一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法

专利名称：一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法
技术领域：
本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种采用微生物处理与稀酸处理相结合进行木质纤维素原料联合预处理的方法及其系统。
背景技术：
木质纤维素原料经过酶解糖化后，可得到以葡萄糖为主的六碳糖及以木糖为主的五碳糖，是食品和化工等行业的重要原料。木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成份组成，半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，将纤维素分子包埋在其中，形成一种天然屏障，使酶不易与纤维素分子接触，导致木质纤维素原料中多糖的酶解缓慢。因此要实现木质纤维素原料的酶解糖化必需通过适宜的预处理技术使它的三种成份有效分离，同时打断部分糖苷键，降低聚合度，脱除木质素，改善木质纤维素原料的天然结构，解除对酶的屏障阻碍作用，增强酶与纤维素可及度，提高纤维素酶解糖化效率。因此适宜的预处理方法是木质纤维素原料转化利用关键环节之一。目前，木质纤维素原料的预处理的方法主要有物理法、化学法和生物法。物理、化学预处理技术有机械粉碎处理、蒸汽爆破处理、微波和超声波处理、辐射处理、碱法处理、过氧化物氧化处理、稀酸浸泡处理、有机溶剂处理、氨爆破处理、二氧化碳爆破处理、湿氧化处理等多种方法。但其中的很多物化方法因处理效果差、环境污染、设备成本和运行成本高昂、操作复杂等多重原因未被推广，其中相对较为成熟方法主要有蒸汽爆破法、稀酸浸泡法两种方法。蒸汽爆破法是一种木质纤维素原料预处理最常用的方法，在不加催化剂的情况下，利用高压蒸汽迅速升温，将原料和水或水蒸气等在高温、高压下(150 240°C )处理一定时间后，立即降至常温、常压，蒸汽爆破过程中，高压蒸汽渗入至纤维内部，以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来，使纤维发生一定的机械断裂，同时高温、高压加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，纤维素内的有序结构发生变化，增加了纤维素的吸附能力。 但由于蒸汽爆破过程中产生的乙酸和其它一些酸的酸性很弱，导致对半纤维素的转化效果并不是很高，一般仅为65 70%左右，而且乙酸也是一种乙醇发酵的抑制产物；半纤维素降解后的糖单体在高温下会转化为糠醛、羟甲基糠醛等发酵抑制物，原料需要用大量水冲洗， 同时也造成糖成份的损失；蒸汽爆破法对木质素去除率很低，并且经蒸汽爆破后的木质素对纤维素酶有着较高的非特定吸附，同时一些低聚糖类和断裂木质素会在冷却后沉淀黏附于纤维素表面，阻碍纤维素酶解。稀酸浸泡法也是目前使用较为成熟的预处理方法。指用低浓度的稀酸(0. 5 1%) 在低于或高于100°c的温度下对木质纤维素原料处理。在低于100°C的温度下进行预处理时，处理时间一般为4 Mh ；在高于100°C的温度下进行预处理时，处理时间一般几分钟至几小时。稀酸水解半纤维素并改变纤维素晶型、增大其比表面积，提高后续酶解效率。但稀酸浸泡法的反应时间较长，能耗高，并且半纤维素转化率也不高，一般为70 80% ；稀酸浸泡法对木质素基本不脱除，不能有效解除木质素对纤维素酶的无效吸附和空间阻碍，同时由于较长的反应时间导致糖单体进一步生成糠醛、甲酸、乙酸、羟甲基糠醛等发酵抑制产物，影响后续酶解、发酵。生物法主要利用微生物的生物催化作用(包括真菌、细菌、放线菌等)进行木质素、 半纤维素、纤维素等组分的降解，提高后续纤维素、半纤维素糖化效率。这种方法反应条件温和、不造成环境污染、成本低等优势，是目前国内外研究的热点。但从国内外研究报道来看，生物法存在预处理时间较长、效率低、糖成份损失等缺点。鉴于以上预处理技术存在的问题，迫切需要寻找一种新的预处理方法以获得较高的半纤维素转化率、较少的抑制产物和解除木质素对纤维素酶的屏障阻碍作用以及无效吸附来替代现有的方法，提高木质纤维素原料酶解效率。

发明内容
为克服上述物理法、化学法和生物法预处理工艺存在的问题，本发明提供一种能够有效提高木质纤维素原料中半纤维素转化率、木质素脱除率和纤维素酶解糖化率以及减少发酵抑制产物的方法。本发明的另一目的在于提供一种匹配上述方法的系统。本发明可以通过以下方式实现
一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，将木质纤维素原料粉碎到5 60 目的粒度后装入微生物处理池中，注入微生物菌液进行生物处理，所用微生物菌液为高效木质素降解微生物，生物处理条件为按木质纤维素原料干重的5 10%，添加微生物菌液， 加水至反应体系含水率达65 75%，温度25 35°C，处理5 10d，通气口打开。所述的木质纤维素原料主要为玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆。所述的微生物菌液主要包括硬毛栓菌(Trametes trogii)菌种编号CGMCC NO. 3772 ；杂色栓菌(Traffleie1S versicolor)菌种编号CGMCC NO. 3773，该两株菌种已于 2010年4月23日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，地址北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，邮政编码100101。将上述经过微生物处理过的原料装入稀酸循环反应器中，并注入稀酸，打开循环泵在温度为80 100°C下进行循环处理，即将反应滤液不停地抽出并重新回流至反应器中进行循环处理，循环处理时间通常为1 4h，完成预处理。反应结束后将得到的处理液收集，中和除酸、过滤后用于后续利用。所述的稀酸的质量分数为0. 1 2. 0%的稀硫酸；稀酸的加入量为木质纤维素原料干重与稀酸液的重量比为1 :5 20。稀酸循环处理结束后，反应器内剩余的木质纤维素原料用水冲洗后取出用于后续酶解，即先用温水冲洗去除残留的稀酸和木质素，随后取出用于后续酶解。一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理系统，主要由微生物处理池、稀酸循环反应器、储酸罐、收集罐和原料输送器组成。微生物处理池主要包括菌种罐与喷洒管、 进料口、通气口和出料口，菌种罐设在处理池的顶部，喷洒管设在处理池的上部，通过管道与菌种罐连通，进料口和出料口分别设在处理池的上部和下部，多个通气口分设在处理池下部；稀酸循环反应器选主要包括进料口、出料口、排液阀、喷淋头、滤板和循环泵，进料口和出料口设在反应器上部和下部，排液阀设在反应器底部，喷淋头设在反应器顶部，滤板设在反应器圆柱部分与半球部分的连接处，循环泵安装在反应器外部，循环泵的入口与反应器底部通过管道连通，循环泵的出口与设在反应器顶部的喷淋头通过管道连通；储酸罐通过管道与稀酸循环反应器顶部连通；收集罐通过管道与稀酸反应器底部连通；原料输送器安装在微生物处理池和稀酸循环反应器之间，微生物处理池出料口通过管道与稀酸循环反应器进料口连通。该系统还包括设在稀酸反应器顶部热水管和设在底部废液排放管。上述的循环泵为耐酸腐蚀的离心泵。本发明提供的生物-化学联合预处理方法通过第一步微生物处理把木质纤维素原料中的木质素、半纤维素和纤维素成份少量降解，降低木质素和半纤维素对纤维素的包裹作用，使原料疏松，软化，从而利于后续稀酸液的渗透；经微生物处理后的原料进入第二步稀酸循环处理，通过稀酸液循环把静态酸浸泡处理方式变为动态的处理方式。静态酸浸泡处理方式即静置批式反应，这样在木质纤维素原料处理一段时间后，其周围的降解产物浓度会比其他地方高出很多，这样不利于反应向降解产物的方向进行，处理效率受限，而稀酸循环处理可以通过的不断的循环把木质纤维素原料附近的降解产物带走，扩散到整个反应体系中去，使得木质纤维素原料附近始终保持较低的降解产物，有利于提高处理效率；同时，采用动态循环处理可以冲散阻挡在木质纤维素原料表面的一些难溶性的降解产物，使得酸液可以更好地与木质纤维素原料接触以对其进行催化反应，加速木质素纤维素原料的降解。因此微生物处理和稀酸循环联合后可有效提高木质纤维素原料的处理效率。本发明提供的生物-化学联合预处理系统，由微生物处理池、原料输送器和稀酸循环反应器三大部分组成。微生物预处理池优选为方形，上部和下部分别设有进料口和出料口，同时下部还分设多个通气口，以保证微生物处理时充足氧气供应；顶部设有菌种罐， 通过管道与微生物处理池内的喷洒管连通，通过喷洒管的喷洒作用可以保证菌种液均勻分布在木质纤维素原料之上以利于接种均勻，同时还可以通过喷洒管进行原料水分调节和补充。原料输送器采用螺旋推料方式，安装在微生物处理池出料口和稀酸循环反应器进料口之间，把微生物处理后的原料输送到稀酸循环反应器。稀酸循环反应器优选为圆柱形，上部和下部分别设有进料口和出料口 ；顶部为平面结构，底部为半球形结构，顶部设有喷淋头与外部管道相连，预处理时渗滤反应液通过循环泵的作用经喷淋头回流入反应器，喷淋头除了可以让渗滤液均勻的分布于木质纤维素原料之上以有利于反应外，还可以抑制水分挥发，保证反应体系均勻；反应器的下方设置了一个带孔滤板，滤板可以把原料固体部分阻挡在反应器中，液体部分进入下部半球空间，保证处理持续循环进行。本发明具有以下优点
1、本发明通过微生物处理和稀酸循环处理的联合，可实现两者的有效互补，微生物处理降低了木质素和半纤维素对纤维素的包裹作用，使原料疏松，软化，从而利于后续稀酸液的渗透，提高稀酸循环处理的效率；
2、与传统稀酸预处理方法相比，这种方法耗酸量显著减少，操作条件温和、对反应器的抗压和抗腐蚀性要求不高、处理成本低、二次污染少，环境友好；
3、与传统稀酸预处理方法相比，这种方法的稀酸循环会通过稀酸反应液的不断循环把生成的戊糖等反应产物迅速流入循环的管道中，使糖液温度迅速降低，减少糠醛等副产物的生成。
总之，与现有预处理技术相比，本发明具有耗酸量少、操作条件温和、对反应器的抗压和抗腐蚀性要求不高、处理成本低、二次污染少和环境友好等优点，同时生成的副产物少，原料损失低。通过微生物处理和稀酸循环处理联合互补作用，解决了在温和的操作条件和低污染下，高效预处理木质纤维素原料的技术难题，为木质纤维素原料的充分利用开辟了新途径，在生物能源、生物基化学品、工业发酵等领域具有巨大的应用前景。


附图为本发明的生物-化学联合预处理系统的结构示意图。图中1-8是阀门，9是储酸罐，10是收集罐，11是稀酸循环反应器，12是稀酸循环反应器进料口，13是稀酸循环反应器出料口，14是喷淋头，15是滤板，16是循环泵，17是物料输送器，18是菌种罐，19是微生物处理池，20是微生物处理池出料口，21是微生物处理池进料口，22是通气口，23是菌种喷洒管。
具体实施例方式实施例1 将烘干恒重的玉米秸秆(纤维素33. 31%、半纤维素沈.拟％、木质素 21. 46%)粉碎到10目后从进料口 20装入微生物处理池19中，打开阀门8，从菌种罐18中注入培养好的毛栓菌菌种液，接种量5%(重量百分比，干重)，调含水率至65%，打开通气口 22，在30°C下处理5d。打开出料口 20，开启物料输送器17把微生物处理过的原料从进料口 12装入稀酸循环反应器11中，打开阀门1、阀门2，从储酸罐9中注入0. 5%的稀硫酸于反应器11中，玉米秸秆和稀硫酸的固液比为1 :10 ；打开阀门3、阀门4，关闭阀门1、阀门2， 启动循环泵16，在90°C下循环反应》1，反应期间液体部分通过滤板15的固液分离作用进行循环，固体物料部分通过滤板15分离阻挡留在稀酸循环反应器11内，液体部分经过循环泵16抽取提升至喷淋头14以喷淋的方式分散回流到稀酸循环反应器11中；反应结束后， 关闭阀门4，打开进料口 12和阀门6，处理反应液流入收集罐10中，中和后用于后续利用； 关闭阀门6，打开阀门1、阀门5，通水(HP)冲洗留在反应器内的固体，洗去残留稀酸、木质素和糖类等杂物，废液(WL)经阀门5排出进行后续处理；最后打开出料口 20，把剩余的固体取出，用于后续酶解糖化。半纤维转化率达到90. 5%，木糖浓度为20. 6g/L ；木质素去除率达到 11. 4% ；预处理后的固体物料在纤维素酶用量30FPU/g作用下酶解60h (50°C、pH4. 8、固液比1 30)，糖化率达到72. 3%。实施例2 将烘干恒重的玉米秸秆(纤维素33. 31%、半纤维素沈.拟％、木质素 21. 46%)粉碎到10目后从进料口 20装入微生物处理池19中，打开阀门8，从菌种罐18中注入培养好的杂色栓菌菌种液，接种量5%(重量百分比，干重)，调含水率至65%，打开通气口 22，在30°C下处理5d。打开出料口 20，开启物料输送器17把微生物处理过的原料从进料口 12装入稀酸循环反应器11中，打开阀门1、阀门2，从储酸罐9中注入0. 5%的稀硫酸于反应器11中，玉米秸秆和稀硫酸的固液比为1 :10 ；打开阀门3、阀门4，关闭阀门1、阀门 2，启动循环泵16，在90°C下循环反应》1，反应期间液体部分通过滤板15的固液分离作用进行循环，固体物料部分通过滤板15分离阻挡留在稀酸循环反应器11内，液体部分经过循环泵16抽取提升至喷淋头14以喷淋的方式分散回流到稀酸循环反应器11中；反应结束后， 关闭阀门4，打开进料口 12和阀门6，处理反应液流入收集罐10中，中和后用于后续利用；关闭阀门6，打开阀门1、阀门5，通水(HP)冲洗留在反应器内的固体，洗去残留稀酸、木质素和糖类等杂物，废液(WL)经阀门5排出进行后续处理；最后打开出料口 20，把剩余的固体取出，用于后续酶解糖化。半纤维转化率达到78. 6%，木糖浓度为17. 4g/L ；木质素去除率达到
8.5% ；预处理后的固体物料在纤维素酶用量30FPU/g作用下酶解60h (50°C、pH4. 8、固液比 1 30)，糖化率达到62. 8%。实施例3 将烘干恒重的玉米秸秆(纤维素33. 31%、半纤维素沈.拟％、木质素 21. 46%)粉碎到10目后从进料口 20装入微生物处理池19中，打开阀门8，从菌种罐18中注入培养好的毛栓菌菌种液，接种量5%(重量百分比，干重)，调含水率至65%，打开通气口 22，在30°C下处理5d。打开出料口 20，开启物料输送器17把微生物处理过的原料从进料口 12装入稀酸循环反应器11中，打开阀门1、阀门2，从储酸罐9中注入0. 5%的稀硫酸于反应器11中，玉米秸秆和稀硫酸的固液比为1 :10 ；打开阀门3、阀门4，关闭阀门1、阀门2， 启动循环泵16，在85°C下循环反应2h，反应期间液体部分通过滤板15的固液分离作用进行循环，固体物料部分通过滤板15分离阻挡留在稀酸循环反应器11内，液体部分经过循环泵16抽取提升至喷淋头14以喷淋的方式分散回流到稀酸循环反应器11中；反应结束后， 关闭阀门4，打开进料口 12和阀门6，处理反应液流入收集罐10中，中和后用于后续利用； 关闭阀门6，打开阀门1、阀门5，通水(HP)冲洗留在反应器内的固体，洗去残留稀酸、木质素和糖类等杂物，废液(WL)经阀门5排出进行后续处理；最后打开出料口 20，把剩余的固体取出，用于后续酶解糖化。半纤维转化率达到82. 2%，木糖浓度为18. 9g/L ；木质素去除率达到
9.7% ；预处理后的固体物料在纤维素酶用量30FPU/g作用下酶解60h (50°C、pH4. 8、固液比 1 30)，糖化率达到66. 8%。实施例4 将烘干恒重的玉米秸秆(纤维素33. 31%、半纤维素沈.拟％、木质素 21. 46%)粉碎到10目后从进料口 20装入微生物处理池19中，打开阀门8，从菌种罐18中注入培养好的毛栓菌菌种液，接种量5%(重量百分比，干重)，调含水率至65%，打开通气口 22，在30°C下处理5d。打开出料口 20，开启物料输送器17把微生物处理过的原料从进料口 12装入稀酸循环反应器11中，打开阀门1、阀门2，从储酸罐9中注入0. 5%的稀硫酸于反应器11中，玉米秸秆和稀硫酸的固液比为1 :10 ；打开阀门3、阀门4，关闭阀门1、阀门2， 启动循环泵16，在95°C下循环反应lh，反应期间液体部分通过滤板15的固液分离作用进行循环，固体物料部分通过滤板15分离阻挡留在稀酸循环反应器11内，液体部分经过循环泵16抽取提升至喷淋头14以喷淋的方式分散回流到稀酸循环反应器11中；反应结束后， 关闭阀门4，打开进料口 12和阀门6，处理反应液流入收集罐10中，中和后用于后续利用； 关闭阀门6，打开阀门1、阀门5，通水(HP)冲洗留在反应器内的固体，洗去残留稀酸、木质素和糖类等杂物，废液(WL)经阀门5排出进行后续处理；最后打开出料口 20，把剩余的固体取出，用于后续酶解糖化。半纤维转化率达到92. 6%，木糖浓度为21. lg/L ；木质素去除率达到 14. 7% ；预处理后的固体物料在纤维素酶用量30FPU/g作用下酶解60h (50°C、pH4. 8、固液比1 30)，糖化率达到73. 8%。
权利要求
1.一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，其特征在于将木质纤维素原料粉碎到5 60目的粒度后装入微生物处理池中，注入微生物菌液进行生物处理5 IOd;将经过微生物处理过的原料装入稀酸循环反应器中，并注入稀酸，打开循环泵在温度为80 100°C下进行循环处理1 4h，完成预处理。
2.根据权利要求1所述的一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，其特征在于所用微生物菌液为高效木质素降解微生物，包括硬毛栓菌rraffietes trogii CGMCC NO. 3772 ；杂色栓菌 Trametes versicolor CGMCC NO. 3773。
3.根据权利要求1所述的一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，其特征在于所述的生物处理为按木质纤维素原料干重的5 10%，添加微生物菌液，加水至反应体系含水率达65 75%，温度25 ;35°C，处理5 10d，通气口打开。
4.根据权利要求1所述的一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，其特征在于所述的稀酸的质量分数为0. 1 2. 0%的稀硫酸。
5.根据权利要求1所述的一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法，其特征在于稀酸的加入量为木质纤维素原料干重与稀酸液的重量比为1 :5 20。
6.一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理系统，包含微生物处理池、稀酸循环反应器、储酸罐、收集罐和原料输送器；微生物处理池包含菌种罐与喷洒管、进料口、通气口和出料口，菌种罐设在处理池的顶部，喷洒管设在处理池的上部，通过管道与菌种罐连通， 进料口和出料口分别设在处理池的上部和下部，多个通气口分设在处理池下部；稀酸循环反应器包含进料口、出料口、排液阀、喷淋头、滤板和循环泵，进料口和出料口设在反应器上部和下部，排液阀设在反应器底部，喷淋头设在反应器顶部，滤板设在反应器圆柱部分与半球部分的连接处，循环泵安装在反应器外部，循环泵的入口与反应器底部通过管道连通，循环泵的出口与设在反应器顶部的喷淋头通过管道连通；储酸罐通过管道与稀酸循环反应器顶部连通；收集罐通过管道与稀酸反应器底部连通；原料输送器安装在微生物处理池和稀酸循环反应器之间，微生物处理池出料口通过管道与稀酸循环反应器进料口连通。
7.根据权利要求6所述的一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理系统，其特征在于该系统还包括设在稀酸反应器顶部的热水管和设在底部的废液排放管。
8.根据权利要求6或7所述的一种木质纤维素原料的生物-化学联合预处理系统，其特征在于所述的循环泵为耐酸腐蚀的离心泵。
全文摘要
本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种采用微生物处理与稀酸处理相结合进行木质纤维素原料联合预处理的方法及其系统。将木质纤维素原料粉碎到5～60目的粒度后装入微生物处理池中，注入微生物菌液进行生物处理5～10d；将经过微生物处理过的原料装入稀酸循环反应器中，并注入稀酸，打开循环泵在温度为80～100℃下进行循环处理1～4h，完成预处理。本发明具有耗酸量少、操作条件温和、对反应器的抗压和抗腐蚀性要求不高、处理成本低、二次污染少和环境友好等优点。
文档编号D21B1/02GK102261004SQ20101018217
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者刘晓风, 廖银章, 袁月祥, 闫志英 申请人:中国科学院成都生物研究所