專利名稱：一種經濟高效轉化農秸稈纖維素糖的工業(yè)甘油常壓預處理方法
技術領域：
本發(fā)明屬于農作物秸稈生物質生化工程領域，由于天然秸稈不均一和結構 復雜致密性，導致天然秸稈的酶解和可發(fā)酵性差，難以高值化利用。因而找尋到 一種經濟可行、簡單高效和環(huán)境友好的預處理方法來解脫半纖維素-木質素對纖 維素的束縛，增加纖維素-糖的轉化率和轉化量是纖維素生物質高值利用的瓶頸。 本專利以油脂工業(yè)的副產品——工業(yè)甘油作為常壓蒸煮溶劑預處理農作物秸稈， 大大提高了秸稈的可酶擊性，實現了秸稈纖維素糖的高效轉化，有利于秸稈進一 步高值化利用。
背景技術：
存在于秸稈中的非水溶性木質纖維素很難被微生物或酶水解，主要是因為纖 維素的結晶度、聚合度、表面積以及將纖維素分子致密包埋于其中的半纖維素-木質素復合結構，影響酶與纖維素分子的接觸，致使酶對纖維素的攻擊變得困難， 阻礙了纖維素的水解。因此，為了使來自天然可再生資源的生物基產品(bio-based products or bioproducts)比傳統(tǒng)的石化產品(petroleum-derived commodies)更具經 濟優(yōu)勢，構建經濟高效(eco-efficient)、環(huán)境友好的預處理和速效酶轉化以發(fā)揮纖 維質廉價轉化為一系列糖的潛力，就成為纖維素糖平臺(SugarPlatform)的關鍵。近年來，可再生資源的有機溶劑(醇、酮、二醇、酯和有機酸等)處理技術，尤其是小分子醇類，與傳統(tǒng)化學制漿相比，具有無化學試劑使用、溶劑可循環(huán)利 用、環(huán)境友好和投資少的優(yōu)點，因而引起了國內外廣泛的研發(fā)興趣，比如乙醇水 溶液制漿(Alcell)、醋酸制漿、蘇打催化乙醇制漿(MDOrganocell)、甲醇-蘇打-泛 醌制漿(Organocell)、丙酮-7夂制漿(Jimenez L et al, Process Biochemistry, 33:401-408(1998) and Ind. Eng. Chem. Res., 40:6201-6206 (2001))等等。尤以乙醇 和醋酸制漿的研究最為廣泛并在一定程度上取得了成功(Pan X J et al， biotechnol. Bioeng., 90:473-481(2005); Abad S et al., J. Chem. Technol. Biotechnol., 76:1117-1123(2001))。研究表明乙醇制漿可脫去木材中75%以上的木質素，而 且乙醇纖維素的纖維素糖轉化效率很高，酶解24h便可達到82。/。左右。但是，目 前由于乙醇等低沸點有機溶劑處理工藝存在著高壓運行和溶劑易揮發(fā)泄露、易燃 易爆等危險，需要設備耐高壓、密封性好，不允許有任何的泄漏，因而給實際生 產的設備和操作安全性帶來了很大挑戰(zhàn)。所以，這些研究大多仍處于實驗室、中 試或小規(guī)模生產階段(Rodriguez F et al (1998)， Recent Res. Dev. Chem. Eng.; Jimenez L et al (1998)， Afinidad)。在此基礎上，國內學者陳為健和程賢甦等人CN 1424459A， CN 1680413A) 用1.4-丁二醇作為高沸有機溶劑對纖維質制漿和組分分離進行了廣泛的研究，分 離得到的纖維部分用于制漿造紙，而且1.4-丁二醇木質素較好地保留了木質素的 原有化學活性,它可以與醛類或酚類發(fā)生化學反應，通過進一步改性HBS木質素 在材料科學與工程科學領域中具有潛在的應用價值，有很好的應用前景。但目前 的研究開發(fā)是在需要加酸類催化劑，也是在加壓條件下進行的。同時，1.4-丁二 醇的市場價格目前比較高，大規(guī)模工業(yè)化生產時降低成本可能比較困難。另外， 不同溶劑處理獲得的木質纖維素的理化性質不同，比如乙醇制漿獲得纖維素有較好的酶解效果，但醋酸纖維素的酶解效果就差一些(Pan XJ et al, Holzforschung, 60: 398401(2006》。甘油作為一種有甜味、無毒有機溶劑，它的高沸點高達2卯'C，可與水任意 混溶，在生物柴油工業(yè)中它是植物油或動物油通過酯化作用生產生物柴油時的主 要副產品，每3mol生物柴油就有l(wèi)mol甘油生成，即在生物柴油工業(yè)中甘油副產 品的生產約為生物柴油的1/10。盡管高純度(99%以上)甘油在化妝、食品和醫(yī) 藥工業(yè)有著廣泛的應用，但對于生物柴油的副產品粗甘油來說，由于僅有70-80% 純度使它難以高值利用，進一步分離純化達到99%以上需要數道工序，無論從經 濟成本還是技術層面上對于中小企業(yè)來講都是非常困難的，所以實際生產中它通 常用于燃燒預熱植物油原料。但當今世界基于生態(tài)環(huán)境和能源安全的考慮，以各 種可再生資源生產生物柴油實現石化能源替代，成為各國政府、學者和企業(yè)家的 共識。因而生物柴油生產裝置不斷上馬和生物柴油產量迅猛發(fā)展(de Guzman D. Chemical Market R印orter， February 7， 2005; January 24， 2005)，生物柴 油銷售量預計每年將達到20億加侖(US Department of Energy,2004)，這將導致粗 甘油的產量急劇上升到20億磅，與2004年世界甘油需求約5億磅(Chemical Market Reporter, New York, December, 2001)相比，將出現嚴重的供大于求；同時 甘油市場價格也已經由1995年的每噸2千多美元跌至1, 000美元左右,預計2010 年將跌至每噸700美元左右(Tyson, K. Shaine， - NREL，歷o^e化/ i <&D尸ote"rifl/. Presentation at the Montana Biodiesel Workshop, October 8， 2003)。國內甘油市場4介 格也越來越低，目前工業(yè)級甘油價格在5，000RMB/t左右。所以必須為低值工業(yè) 甘油的經濟利用探索出新路子。這樣也有助于彌補生物柴油的一部分生產成本。國際上僅有Demirbas A (Bioresour Technol 63:179-185 (1998); Energ Convers6Manage 45:983-994 (2004))基于可再生林木資源制槳造紙和能源方面的考慮，開 展了甘油作為有機溶劑對木材進行制漿脫除木質素和液化汽化方面研究。甘油水 溶液對幾種木屑脫木素制槳研究的初步結果表明，甘油作為多醇類有機溶劑能夠 很好地從纖維素上剝落木質素，自催化和酸催化時可分別脫去47.9-76.8和 55. 5-88. 0%的木質素，使之溶于甘油溶液中，但酸催化時纖維素容易發(fā)生降解。 不過未見甘油制漿應用性(造紙、可酶解性或生物轉化性能)的進一步研究報道 和其他人進行甘油預處理方面的資料。國內目前尚未開展甘油預處理木質纖維類 生物質的研究?；诖?，我們在國內率先嘗試開展以生物柴油工業(yè)的甘油副產物作為常壓蒸 煮溶劑，預處理農作物秸稈進行組分分離和生物轉化方面研究。先前，我們把秸 稈汽爆處理和洗滌分離出半纖維素后，再在甘油中進行微波輻射處理以脫除木質 素，從而實現組分分離和提高了木質纖維素的酶解率，取得了一些很有意義的結 果，并已經遞交了專利申請(陳洪章&孫付保，專利申請?zhí)?00610113216.4)。 在此基礎上，本專利擬公開一種以生物柴油等油脂工業(yè)的副產品——工業(yè)甘油作 為常壓蒸煮的有機溶劑，自催化預處理自來水浸泡充分的農作物秸稈，顯著提高 木質纖維素糖轉化的新型方法。該預處理技術不是利用甘油水溶液，而是秸稈先用自來水浸泡潤脹后直接加 入工業(yè)甘油，利用甘油良好的溶解性和易揮發(fā)性，在加熱蒸煮時通過甘油進入秸 稈纖維和水從秸稈纖維中蒸發(fā)出來的逆向運輸，達到分離、水解或溶解秸稈中的 木質素，使得木質素與纖維素充分高效的分離，從而完成了對秸稈的選擇性預處 理。預處理產生的溶液可以通過調pH靜置沉淀分離出木質素，甘油通過減壓濃 縮分離后再反復循環(huán)利用，無廢水或少量排放，能夠從源頭上規(guī)避污染，從而形成了幾乎"零排放"的封閉循環(huán)系統(tǒng)，是一種簡單方便、經濟高效、操作安全和 環(huán)境友好的生物質生化工程預處理技術。發(fā)明內容本發(fā)明目的在于提供一種工業(yè)甘油作為高沸有機溶劑常壓預處理農作物秸 稈類生物質，顯著提高木質纖維素糖轉化的新方法。即自來水充分浸泡后的秸稈 放入蒸煮器中，加入工業(yè)甘油常壓快速升溫至目標溫度。常壓預處理一段時間后 停止加熱，冷卻降溫，加入甘油水溶液攪拌降溫充分溶解、洗滌過濾，即可獲得 處理后的秸稈纖維(甘油纖維素)。濕的甘油纖維素直接作為底物，加入適量纖 維素酶和緩沖溶液進行酶解，即可獲得纖維素糖。本發(fā)明工業(yè)設備簡單、預處理 周期短、幾乎無廢水排放，甘油和水都可以循環(huán)利用，而且預處理后可以分離提 取出甘油木質素。在規(guī)避環(huán)境污染，實現農作物秸稈類生物質的纖維素和木質素 分級分離的同時大大提高了纖維素糖轉化效率，經濟可行性很強。 技術方案如下1. 工業(yè)甘油蒸煮將麥草、水稻、玉米等農作物秸稈碎至長10-20mm，用 自來水充分浸泡潤漲20-40h后，濾去多余水，使秸稈吸水量約4-6ml/g干秸稈。 把濕秸稈裝入蒸煮器中，加入工業(yè)甘油攪勻，常壓升溫蒸煮，升溫時間30-45min， 蒸煮溫度180-260°C，蒸煮時間為1-6h。蒸煮完畢后，冷卻降溫，降溫至110-140 。C時，緩緩加入5-20倍秸稈干料重量的溫度為90-12(TC，濃度為30-60%甘油溶 液后，快速攪拌充分溶解并繼續(xù)冷卻降溫至60-9(TC，開始過濾。2. 洗滌過濾得漿蒸煮完畢充分溶解和冷卻降溫后，用G3砂芯漏斗抽濾，并用溫度為40-80。C，濃度為30-60%甘油-水溶液(20倍秸稈干重)洗滌、抽濾 兩次，再用溫度為40-8(TC熱水洗脫抽濾3-4次(每次20倍秸稈干重的重量)。 洗滌完畢后，獲得的濾餅即為甘油纖維素。預處理后獲得甘油纖維素為秸稈干重 的45—65%，可以進行酶解或微生物發(fā)酵。3.甘油纖維素的酶解濕的濾餅按固體濃度2e/c加入0.2M， pH4.8醋酸緩沖 液，然后再按每克干底物11-88FPU加入纖維素酶量搖勻后，在50°C， 180-220rpm 振蕩酶解24-72h。定期取樣測定糖。通過酶解率比較秸稈經預處理后的酶可擊性 和微生物可發(fā)酵性，從而評估預處理效果。24h的纖維素糖轉化量可達到85-95%， 48h的纖維素糖轉化能達到90—98%。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。 實施例1:將長度為10-20mm重量10g的玉米秸稈用自來水充分浸泡潤漲后除去多于 水分至每克干秸稈含水40-60ml。然后把濕秸稈放入蒸煮器中，加入100g甘油 攪拌均勻后，于功率800-1200w蒸煮器中升溫加熱，升溫時間為30-60min。沸 騰升溫至200。C，保溫沸騰2后，蒸煮基本完成了秸稈內水分和外部甘油的置換 過程，從而也導致大量的半纖維素-木質素復合物從纖維素上剝落下來，溶于沸 騰甘油中。冷卻降溫至120-160。C時，加入100-200ml沸騰的30-40%甘油水溶液， 充分溶解攪拌繼續(xù)降溫至60-8(TC，以便使從纖維素上剝落下來的半纖維素和木 質素充分溶解。冷卻完畢后，進行固液分離用G3砂芯漏斗進行真空抽濾，用400ml溫度為60-80。C，濃度為30-40%甘油水溶液分開洗滌抽濾兩次后，再用600-800ml， 60-80'C的自來水抽率洗滌3-4次。抽濾洗滌后的固體濾餅即為甘油纖維，可直 接酶解或發(fā)酵轉化。得到的玉米秸稈甘油纖維素為6.96g。 甘油纖維的纖維素糖轉化取濕的固體濾餅2.0000-3.0000g(折合干的甘油纖維 0.5000g左右)放入100ml三角瓶中，加入0.2M， pH4.8醋酸緩沖液至固體濃度為 2% (醋酸緩沖液+濾餅-25.5000g左右)。然后再按每克干底物44FPU加入纖維 素酶量搖勻后，在5(TC, 200rpm振蕩酶解48h。定期取樣測糖。通過酶解率比 較秸稈經預處理后的酶可擊性和微生物可發(fā)酵性，從而評估預處理效果。24h的 纖維素糖轉化量可達到62%， 48h的纖維素糖轉化能達到71 % 。 實施例2:將長度為10-20mm重量10g的水稻等秸稈用自來水充分浸泡潤漲后除去多 于水分至每克干秸稈含水40-60ml。然后把濕秸稈放入蒸煮器中，加入200g甘 油攪拌均勻后，于功率800-1200w蒸煮器中升溫加熱，升溫時間為30-60min。 沸騰升溫至25(TC，保溫沸騰6h后，蒸煮基本完成了秸稈內水分和外部甘油的 置換過程，從而也導致大量的半纖維素-木質素復合物從纖維素上剝落下來，溶 于沸騰甘油中。冷卻降溫至120-160。C時，加入100-200ml沸騰的30-40%甘油水 溶液，充分溶解攪拌繼續(xù)降溫至60-8(TC，以便使從纖維素上剝落下來的半纖維 素和木質素充分溶解。冷卻完畢后，進行固液分離用G3砂芯漏斗進行真空抽濾，用400ml溫度 為60-8(TC，濃度為30-40%甘油水溶液分開洗滌抽濾兩次后，再用600-800ml， 60-80°C的自來水抽率洗滌3-4次。抽濾洗滌后的固體濾餅即為甘油纖維，可直 接酶解或發(fā)酵轉化。得到的稻草秸稈纖維素為4.87g。甘油纖維的纖維素糖轉化取濕的固體濾餅2.0000-3.0000g(折合干的甘油纖 維0.5000g左右)放入100ml三角瓶中，加入0.2M， pH4.8醋酸緩沖液至固體濃 度為2% (醋酸緩沖液+濾餅-25.5000g左右)。然后再按每克干底物44FPU加入 纖維素酶量搖勻后，在50'C， 220卬m振蕩酶解48h。通過酶解率比較秸稈經預 處理后的酶可擊性和微生物可發(fā)酵性，從而評估預處理效果。24h的纖維素糖轉 化量可達到92%, 48h的纖維素糖轉化能達到96% 。 實施例3:將長度為10-20mm重量10g的小麥等秸稈用自來水充分浸泡潤漲后除去多 于水分至每克干秸稈含水40-60ml。然后把濕秸稈放入蒸煮器中，加入150g甘 油攪拌均勻后，于功率800-1200w蒸煮器中升溫加熱，升溫時間為30-60min。 沸騰升溫至24(TC，保溫沸騰4h后，蒸煮基本完成了秸稈內水分和外部甘油的 置換過程，從而也導致大量的半纖維素-木質素復合物從纖維素上剝落下來，溶 于沸騰甘油中。冷卻降溫至120-16(TC時，加入100-200ml沸騰的30-40%甘油水 溶液，充分溶解攪拌繼續(xù)降溫至60-8(TC，以便使從纖維素上剝落下來的半纖維 素和木質素充分溶解。冷卻完畢后，進行固液分離用G3砂芯漏斗進行真空抽濾，用400ml溫度 為60-80°C，濃度為30-40%甘油水溶液分開洗滌抽濾兩次后，再用600-800ml， 60-8(TC的自來水抽率洗滌3-4次。抽濾洗滌后的固體濾餅即為甘油纖維，可直 接酶解或發(fā)酵轉化。得到麥草甘油纖維素為5. 23g甘油纖維的纖維素糖轉化取濕的固體濾餅2.0000-3.0000g(折合干的甘油纖 維0.5000g左右)放入lOOml三角瓶中，加入0.2M， pH4.8醋酸緩沖液至固體濃 度為2% (醋酸緩沖液+濾餅=25.50008左右)。然后再按每克干底物44FPU加入纖維素酶量搖勻后，在5(TC， 220rpm振蕩酶解48h。通過酶解率比較秸稈經預處理后的酶可擊性和微生物可發(fā)酵性，從而評估預 處理效果。24h的纖維素糖轉化量可達到95%， 48h的纖維素糖轉化能達到98% 。
權利要求
1.一種經濟高效轉化農秸稈纖維素糖的工業(yè)甘油常壓預處理方法，其特征在于高沸點工業(yè)甘油通過快速的升溫和降溫過程對濕秸稈進行常壓高溫預處理；預處理后的甘油濕纖維部分直接進行酶解，經濟高效地獲得木質纖維素糖。
2. 根據權利要求1所述的一種預處理方法，其特征為常壓；高溫，180-250°C; 工業(yè)甘油添加量和麥秸比為10/1~25/1;蒸煮2-6h;預處理后甘油纖維得率為原秸稈干重的48-78%，處理后的秸稈纖維24h纖維素糖轉化為62-95%， 48h 的纖維素糖轉化可達71-98%。
3. 根據權利要求1的一種預處理方法，其加熱升溫過程的特征為可在20-60min 內加熱升溫到180-260。C，尤其溫度上升過120-14(TC后，5-10min就能達目 標溫度；其降溫過程為可在10-30min內降至140-80°C。
4. 根據權利要求1所述的一種預處理方法，其經濟性指預處理工藝和設備簡 單、不需耐壓或耐酸堿的設備，酶解時每克干底物加酶量為22-44個濾紙酶 活單位；其高效指48-72h就可完成酶解。
5. 根據權利要求1所述的一種預處理方法，其特征包括利用反應自身產生的 酸類物質進行催化而不加催化劑的自催化、外加酸催化或外加堿作催化。
6. 根據權利要求1所述特征，預處理后的甘油濕纖維部分直接進行酶解，指不 經晾干、烘干或其它方式的散失水分。
7. 根據權利要求1所述特征，其濕秸稈特征包括:成長的新鮮秸稈和用25-IOO'C 水充分溶解，含水量達到每克干秸稈含水3-7ml的秸稈。
8. 根據權利要求1所述的一種預處理方法，它的甘油包含市場上的分析純、化學純甘油或優(yōu)級品、 一級品、皂化級等工業(yè)甘油及一切其它來源的甘油制叫o
9.根據權利要求1所述的一種預處理方法，其農秸稈包括麥秸桿、玉米桿、 水稻桿和大豆桿等農作物秸稈及部分草類生物質。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經濟高效轉化農秸稈纖維素糖的工業(yè)甘油常壓預處理方法。水充分浸泡過的秸稈加入工業(yè)甘油后，在常壓下能快速升溫，實現對秸稈高溫蒸煮預處理。預處理得到的水不溶纖維部分不經晾干或烘干，直接進行酶解便可獲得糖的高效轉化。通過該預處理方法，在180-250℃，10-25倍干秸稈重的工業(yè)甘油用量條件下預處理1-6h，得到的農作物秸稈纖維部分占秸稈干重的48-78％，秸稈纖維部分經24h纖維素糖轉化為62-95％，48h纖維素糖轉化量達到了71-98％。該方法經濟高效，操作安全，環(huán)境友好，簡單方便，便于推廣應用。
文檔編號C12P19/04GK101323871SQ20071011885
公開日2008年12月17日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權日2007年6月13日
發(fā)明者孫付保, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所