[发明专利]一种木质纤维素脱毒酶解方法

说明书

本发明涉及一种木质纤维素脱毒酶解方法。该方法利用芬顿试剂对玉米秸秆或杨木等木质纤维素进行预降解，随后加入纤维素酶进行酶解，从而完成木质纤维素的脱毒和酶解过程。本发明可以氧化木质素以及预处理所产生的酚类、醛类和弱酸类等小分子的发酵抑制物并破坏纤维素晶体结构，从而促进酶解和后续的发酵利用，并且该方法可在高固条件下直接进行，具有节水、高糖浓度、高效脱除抑制物和用料廉价等的优势。这是一种伴随抑制物脱除的木质纤维素降解产可发酵糖的新方法。

技术领域

本发明属于木质纤维素废弃物综合利用领域，具体涉及一种木质纤维素脱毒酶解方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和由于使用化石资源所引发的一系列环境问题，寻找清洁可再生能源日益突出其重要的地位。木质纤维素能作为重要的可再生能源，具有储量大、清洁可再生等特点，是重要的可再生资源之一。其中，将木质纤维素通过生物转化为乙醇或丁醇等能源物质是其重要的利用途径之一。

传统木质纤维素的酶解过程是在低固形物(固形物含量小于15％)环境中进行的，这导致酶解的最终糖得率较低进而导致发酵乙醇浓度较低，最终会直接导致乙醇的精馏成本大幅度增加，因此，低固环境的木质素纤维的乙醇转化经济型较差。为了解决这一问题，对木质纤维素的转化过程是建议在20％的固形物含量下进行具有较好的经济性的。因此必须高固酶解。然而高固酶解过程中由于水分含量低又会导致一系列问题，如：水本身作为传质介质，水分的稀少会导致反应体系中的传质性能降低，混合难度增大；水分含量少，而底物不变，这就导致抑制物的浓度间接增加，原有的抑制效应也会增强等等。

对于高固酶解过程中的抑制物，其主要来源于上游的预处理过程。木质纤维素底物复杂经过预处理后会产生大量的小分子抑制物(如乙酸、糠醛、5-HMF等)和原料本身固有的木质素等酶解抑制物。小分子抑制物会毒害发酵菌种致使发酵水平大幅度下降，而木质素等物质会与纤维素酶发生无效吸附，从而降低了酶解效率增加了酶用量。因此，对于以上负面因素必须寻找相应的解决手段。

芬顿试剂是一种高级氧化剂，具有极强的氧化能力可以将很多有机物氧化成无机物如二氧化碳和水等。目前为止，将芬顿试剂主要是用于污水处理领域。曾有专利报道实用芬顿试剂进行秸秆的预处理(一种秸秆生产乙醇的预处理方法和应用,CN106086084A)，但是这种方式是在低固形物环境中进行的，不适用于高固体系，此外这种方法需要进行水洗过程，这进一步破环了高固形物含量，进而无法直接实现高浓度糖的酶解过程。

当前脱除抑制物方法方面，人们开发了利用物理吸附方法如用活性炭吸附抑制物等手段，但是该类方法的缺点是用量大且会吸附可发酵糖进而导致经济性较差。此外，也有利用膜过滤方法进行脱除，但是操作压力较大，需要较高的设备投资。在化学脱除方面，往往添加碱类物质，可以达到酸类物质中和脱毒的效果，但是此类脱毒方法用碱量大、反应温度高，且脱除的抑制物种类有限，对呋喃醛类物质脱除效果较差。因此，寻找一种高效且脱毒范围广的脱毒方法非常有必要。有专利利用蒸发的方法进行脱除抑制物(一种利用木糖母液发酵生产丁二酸的方法,CN201510240649.5)，但是仅仅对挥发性抑制物有效，无法有效脱除一些不易挥发的抑制物；有专利使用生物的方法进行脱毒，但是这一方法会引入微生物，若进行酶解,还需要对底物进行灭菌，致使操作复杂成本较高，且加入微生物会额外消耗底物中的碳源，造成转化为乙醇的物料流失间接导致糖浓度的降低。为了解决上述问题，发明的目的在于实现利用芬顿试剂复配纤维素酶用于木质纤维素的脱毒并实现酶解过程。本专利通过设计出适用于木质生物质预降解的芬顿试剂，调配好的芬顿试剂是在特定的温度范围内进行反应，并且可以根据需要在反应结束后加少量的碱液进行中和，随后加入纤维素酶进行酶解。其次，由于不进行洗涤操作，极大节约了操作单元同时兼顾高收率、无污染的特点。本发明可以有效降解底物中小分子抑制物，并高效脱除了木质素，最终达到了提高酶解效率的同时实现底物脱毒，反应无需高温高压设备，对反应设备要求低。