一種聯(lián)合處理提高木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化效率的方法以及高效制備乙醇的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種聯(lián)合處理提高木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化效率的方法以及高效制備乙醇的方法，屬于生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]木質(zhì)纖維素是地球上最豐富廉價的可再生資源，蘊儲著巨大的生物質(zhì)能。主要來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，森林廢棄物和城市廢棄物。隨著化石燃料的枯竭和環(huán)境的日益惡化，將木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖和木糖等，并進一步用于生物基化學(xué)品如燃料乙醇等能源產(chǎn)物的生產(chǎn)，受到日益關(guān)注。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸桿資源相當(dāng)豐富，年產(chǎn)近8億噸，然而長期以來，大部分秸桿被丟棄或焚燒，既浪費了資源又污染了環(huán)境，秸桿資源的合理綜合利用對于保護環(huán)境、緩解能源危機和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
[0003]以木質(zhì)纖維素為原料的第二代燃料乙醇一方面能緩解日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染問題，另一方面還能減少木質(zhì)纖維素原料的浪費，實現(xiàn)資源化利用。然而，在生產(chǎn)過程中如何提高木質(zhì)纖維素原料的水解率和利用率仍然是制約第二代燃料乙醇技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
[0004]木質(zhì)纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，其中，纖維素是由D-葡萄糖通過β -1，4糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的長鏈分子，長鏈分子進一步形成一種具有高度結(jié)晶區(qū)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。且纖維素被半纖維素和木質(zhì)素包裹鑲嵌，彼此之間相互纏繞形成復(fù)雜緊密的結(jié)構(gòu)，很難使纖維素酶直接降解其中的纖維素成分，因此需通過有效的預(yù)處理方式去除其中的木質(zhì)素，破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，增加比表面積，這也是成功進行燃料乙醇轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟和技術(shù)前提。
[0005]目前應(yīng)用較多的預(yù)處理方法有物理法如機械粉碎、微波處理、超聲波處理等，化學(xué)法如酸處理、堿處理、濕式氧化處理、臭氧處理等，物理化學(xué)法如蒸汽爆裂處理、以及生物法。但是傳統(tǒng)的單一預(yù)處理方法均很難將木質(zhì)纖維素原料中的木質(zhì)素降低到最低程度，對去除的木質(zhì)素回收利用未給予充分重視，且應(yīng)用較廣泛的酸預(yù)處理均會產(chǎn)生糠醛、ΗΜ等發(fā)酵抑制物，汽爆法成本高，產(chǎn)物復(fù)雜，有焦油形成。
[0006]中國專利文獻CN102758028A(申請?zhí)?01110104494.4)公開了一種預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料，再轉(zhuǎn)化為還原糖的方法。它采用液固比5-50，將木質(zhì)纖維素在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0-5%氫氧化鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0-5%的雙氧水的混合溶液中處理1-10小時，處理后所得固體殘留物用水洗滌烘干。然后在酸解時間10-120min，酸解溫度30_150°C，硫酸質(zhì)量濃度0-10%，液固比5-50處理得固體殘留物，調(diào)節(jié)pH值至7，然后烘干。該處理工藝可使木質(zhì)素有效去除，而且半纖維素在稀酸條件下水解得五碳糖，經(jīng)進一步反應(yīng)可得高附加值產(chǎn)品。
[0007]但上述方法用于木質(zhì)纖維素酶法水解的預(yù)處理過程中，酶解轉(zhuǎn)化率相對較低，無法滿足相關(guān)要求。考慮到不同預(yù)處理方式，將其進行組合，探索木質(zhì)纖維素預(yù)處理的新思路，突破傳統(tǒng)預(yù)處理方式的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種聯(lián)合處理提高木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化效率的方法。
[0009]本發(fā)明中的無氨基酸酵母氮源英文名稱:YNB，Yeast Nitrogen Base WithoutAmino Acids。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]—種聯(lián)合處理提高木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化效率的方法，包括步驟如下:
[0012](1)堿預(yù)浸提:取木質(zhì)纖維素原料浸泡于NaOH溶液，加熱至70?90°C，保溫預(yù)浸提0.5?3h，NaOH加量為0.03g-0.lg/g木質(zhì)纖維素原料，預(yù)浸提后不溶性的木質(zhì)纖維素原料固液分離去除可溶物，得預(yù)浸提后的木質(zhì)纖維素原料；
[0013](2)堿性H202處理:預(yù)浸提后的木質(zhì)纖維素原料與Η 202混合，Η 202加入量為0.025g-0.125g/g預(yù)浸提后的木質(zhì)纖維素原料，調(diào)節(jié)pH至10?12，然后于溫度28?35°C、轉(zhuǎn)速120?200rpm條件下，保溫反應(yīng)20?30小時，反應(yīng)后固液分離，得到堿性H202處理的木質(zhì)纖維素原料；
[0014](3)酶水解:將步驟⑵所得堿性H202處理的木質(zhì)纖維素原料調(diào)節(jié)pH至4?6，加入復(fù)合酶，攪拌均勻，于溫度40?60°C、轉(zhuǎn)速120?200rpm條件下，保溫酶解20?30小時，所述的復(fù)合酶為纖維素酶和半纖維素酶的混合酶，復(fù)合酶加入量為5-15酶蛋白/堿性H202處理的木質(zhì)纖維素原料，單位:mg/g，得木質(zhì)纖維素水解液。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，秸桿的質(zhì)量與水的體積之比為5?20:100，單位:g/mL。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，NaOH的加量為0.06-0.1/木質(zhì)纖維素原料，單位:g/g。最為優(yōu)選的NaOH的加量為0.08/木質(zhì)纖維素原料，單位:g/g。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)中固液分離為通過擠壓法將液體去除保留固態(tài)物質(zhì)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟⑵中，H202的加入量為0.05-0.125/玉米秸桿，單位:g/g°
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟⑵中，優(yōu)選pH為11.7，使用的pH調(diào)節(jié)劑為5mol/L的NaOH溶液。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中，反應(yīng)溫度30°C，轉(zhuǎn)速180rpm，反應(yīng)時間24小時。
[0021]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)中，優(yōu)選pH為5.2，使用的pH調(diào)節(jié)劑為質(zhì)量濃度72%
的硫酸。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)中，纖維素酶為纖維素酶Ctec2，半纖維素酶為半纖維素酶Htec2，纖維素酶Ctec2與半纖維素酶Htec2的蛋白質(zhì)比為0.73:0.27。
[0023]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)中，纖維素酶Ctec2蛋白含量為193mg/ml，半纖維素酶Htec2蛋白含量為172mg/ml。
[0024]纖維素酶Ctec2與半纖維素酶Htec2均為現(xiàn)有技術(shù)，市購產(chǎn)品，諾維信公司有售。
[0025]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，木質(zhì)纖維素原料木質(zhì)纖維素為粉碎后的玉米芯、玉米秸桿、麥桿、棉桿、稻草、油菜桿、甜高粱莖桿、甘蔗渣、木肩、廢紙和/或柳枝稷。
[0026]—種利用上述處理后得到的木質(zhì)纖維素水解液高效制備乙醇的方法，步驟如下:
[0027]取木質(zhì)纖維素水解液離心得上清液，向上清液中加入尿素和無氨基酸酵母氮源YNB，使尿素濃度為2?3.5g/L上清液，無氨基酸酵母氮源YNB濃度為1?2.5g/L上清液，混合均勻后，過濾除菌，加入釀酒酵母菌，于溫度28?35°C、轉(zhuǎn)速120?200rpm條件下，厭氧發(fā)酵100?150小時。
[0028]本發(fā)明優(yōu)選的，尿素濃度為2.27g/L上清液，YNB濃度為1.67g/L上清液。
[0029]本發(fā)明優(yōu)選的，過濾除菌為采用Millipore Stericup過濾器進行。MilliporeStericup過濾器為現(xiàn)有市購產(chǎn)品。
[0030]本發(fā)明優(yōu)選的，所述的釀酒酵母菌為釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae工程菌。
[0031]本發(fā)明優(yōu)選的，釀酒酵母菌的接種量為8?10%，優(yōu)選的，釀酒酵母菌的接種量為10%。
[0032]本發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的處理方法，先利用氫氧化鈉產(chǎn)生的0H-離子能夠削弱纖維素和半纖維素之間的氫鍵、皂化半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度；堿預(yù)浸提的木質(zhì)纖維素原料中富含纖維素和部分半纖維素，通過堿預(yù)浸提可以將很大一部分木質(zhì)素去除，通過進一步研究，堿預(yù)浸提后能有效減少堿性過氧化氫處理的時H202的用量，減少過氧化氫的無謂消耗，使過氧化氫能充分作用到剩余木質(zhì)素上，減少污染物的產(chǎn)生，并且能有效提高酶水解轉(zhuǎn)化效率。同時，整個過程不需要水洗的步驟，極大減少了廢水廢液的產(chǎn)生。
[0033]本發(fā)明的有益效果如下:
[0034]本發(fā)明的處理方法先進行堿預(yù)浸提，然后進行堿性H202處理大大提高木質(zhì)纖維素酶解轉(zhuǎn)化率，促使纖維素的糖轉(zhuǎn)化率進一步提高，該預(yù)處理過程簡單易行，不產(chǎn)生難處理的廢水。降低傳統(tǒng)堿性過氧化氫預(yù)處理H202的用量，同時能使Η 202更有效的作用于剩余木質(zhì)素上。
【附圖說明】
[0035]圖1、本發(fā)明實施例的處理方法與對比例的處理方法對葡萄糖轉(zhuǎn)化率影響的曲線圖；Η202加入量分別為0g、0.025g/g預(yù)浸提后的木質(zhì)纖維素原料、0.125g/g預(yù)浸提后的木質(zhì)纖維素原料。
[0036]圖2、本發(fā)明實施例的處理方法與對比例的處理方法堿浸提步驟中NaOH的加量對葡萄糖釋放濃度的影響的柱狀圖；NaOH加量分別為0.03g/g玉米秸桿，0.06g/g玉米秸桿，0.08g/g玉米稻桿，0.lg/g玉米稻桿。
[0037]圖3、本發(fā)明實施例的處理方法與對比例的處理方法堿浸提步驟中NaOH的加量對木質(zhì)素含量影響的柱狀圖；Na0H加量分別為0.03g/g玉米稻桿，0.06g/g玉米稻桿，0.08g/g玉米稻桿，0.lg/g玉米稻桿。
[0038]圖4、本發(fā)明實施例的處理方法與對比例的處理方法堿浸提步驟中秸桿濃度(秸桿的質(zhì)量與水的體積之比)以及NaOH的加量綜合對葡萄糖轉(zhuǎn)化率影響的柱狀圖；Na0H加量分別為0g，0.06g/g玉米稻桿，0.08g/g玉米稻桿，0.lg/g玉米稻桿，稻桿濃度分別為5%、10%、20%。
【具體實施方式】
[0039]下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。
[0040]Millipore Stericup 過濾器，市場產(chǎn)品。
[0041]纖維素酶Ctec2、半纖維素酶Htec2購自諾維信公司；
[0042]釀酒酵母Saccharomyces cerevisiae工程菌按以下途徑獲得，以市售安琪活性干酵母為出發(fā)菌株，將來源于樹干畢赤酵母的木糖還原酶、木糖醇脫氫酶及木酮糖激酶導(dǎo)入，然后用堿性過氧化氫預(yù)處理法處理玉米秸桿所產(chǎn)生的液體(內(nèi)含阿魏酸及對香豆酸等多種抑制物)進行定向馴化，得到能利用木糖并轉(zhuǎn)化成乙醇而且對抑制物有耐受性的工程菌株。
[0043]實施例1
[0044]一種聯(lián)合處理提高木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化效率的方法，包括步驟如下:
[0045]1)堿預(yù)浸提:玉米秸桿浸泡在NaOH溶液中80°C保溫lh。玉米秸桿的質(zhì)量與水的體積之比為5:100,單位:g/mL。NaOH加量為0.03gg/g玉米秸桿。預(yù)浸提后不溶性的玉米秸桿用2倍體積的去離子水沖洗將所有可溶物去除。通過擠壓法將液體去除保留固態(tài)物質(zhì)即為預(yù)浸提后的玉米秸桿。
[0046]2)堿性H202處