一种提高农林生物质可酶解性并联产酶解糠液和高活性木质素的方法

本发明属于生物质处理及精炼应用，具体涉及一种提高农林生物质可酶解性并联产高活性木质素的方法。

背景技术：

1、随着全球对能源的快速消耗以及需求量持续增加，使其化石燃料等不可再生资源日益枯竭以及面临环境污染压力，这迫使世界各国加速寻找可再生能源。其中，生物质能由于绿色、可持续和环境友好的特点而受到人们广泛关注。农林生物质是地球上最丰富的可再生资源，其主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成。综纤维素组分可以经酶解转化为可发酵性糖液，继而进一步利用糖液生产生物能源和化学品；此外，木质素也可以用来制备生物基材料。因此，生物质精炼高值转化不仅有助于石化替代，也有利于降低温室气体排放，已成为我国可持续发展的重要途径。

2、然而，农林生物质原料的结构致密不均一性以及木质素的高顽抗性，致使其难以有效生物降解实现全组分利用。因此，通过简单有效和安全环保的预处理方法来选择性拆解这种高顽抗性结构，并最大化提高预处理后底物的可酶解性和剩余木质素的增值利用是生物质精炼产业化技术瓶颈的破解之道。

3、尽管现行的预处理方法在一定程度上可以破坏生物质结构以提高生物质的可酶解性，但仍需要较高的预处理强度(例如强酸/碱，高温，长时间等)去除木质素组分且综纤维素保留较低。重要的是，大部分预处理过程在剧烈反应条件下会导致木质素β-o-4过度断裂以及发生木质素再缩合现象，这显然不利于高活性木质素的获得和后续高附加值利用。因此，开发高效的温和预处理方法以提高预处理底物的可酶解性以及同时分离出高β-o-4键含量、非缩合木质素是亟待解决的问题。在这样的背景下，研究生物质原料的高效预处理技术对于我国可再生能源的利用和发展具有重要的战略意义。

技术实现思路

1、针对目前农林生物质预处理过程中存在预处理强度高、木质素去除有限以及木质素再缩合的现象，本发明开发了表面活性剂预处理农林生物质的方法，在温和条件下显著提高了预处理效率，减少了综纤维素损失，预处理后底物的可酶解性显著增强；此外，预处理过程分离的高活性木质素具有高β-o-4键含量、较少缩合结构，有利于后续木质素的增值利用。本发明的具体技术方案如下：

2、本发明的第一个目的是提供一种利用表面活性剂预处理农林生物质提高底物可酶解性并联产酶解糠液和高活性木质素的方法，所述方法包括以下步骤：

3、1)农林生物质原料进行粉碎，过筛，并烘干至恒重；

4、2)非离子表面活性剂预处理：将步骤1)获得的生物质原料与非离子表面活性剂按照1:5-1:20的质量比进行混合，以原料质量计，添加0％-15％的酸或碱，混合搅拌后加热升温至100-200℃，预处理时间10-120min，待反应后进行降温冷却，随后加入沸水进行搅拌疏解，混合物经抽滤后获得不溶性固体基质和预处理反应液，固体基质进一步用水对其洗涤，经烘干后留存备用；

5、3)酶解产糖：将步骤2)获得的烘干固体基质按照2g:100ml-20g:100ml的固液比添加至柠檬酸缓冲液中，按照2-15fpu/g固体基质的添加量加入纤维素酶，在40-50℃，150-200rpm条件下酶解48-96h；

6、4)木质素的获得：向步骤2)获得的预处理反应液中加入5-10倍体积的水，并加入盐酸调节ph为2.0，随后对混合液离心获得固体沉淀，固体用水洗涤后进行冷冻干燥即得木质素。

7、在本发明的一种实施方式中，步骤1)所述的农林生物质原料为烟草/玉米/小麦秸秆、甘蔗渣、稻草、软木、硬木纤维生物质和草本类植物中的任意一种或两种以上的组合。

8、在本发明的一种实施方式中，步骤1)所述过筛为过20-100目筛，所述烘干的温度为30-100℃。

9、在本发明的一种实施方式中，步骤2)所述非离子表面活性剂浓度为100％，或所述非离子表面活性剂为浓度20％以上的水溶液。

10、在本发明的一种实施方式中，步骤2)所述非离子表面活性剂是peg-系列、tween-系列、triton-x-系列、aeo-系列中的任意一种或任意两种以上非离子表面活性剂的混合。

11、在本发明的一种实施方式中，步骤2)所述中预处理可过程以不外加催化剂，或还添加催化剂，优选的是添加酸性金属盐催化剂。

12、在本发明的一种实施方式中，步骤2)所述加热为于恒温加热套内常压加热或者于反应釜中升温蒸煮。

13、在本发明的一种实施方式中，步骤2)所述抽滤为使用g1砂芯漏斗或滤纸进行抽滤以实现固体基质和预处理液的分离。

14、在本发明的一种实施方式中，所述洗涤是指用1-5倍表面活性剂体积的自来水对固体基质进行洗涤并抽滤2次，所得固体基质于60℃烘箱烘干。

15、在本发明的一种实施方式中，当不添加催化剂预处理时，加热升温至150-200℃，保温45-120min。该方法能够实现选择性脱除纤维质原料中的木质素，其中预处理后原料纤维素含量50-60％，半纤维素15-28％，木质素含量为10-18％。

16、在本发明的一种实施方式中，当添加酸进行催化时，所述酸为硫酸，添加量为1-5％(w/w)原料质量，加热升温至100-180℃，保温10-60min。该方法能够实现将纤维质原料中的大部分半纤维素和部分木质素选择性脱除，其中预处理后原料纤维素含量60-75％，半纤维素0-10％，木质素含量为10-15％。

17、在本发明的一种实施方式中，当添加碱进行催化时，所述碱为氢氧化钠，添加量为3-10％(w/w)原料质量，加热升温至140-200℃，保温30-120min。该方法能够实现将纤维质原料中的大部分木质素选择性脱除，其中预处理后原料纤维素含量50-60％，半纤维素25-32％，木质素含量为2-10％。

18、在本发明的一种实施方式中，当添加金属盐进行催化时，所述金属盐为氯化铝，添加量为5-15％(w/w)原料质量，加热升温至100-180℃，保温10-60min。该方法能够实现将纤维质原料中的大部分木质素选择性脱除，其中预处理后原料纤维素含量70-90％，半纤维素0-8％，木质素含量为2-10％。

19、在本发明的一种实施方式中，步骤2)所述降温冷却是指降温至100±5℃，所述搅拌时间为10-20min。

20、在本发明的一种实施方式中，步骤3)所述柠檬酸缓冲液的ph为4.8-6。

21、在本发明的一种实施方式中，步骤3)所述纤维素酶为市售或自制纤维素酶。

22、在本发明的一种实施方式中，步骤3)获得的酶解糖液中葡萄糖浓度为8-160g/l，酶解率为70-95％。

23、在本发明的一种实施方式中，步骤4)获得的木质素为低缩合、高含量β-o-4键(20-50％/ar)、浅颜色木质素。

24、本发明的第二个目的是提供上述方法制备获得的酶解产糖糖液，所述酶解产糖糖液的葡萄糖浓度为8-160g/l，酶解率为70-95％。

25、本发明的第三个目的是提供上述方法制备获得的木质素，所述木质素为低缩合、高含量β-o-4键(25-60/100ar)、浅颜色的木质素。

26、本发明的有益效果：

27、本发明提供的预处理方法具有出色的木质素溶解能力，能够在温和预处理条件下实现优异的组分分离和底物酶解提升效果；此外，所采用的非离子表面活性剂溶剂除了具有较强的脱木质素能力还能够与木质素的活性位点发生醚化反应，抑制预处理过程中木质素再缩合反应，从而获得低缩合、高含量β-o-4键、浅颜色木质素。该方法能够有效解决目前农林生物质预处理过程中存在的预处理强度剧烈、综纤维素损失严重以及木质素再缩合副反应、木质素低含量β-o-4键含量问题。

28、与传统蒸煮工艺(乙醇、甘油蒸煮预处理)相比，本发明取得更高的糖化酶解效果时预处理温度显著减少，同时预处理后原料拥有较高的纤维素保留率及木质素脱除率。

29、本发明提供的预处理方法适用性强，可以广泛应用于多种来源的农林生物质原料。此外，非离子表面活性剂来源广泛且价格低廉，在酸和碱性环境中稳定不易分解以及具有环保、绿色、可回收的特性。同时，高沸点的非离子表面活性剂作为预处理溶剂使其预处理可以在常压下进行，减少了高压操作的风险。本发明研究的农林生物质预处理工艺具有生产流程简便，便于工业化操作的优点。