[发明专利]一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法

说明书

本发明公开了一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法，该方法是将木质纤维原料采用过氧柠檬酸预处理脱除木质素后，进行酶解糖化，糖液微生物发酵制备纤维素乙醇，实现提高酶解糖化效率和乙醇产率的目的；本发明方法可以有效脱除木质纤维生物质细胞壁结构中的木质素组分，保留纤维素和半纤维素组分，继而可提高后续糖基化合物和乙醇发酵的效率，实验结果显示葡萄糖、木糖和乙醇得率都显著提高，且本发明具有酸用量低、反应条件温和和纤维素半纤维素转化效率高的特点，所使用的过氧柠檬酸具有低的挥发性和腐蚀性；该方法是一种绿色的生物质细胞壁结构有序拆分的方法，适合工业化生产和市场推广应用。

技术领域

本发明属于木质纤维原料预处理和酶解糖化技术领域，具体涉及一种提高木质纤维原料酶解糖化效率和乙醇产率的方法。

背景技术

随着现代工业的发展及世界人口的激増，能源危机、粮食危机、环境危机日益加剧，寻找可再生的绿色能源替代日益枯竭的化石能源迫在眉睫。与化石能源相比，生物质能源是一种更为清洁的能源，主要包括燃料乙醇、生物柴油和合成气体等，其中燃料乙醇作为一种安全、清洁的运输燃料和汽油添加剂，被认为是目前最具有发展前景的液体燃料。传统的乙醇发酵主要以糖类和淀粉类粮食作物为原料，由于原料来源存在争议，且原料成本占总成本的60%左右，因此相继展开以木质纤维原料生产生物燃料和化工产品的生物炼制技术的研究与开发。

以木质纤维原料制备燃料乙醇及糖基化合物主要经过原料预处理、纤维素酶水解、糖液发酵和酒精蒸馏等过程。原料预处理是去除生物质天然抗降解屏障的有效方法，通过预处理，可以降低纤维素的结晶度，增加纤维原料的多孔性，脱除木质素和半纤维素的保护作用，增加酶与底物的可及性，从而提高后续的酶解糖化效率。一般地，生物质未经预处理时酶解效率不到20%，经预处理后酶解效率提高到80%以上。目前预处理的方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法。物理法包括机械碾磨和辐射，通过减小生物质尺寸来提高纤维素的酶解转化效率，存在设备要求和成本较高，难以实现大规模工业化生产等问题。化学预处理包括酸、碱和有机溶剂预处理。酸处理采用浓酸或稀酸溶解生物质中的半纤维素糖。酸处理对设备腐蚀强，操作和维护成本高，且回收困难，易造成环境污染；同时由于其反应强烈，导致产生的单糖进一步降解成后续发酵过程的抑制物。碱处理采用NaOH、KOH、Ca(OH)₂和氨水等碱溶液去除木质素和部分半纤维素，碱处理去除木质素的效果较好，且更容易断裂木质素、纤维素和半纤维之间的酯键连接，但碱处理后的生物质需要耗费大量的水洗涤才利于后续纤维素酶水解，并且碱处理液会造成环境污染。有机溶剂预处理是采用醇、酸和酮等多种有机溶剂在100-250℃范围内去除大部分的木质素和半纤维素，保留纤维素的过程，存在有机溶剂成本及回收成本高，并且有机溶剂处理需要在完全密封的装置中进行等问题。物理化学预处理主要为蒸汽爆破，它可以使原料中大部分半纤维素和部分木质素发生降解，降低木质纤维原料的尺寸，相对机械预处理节约能量，相对化学预处理环境污染较小；其缺点在于半纤维素或木质素的降解物会对下游工艺中菌种或酶有抑制作用。为了使蒸汽爆破的效果更好，常将SO₂、CO₂和液氨等化学试剂与蒸汽爆破预处理结合，成为SO₂/CO₂爆破处理和氨纤维爆破处理。生物预处理是利用微生物或微生物产生的酶来降解生物质的一种预处理方法，由于微生物生长缓慢，预处理周期长，导致在木质纤维素预处理过程中尚不能大规模应用。尽管四大类生物质预处理方法已经在实验室中得到发展，但仍然存在预处理能耗高、纤维素和半纤维素糖的转化效率低和经济成本高等问题。因此如何提高预处理的效率和降低预处理成本已成为木质纤维生物质制备生物乙醇研究的核心目标。