔗渣中生物质三大组分的组合预处理工艺，显著提高蔗渣酶解率和综合利用率。

背景技术

随着化石资源的日益枯竭，石油储量的日益减少，世界能源问题面临着严峻的考验，与之密切相关的石油化工行业也受到重要影响。据预测，2020年我国石油供需缺口将达到3.6亿吨，届时石油对外依存度将达到60%。加之化石资源的利用产生的环境污染与气候变暖，绿色新能源尤其是生物质能源的开发利用愈发受到重视。燃料乙醇是生物质液体能源物质的主要形式，也是化石燃料尤其是石油最可能的理想替代品，与传统能源相比，它既是一种清洁能源，又是一种可再生能源。大量试验表明，使用E10车用乙醇汽油(即变性燃料乙醇含量为10%的汽油)可使辛烷值提高3%，燃烧更加充分、彻底，减少一氧化碳排放25%-30%，减少二氧化碳排放约10%。目前，乙醇主要以粮食作物为生产原料，由于粮食紧缺问题日益突出，开发由木质纤维素等非粮作物原料生产第二代燃料乙醇的技术受到各国的巨大重视。

木质纤维素是地球上最丰富而廉价的可再生资源，其生成量每年高达2×10¹¹t，且利用后无额外CO₂排放。木质纤维素的生物转化对解决能源问题、缓解环境污染具有重要的现实意义，木质纤维生物质资源的利用及其生物化工过程被提到重要的地位。我国每年可利用的木质纤维素在7亿吨左右，主要来源于农林废弃物、工业废弃物和城市废弃物，但尚存在利用率较低的问题。蔗渣是甘蔗制糖工业的主要副产品，是甘蔗在经过多座压榨机提取蔗汁后剩下的甘蔗茎的纤维性残渣。干蔗渣产率一般为11.5%~13%，我国南方蔗区总产蔗量7000多万吨，蔗渣产量将达到700万吨以上。蔗渣的综合利用越来越受到国内外广泛的重视，将其转化为乙醇主要具有以下优点：①蔗渣作为发展燃料酒精原料，具有不与粮食争地，原料集中，贮运方便，是优选原料；②蔗渣的物理、化学成分均适合作酒精。

目前，木质纤维生物质资源转化液体燃料主要通过2条途径—热裂解和生物转化。其中，燃料乙醇的发酵生产由于具有产物得率高、品质好等优势，已经成为生物质资源开发的主攻方向。经过各国多年努力，以纤维素类资源酸法或酶法转化生产乙醇或其他化学品的技术研究已取得了重大进步，但利用生物技术转化纤维资源为乙醇，仍面临四个主要困难：①农业废弃物分布分散、比容低，收集、运输困难，原料成本高。②木质纤维结构复杂，纤维素的高度结晶性和木质化阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解，需要先进行预处理，显著增加了投资和成本。③与酸水解工艺相比，酶水解具有条件温和、不生成有毒降解产物、糖得率高等优点。但目前纤维素酶的比活力较低，酶用量大，成本较高。④半纤维素通常占20%～30%，较易水解，其水解产物主要是戊糖，不能被一般的酿酒酵母发酵成酒精，使得率较低。

世界各国研究利用木质纤维素生产乙醇目前都围绕以下几个关键技术进行：一是预处理工艺，即通过各种方法，如汽爆法、液态热水预水解、湿式氧化法、稀酸法或几种方法的组合，破坏纤维素、半纤维素与木质素的结构，使之松散，亦可使半纤维素水解；二是水解工艺，即通过酶法或酸法把纤维素、半纤维素水解成六碳糖和五碳糖；三是发酵工艺，选用特殊的共酵菌种对六碳糖和五碳糖进行发酵，生产酒精。近年，美国（NREL、马斯科马、波伊特、杜邦丹尼斯克等）、加拿大（Iogen、SunOpta等）、巴西（Dedini等）以及欧洲（Abengoa、Inbicon等）在纤维素乙醇的研究及产业化方面取得了较大进展，我国（包括中粮集团、河南天冠集团、安徽丰原集团、山东泽生等）虽然取得了一定的成果，但存在的差距还较大。但纤维素乙醇至今未能完全进入工业化生产，主要原因有三：一是纤维原料预处理的成本较高；二是纤维素酶解成本高；三是缺乏成熟、高效的戊糖发酵技术。这其中两个问题都直接与预处理有关。现有的各类预处理技术存在着许多不足，主要原因是在预处理技术的研究和开发中存在一系列问题：（1）针对单一组分预处理。如乙醇、制浆造纸行业重视纤维素的利用率，而木糖、木糖醇等行业则重视半纤维素的利用率；（2）预处理技术本身进行的基础性研究力度不够；（3）预处理成本高。