一种蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法

摘要

本发明公开了一种蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：稀硫酸预浸；汽爆处理；热水洗涤；抽提；酶解。本发明所述组合预处理方法基于蔗渣中半纤维素、纤维素、木质素三组分的不同物理化学性质及结构特点，利用稀酸预浸-蒸汽爆破预处理充分降解、分离半纤维素成分，保留大部分纤维素和木质素，然后利用低级醇-碱水体系抽提木质素，剩余为高纤维素含量的残渣，其在较低的酶添加浓度下，酶解率显著增加，提高了蔗渣生物质资源的转化和综合利用率。

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。

生物精炼的概念由石油精炼衍生而来。石油精炼即从复杂的原油中分离出各种石油化学品，生物质与石油一样具有复杂的化学组成，生物精炼即综合利用各领域的技术将生物质转化为燃料、能源、材料、医药、精细化学品等。充分吸收生物精炼的思想存在两个必要性：一是实现木质纤维原料微生物转化的需要，二是回收利用半纤维素、木质素的需要。木质纤维素由纤维素（35-50％）、半纤维素（约20-35％）和木质素（约10-25％）组成，三组分通过特定的方式交联在一起所形成的类似于钢筋混凝土的稳定的复杂结构及纤维素分子的高结晶度，使得纤维素很难被水解，从而增加了利用的难度并导致加工成本增加。当前有很多研究集中在木质纤维原料的预处理上，目的是去除木质素和半纤维素对纤维素的保护作用和破坏纤维素大分子之间的晶体结构，以提高纤维素的酶解转化率。如果仅仅保证纤维素的利用而将近一半的半纤维素和木质素抛弃则很难实现木质纤维素的充分利用，从而使整体加工转化成本居高不下。

发明内容

本发明的目的是针对目前木质纤维素制备乙醇路线中普遍存在的分离效果差、转化效率与综合利用率低、产业化潜力不足等瓶颈，提出一种新的组合预处理工艺。

实现上述目的的技术方案如下：

一种蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：

（1）稀硫酸预浸：含水量为0%~15%蔗渣按固液比（W/V）1:30~60加入浓度为0.1%~1.0%稀硫酸，搅拌、浸泡20~60min，过滤分离；

（2）汽爆处理：将步骤（1）稀硫酸预浸后的蔗渣装入蒸汽爆破罐中进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力为1.5~2.2MPa，压力稳定后维持时间为2~10min，瞬间泄压放料实现爆破，分离；

（3）热水洗涤：将步骤（2）汽爆处理后的蔗渣按固液比（W/V）为1:10~30加入45℃~70℃热水重复洗涤蔗渣中可溶性水解物，洗涤次数为1~3次，洗涤后过滤分离；洗涤液可用于提取制备木糖，也可经过常规处理后用于乙醇发酵；

（4）抽提：将步骤（3）中热水充分洗涤后的残渣按固液比（W/V）为1:20~50与低级醇—碱水体系混合，然后置于反应釜中于110℃~190℃高温搅拌抽提10~90min，混合物冷却后过滤分离，滤液可用于制备木质素；

（5）酶解：于步骤（4）过滤后收集的抽提残渣中加入适量的醋酸/醋酸钠缓冲液，使得抽提残渣（干重）终浓度为2%~8wt%，同时加入纤维素酶制剂，于46℃~50℃条件下恒温搅拌、酶解，即得到糖化液。

进一步地，所述的低级醇是甲醇、乙醇中的任意一种或其混合；特别地，是甲醇、乙醇的混合，所述的甲醇与乙醇的混合体积比为1:5~10。    所述的碱水是氢氧化钠、氢氧化钙、NH₃中的任意一种的水溶液。所述的碱水的pH值范围为9.0~14.0。

所述的低级醇-碱水体系中低级醇与碱水的体积比为1:0.25~4。

进一步地，所述的纤维素酶制剂包括酸性纤维素酶和β-葡萄糖苷酶。所述的纤维素酶制剂的添加量是酸性纤维素酶10~40FPU/g蔗渣，β-葡萄糖苷酶5~20CBIU/g蔗渣。所述的酶解时间是24~72小时。所述的醋酸/醋酸钠缓冲液pH为4.6~5.0。

优选地，步骤（1）中所述稀硫酸的浓度为0.5%~0.8%。步骤（2）中所述蒸汽压力为1.6~1.8MPa，压力稳定后维持时间为6~8min。

现有的木质纤维素原料的预处理工艺通常将原料视为单一资源，针对单一组分预处理，或仅注重纤维素成分的利用，或仅注重半纤维素成分的利用。如燃料乙醇、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，存在资源浪费严重、环境污染大、转化效率低、生产成本居高不下等众多缺陷，难以突破产业化潜力不足的瓶颈。形成的预处理工艺多使用单一的技术，存在着许多不足，例如酸预处理或蒸汽爆破仅去除半纤维素，碱预处理除去木质素和部分半纤维素，无法同时实现三大组分快速、高效分离的目的；且水解糖化时酶使用量大，糖化效率低，酶解率通常低于70%，预处理成本高。本发明所述预处理方法基于蔗渣中半纤维素、纤维素、木质素三组分的不同物理化学性质及结构特点，利用稀酸预浸-蒸汽爆破预处理充分降解、分离半纤维素成分，保留大部分纤维素和木质素，然后利用低级醇-碱水体系抽提汽爆蔗渣中的木质素，剩余为高纤维素含量的残渣，其在较低的酶添加浓度下，酶解率显著增加，提高了蔗渣的转化和综合利率。

与现有技术相比，本发明提供的方法具有高效可靠、清洁无污染、低能耗、低水耗、低排放、低成本等优点，具体如下：

（1）预处理过程快捷、清洁、高效，充分分离了原料中的半纤维素、纤维素和木质素，为实现生物质资源的综合高效利用奠定了基础。

（2）半纤维素和木质素的分离使得蔗渣酶解效率大大增加，预处理蔗渣60小时酶解率可达到90%以上；减少了纤维素酶的消耗，降低了生产成本。

（3）以该预处理方法为基础建立的工艺路线具有很高的灵活性，可实现乙醇、（低聚）木糖、木质素联产，与生产单一燃料乙醇产品相比，经济效益显著增加。

（4）纤维素酶制剂除了酸性纤维素酶外，还额外添加了β-葡萄糖苷酶，降低了纤维二糖对纤维素酶的反馈抑制作用，提高了糖化过程的得率和效率。

（5）设备投资及建设费用不高，生产成本低，产业化潜力大，同时有很好的经济、社会效益。

具体实施方式

本发明所述方法蔗渣首先在稀硫酸中浸泡，然后蒸汽爆破，再加入热水洗涤汽爆蔗渣中的水溶性水解物，水洗液主要含半纤维素水解产物，主要是戊糖及低聚戊糖；洗涤后的汽爆蔗渣与低级醇-碱水体系混合进行高温抽提以分离木质素，过滤收集的抽提残渣主要成分为纤维素，加入纤维素酶制剂酶解得到糖化液，糖化液添加营养成分后即可用于酒精发酵。本发明提出的方法汽爆后蔗渣中半纤维素回收率为70%左右，纤维素回收率在90%左右，木质素回收率为75%以上，纤维素酶解率一般可达90%以上。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。但本发明的保护范围不能认为仅局限于下述具体实施方式。在不脱离本发明基本构思的前提下，所属领域的技术人员据此做出的简单推演或同等替换方案，均属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例所述蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：

（1）称取含水量为12%的蔗渣100g，按固液比（W/V）1:30加入浓度为1%稀硫酸3000mL，搅拌、浸泡60min，过滤分离；

（2）将预浸后的蔗渣装入蒸汽爆破罐中进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力为1.5MPa，维持时间为10min，瞬间泄压，分离，收集；

（3）将汽爆蔗渣按固液比（W/V）1:10加入45℃热水1000mL洗出可溶性水解物，每次10min，洗涤3次，过滤分离；洗涤液经过中和、脱色、浓缩、离子交换去杂、结晶等常规过程可制备木糖，也可经过中和、浓缩、Ca(OH)₂脱毒或离子交换去杂等常规方法后用于乙醇发酵；半纤维素回收率（以木糖计）为67%；

（4）将洗涤后的残渣按固液比（W/V）1:20与2000mL低级醇-碱水体系（乙醇与pH=14氢氧化钠溶液混合体积比为1:0.25）混合，于110℃高温搅拌抽提90min，冷却后过滤分离，滤液经浓缩回收醇溶剂、酸化结晶等步骤可得到木质素；木质素回收率为78%，纤维素回收率（以葡萄糖计）为86%；

（5）于过滤收集的抽提残渣46g（干重）中加入530g pH=4.6醋酸/醋酸钠缓冲液，使得抽提残渣终浓度为8wt%，同时加入纤维素酶制剂，所述的纤维素酶制剂包括酸性纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，其中酸性纤维素酶添加量为11.5mL（酶液活力120FPU/mL；添加比例30FPU/g残渣），β-葡萄糖苷酶添加量为4.6mL（酶液活力100CBIU/mL；添加比例10CBIU/g残渣），于46℃恒温搅拌，酶解72小时，得到糖化液，还原糖浓度为64.8g/L，纤维素酶解率达到92%。

实施例2

本实施例所述蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：

（1）取含水量为8%的蔗渣200g，按固液比（W/V）1:60加入浓度为0.1%稀硫酸12000mL，搅拌、浸泡20min，过滤分离；

（2）将预浸后的蔗渣装入蒸汽爆破罐中进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力为2.2MPa，维持时间为2min，瞬间泄压，分离，收集；

（3）将汽爆蔗渣按固液比（W/V）1:30加入70℃热水6000mL洗出可溶性水解物，每次10min，洗涤1次，过滤分离，洗涤液经过中和、脱色、浓缩、离子交换去杂、结晶等过程可制备木糖，也可经过中和、浓缩、Ca(OH)₂脱毒或离子交换去杂后用于乙醇发酵；半纤维素回收率（以木糖计）为65%；

（4）将洗涤后的残渣按固液比（W/V）1:50与10000mL低级醇-碱水体系（甲醇与pH=9氢氧化钙溶液混合体积比为1:1.5）混合于190℃高温搅拌抽提10min，冷却后过滤分离，滤液经浓缩回收醇溶剂、酸化结晶等步骤可得到木质素；木质素回收率为75%，纤维素回收率（以葡萄糖计）为87%；

（5）于过滤收集的抽提残渣98g（干重）中加入4800g pH=4.6 醋酸/醋酸钠缓冲液，使得抽提残渣终浓度为2wt%，同时加入纤维素酶制剂，其中酸性纤维素酶添加量为32.7mL（酶液活力120FPU/mL；添加比例40FPU/g残渣），β-葡萄糖苷酶添加量为19.6mL（酶液活力100CBIU/mL；添加比例20CBIU/g残渣），于50℃搅拌酶解24小时，得到糖化液，还原糖浓度为15.4g/L，纤维素酶解率为91%。

实施例3

本实施例所述蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：

（1）称取含水量为9%的蔗渣100g，按固液比（W/V）1:40加入浓度为0.5%稀硫酸4000mL，搅拌、浸泡35min，过滤分离；

（2）将预浸后的蔗渣装入蒸汽爆破罐中进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力为1.6MPa，维持时间为8min，瞬间泄压，分离，收集；

（3）将汽爆蔗渣按固液比（W/V）1:20加入2000mL 60℃热水洗涤可溶性水解物，每次10min，洗涤3次，过滤分离，洗涤液经过中和、脱色、浓缩、离子交换去杂、结晶等过程可制备木糖，也可经过中和、浓缩、Ca(OH)₂脱毒或离子交换去杂后用于乙醇发酵；半纤维素回收率（以木糖计）为74%；

（4）将洗涤后的残渣按固液比（W/V）1:35与3500mL低级醇-碱水体系（甲醇:乙醇=1:5，低级醇与pH=12氨水溶液混合体积比为1:4）混合，于155℃高温搅拌抽提30min，冷却后过滤分离，滤液经浓缩回收醇溶剂、酸化结晶等步骤可得到木质素；木质素回收率为79%，纤维素回收率（以葡萄糖计）为91%；

（5）于过滤收集的抽提残渣49g（干重）加入768g pH=4.8的醋酸/醋酸钠缓冲液，使得抽提残渣终浓度为6wt%，同时加入纤维素酶制剂，其中酸性纤维素酶添加量为4.1mL（酶液活力120FPU/mL；添加比例10FPU/g残渣），β-葡萄糖苷酶添加量为2.5mL（酶液活力100CBIU/mL；添加比例5CBIU/g残渣），于48℃搅拌酶解60小时，得到糖化液，还原糖浓度为49.1g/L，纤维素酶解率为94%。

实施例4

本实施例所述蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：

（1）称取含水量为0%的蔗渣100g，按固液比（W/V）1:50加入浓度为0.8%稀硫酸5000mL，搅拌、浸泡35min，过滤分离；

（2）将预浸后的蔗渣装入蒸汽爆破罐中进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力为1.8MPa，维持时间为6min，瞬间泄压，分离，收集；

（3）将汽爆蔗渣按固液比（W/V）1:30加入2000mL 50℃热水洗涤可溶性水解物，每次10min，洗涤1次，过滤分离，洗涤液经过中和、脱色、浓缩、离子交换去杂、结晶等常规过程可制备木糖，也可经过中和、浓缩、Ca(OH)₂脱毒或离子交换去杂等常规方法后用于乙醇发酵；半纤维素回收率（以木糖计）为76%；

（4）将洗涤后的残渣按固液比（W/V）1:40与4000mL低级醇-碱水体系（甲醇:乙醇=1:10，低级醇与pH=12氢氧化钠溶液混合体积比为1:1）混合，于140℃高温搅拌抽提20min，冷却后过滤分离，滤液经浓缩回收醇溶剂、酸化结晶等步骤可得到木质素；木质素回收率为75%，纤维素回收率（以葡萄糖计）为92%；

（5）于过滤收集的抽提残渣55g（干重）加入1045g pH=4.7的醋酸/醋酸钠缓冲液，使得抽提残渣终浓度为5wt%，同时加入纤维素酶制剂，其中酸性纤维素酶添加量为9.2mL（酶液活力120FPU/mL；添加比例20FPU/g抽提残渣），β-葡萄糖苷酶添加量为5.5mL（酶液活力100CBIU/mL；添加比例10CBIU/g抽提残渣），于49℃搅拌酶解48小时，得到糖化液，还原糖浓度为41.9g/L，纤维素酶解率为94%。

实施例5

本实施例所述蔗渣生物质组分高效分离的组合预处理方法，主要包括以下步骤：

（1）取含水量为4%的蔗渣200g，按固液比（W/V）1:60加入浓度为0.7%稀硫酸12000mL，搅拌、浸泡20min，过滤分离；

（2）将预浸后的蔗渣装入蒸汽爆破罐中进行蒸汽爆破处理，蒸汽压力为1.75MPa，维持时间为7min，瞬间泄压，分离，收集；

（3）将汽爆蔗渣按固液比（W/V）1:20加入70℃热水4000mL洗出可溶性水解物，每次10min，洗涤3次，过滤分离，洗涤液经过中和、脱色、浓缩、离子交换去杂、结晶等过程可制备木糖，也可经过中和、浓缩、Ca(OH)₂脱毒或离子交换去杂后用于乙醇发酵；半纤维素回收率（以木糖计）为72%；

（4）将洗涤后的残渣按固液比（W/V）1:50与10000mL低级醇-碱水体系（甲醇:乙醇=1:7，低级醇与pH=12氢氧化钠溶液混合体积比为1:0.5）混合于160℃高温搅拌抽提50min，冷却后过滤分离，滤液经浓缩回收醇溶剂、酸化结晶等步骤可得到木质素；木质素回收率为76%，纤维素回收率（以葡萄糖计）为89%；

（5）于过滤收集的抽提残渣103g（干重）中加入2472g pH为5.0醋酸/醋酸钠缓冲液，使得抽提残渣终浓度为4wt%，同时加入纤维素酶制剂，其中酸性纤维素酶添加量为17.1mL（酶液活力120FPU/mL；添加比例20FPU/g抽提残渣），β-葡萄糖苷酶添加量为8.2mL（酶液活力100CBIU/mL；添加比例8CBIU/g抽提残渣），于50℃搅拌酶解36小时，得到糖化液，还原糖浓度为33.8g/L，纤维素酶解率为95%。

以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。