[发明专利]一种木质纤维素糖化水解制备还原糖的方法

说明书

技术领域

本发明属于木质纤维素水解领域，尤其是利用纤维素复合酶高效降解纤维素为还原糖的领域。

背景技术

长期以来，传统化石能源消耗越来越大，储量越来越低，而过度利用化石能源，造成严重的温室效应等环境问题，这成为促进生物质能源兴起的关键因素。

生物能源中，燃料乙醇产业的发展速度快、发展力度最强，尤其是，以农林废弃物为原料生产燃料乙醇已成为研究开发的热点。这类技术主要包括木质纤维素水解糖化、酒精发酵及乙醇的提纯。其中，木质纤维素的糖化水解形成还原糖，是技术关键步骤，它占整个燃料乙醇生产成本的50％，制约着整个纤维素制备乙醇技术的发展进程。目前，纤维素制乙醇技术领域的关键，则主要集中于原料预处理、优化酶的复配及激活剂的添加等方面。所研究的最终目的都是为了降低酶的用量，提高还原糖得率及纤维素转化率以及经济效益。

由于木质纤维素的结构较复杂，细胞壁中的半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，纤维素镶嵌其中，造成纤维素复合酶与纤维素的有效接触面积减少；而且纤维素本身的结晶结构使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性，更增加了纤维素的降解难度。因此，对天然纤维素进行预处理的目的是，改变该木质纤维素的结构，适度破坏纤维素、半纤维素及木质素之间的难以被破坏的连接区域，降低纤维素的结晶度，降低木质素的含量，增加原料的疏松性，以增加纤维素酶系与纤维素的有效接触面积，从而提高还原糖得率。

玉米芯是剥取玉米颗粒后的残余物，是一种木质纤维素，通常采用燃烧、堆肥等处理方法得到部分利用。这种玉米芯经过机械破碎形成50～200目颗粒材料，该颗粒材料采用碱与过氧化物处理后，形成可酶解的纤维素原料。

现有技术用于纤维素预处理的常用方法有：酸、碱水解、蒸汽爆破、高温水热等。

纤维素复合酶的水解过程受水解温度、pH值、水解时间及底物性质与反应质量浓度等因素的影响。因此，筛选合适的反应条件，可以使纤维素复合酶得到最大化的利用。此外，酶的用量也非常关键，它直接制约着燃料乙醇的生产成本。采用酶的复配，如添加β-葡聚糖酶，不仅弥补了纤维素复合酶中β-葡聚糖酶酶活低的缺陷，而且可以避免产物抑制引起的纤维素转化率低。

现有技术如专利CN1806945公开了一种利用秸秆预处理和酶解工艺使秸秆纤维素酶解的方法。秸秆首先经汽爆处理，然后用热水洗涤，除去半纤维素多糖，干燥后与离子液体混合，微波加热或直接加热，然后将处理后的秸秆用水反复冲洗，洗涤液中的溶剂可通过蒸馏等方法回收。冲洗干净的处理秸秆在50.0℃，pH4.8的缓冲液中用纤维素酶解48.0～72.0小时，纤维素的酶解率达100％，但汽爆处理能耗较大，且设备要求高，成本较高。

现有技术如专利CN102115994公开了一种木质纤维素原料的处理方法，该方法通过粉碎，高度分散和高压破碎将木质纤维素原料分散到粒径为10～40μm，并通过酶的复配，添加β-葡聚糖酶和木聚糖酶，最终使水解率达95％～98％，但该方法预处理能耗大，预处理并没有使半纤维素得到有效的分离，经木聚糖酶得到的木糖，在后续的发酵过程中不能得到有效的利用。

针对木质纤维素的水解糖化工艺，现有技术存在的问题可归结为：(1)大多数预处理工艺对设备要求高，能耗高，成本高，并且不能将半纤维素得到很好的分离和利用。(2)大多数工艺中，未对纤维素复合酶的最佳反应条件进行试验，造成酶不能得到有效利用。(3)现有技术采用酶的复配技术，所添加酶的种类较多，但其应用有效性和成本没有得到充分考虑。这些现有技术的问题导致迄今仍不能规模化有效处理和经济性转化木质纤维素，显著降低现有技术的创造性和实用性。

由于木质纤维素各品种之间结构的差异性以及半纤维素形态与分布的不同，对它们采用的处理方法也不相同。尤其是，处理木屑与处理玉米芯的方法，就有很大差异。

针对现有技术的问题，尤其是现有处理木质纤维素技术未能有效利用酶的问题，本发明技术提出在预处理木质纤维素时采用非离子型表面活性剂，促进酶的有效分散，主要是基于纤维素复合酶与反应底物中的木质素无效吸附，会造成部分酶的失活问题而提出的有效方法。

本发明所述的非离子型表面活性剂，可以优先与木质素进行吸附结合，优先占据木质素活性反应位置产生占位效应，避免了酶的浪费，减少了纤维素的转化成本，提高还原糖的得率。

发明内容