一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法技术

本发明专利技术适用于生物质能源领域，提供一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法，包括：将微生物油脂经一步碱催化转酯化制备生物柴油产生的碱-甘油-甲醇混合溶液预处理木质纤维素原料；原料原位蒸发及冷凝回收甲醇后，加水至适当固液比，酸中和后添加适量的酶进行水解，固液分离获得水解液；接入产油酵母，产油酵母利用水解液中的碳水化合物和甘油合成油脂；收集含油微生物菌体，提取胞内油脂，采用一步碱催化转酯化制备生物柴油，加正己烷萃取，上层获得生物柴油，下层为碱-甘油-甲醇溶液，这里碱-甘油-甲醇溶液再循环用于木质纤维素的预处理。本方法中，强碱、副产物甘油和甲醇被用于预处理木质纤维素，同时甘油还作为产油微生物的碳源被原位整合再利用，大大降低了成本，具有显著的经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物炼制与生物能源
，尤其涉及一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法。
技术介绍
自然界中某些微生物在特定条件下，能够以碳水化合物、碳氢化合物、二氧化碳等为碳源，在体内合成并贮存大量油脂，凡是可以在胞内积累油脂并超过细胞干重20％(w/w，这里w/w表示质量比，下同)的微生物称为产油微生物。某些产油微生物胞内积累的油脂甚至超过其细胞干重的70％。微生物油脂，尤其是产油真菌产生的油脂，其主要成份是甘油三酯，脂肪酸组成与商品化的动植物油脂相似，以C14-C22长链脂肪酸为主。相对于动植物油脂，微生物油脂生产周期短，不受季节与气候限制，原料来源广，基本不占用额外耕地资源，易于实现规模生产，是极具潜力的新型油脂资源。微生物油脂不仅可以作为食用油或其他功能性油脂的替代品，还可以为生物柴油产业可持续发展提供原料。木质纤维素材料来源广泛、是自然界中最丰富的可再生资源之一，据测算年总产量高达1500亿吨，其化学成份主要是纤维素、半纤维素和木质素，蕴藏着巨大的碳水化合物资源。纤维素完全水解主要产物为葡萄糖；半纤维素水解可得到木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、甘露糖等的混合物。廉价的木质纤维素原料主要有以玉米秸秆、玉米芯、稻草和麦秆为代表的农业废弃物，以树木、枝杈和锯末为代表的林业废弃物，以甘蔗渣和甜高粱渣等为代表的工业废弃物等。目前我国对木质纤维素资源的利用尚不完善，大部分未得到合理开发利用。利用木质纤维素水解液培养产油微生物，有望大幅度降低原料成本，并使规模化制备微生物油脂的原材料得到保障。然而，目前木质纤维素基原料的经济性不如传统的糖质原料，主要是由于生物质抗降解特性(biomassrecalcitrance)，导致很难通过经济、高效的方式降解木质纤维素获取产油微生物利用的可发酵性糖。木质纤维素通常需要先经过物理、化学、物理化学或生物的方法进行预处理，破坏木质纤维素的抗降解结构，降低纤维素的结晶度、增加原料的孔隙率、提高酶的可及度和脱除木质素的保护作用，从而提高木质纤维素的酶解效率。预处理通常需要加入化学试剂或者较高的能耗，成本高。另外，诱发产油酵母过量积累油脂，通常需要培养基中的碳水化合物过量，而缺乏产油酵母生长繁殖的其它必要成分，包括氮、磷、硫、铁、锌和溶氧等。氮限制是微生物调控油脂积累最常用的策略，较高的C/N比有利于油脂积累。然而，木质纤维素原料通常氮含量较高，另外其降解过程中添加水解酶，也会引入一定量的氮源，导致水解液C/N比较低，产油微生物以菌体增殖为主，油脂产量和油脂得率较低。通过木质纤维素原料为碳源培养产油微生物，然后进行碱催化转酯化制备生物柴油有望从根本上解决制备生物柴油的油脂资源问题。然而，当前该技术路线存在着生产成本高、油脂产量低、副产物资源化利用困难、废水处理的突出问题。绿色、经济、高效地利用木质纤维素制备生物柴油是目前能源生物
的研究难点和热点。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法，旨在解决现有方法生产成本高、油脂产量低、副产物难资源化利用的突出问题。产油微生物积累的胞内油脂主要为中性脂，其主要成分为三酰甘油，游离脂肪酸含量非常低，可通过简单的一步碱催化转酯化制备生物柴油。转酯化反应后产生副产物甘油的同时，残留大量的碱催化剂和未反应的甲醇。本专利技术提出一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法，可以充分利用碱催化转酯化的副产物甘油以及残余碱催化剂和未反应的甲醇，以提木质纤维素转化制备生物柴油的技术经济性，大大降低了成本，具有显著的经济效益。本专利技术方法具体包括如下步骤：取微生物油脂经一步碱催化转酯化制备得到的生物柴油，加正己烷萃取并静置分层，上层液通过蒸发除去正己烷收获生物柴油产品，下层液获得含碱催化剂、副产物甘油和未反应甲醇的混合溶液；将木质纤维素原料与所述混合溶液按固液质量比5％～50％混合均匀，并高温预处理，然后原位蒸发及冷凝回收甲醇，原料加水至固液质量比5％～25％，采用酸中和，添加适量的木质纤维素降解酶进行水解，固液分离后获得水解液，调整水解液的pH值至4～9，最后灭菌处理，所述水解液中包含有由木质纤维素降解得的可发酵性生物质糖；取产油微生物并在种子培养基中培养，得到产油微生物种子液，将所述产油微生物种子液接种至所述水解液中，接种量为2％-20％，于20℃-37℃通气培养，直至发酵液中残余碳水化合物和甘油的浓度总和低于5g/L，终止发酵，固液分离收集产油微生物菌体，所述接种量为体积比；提取所述产油微生物菌体的胞内油脂，采用一步碱催化转酯化制备生物柴油，制备得到的生物柴油中包含碱催化剂、副产物甘油和甲醇的溶液，用于循环预处理木质纤维素。本专利技术的有益效果是：本专利技术将微生物油脂制备生物柴油过程中的碱催化剂-副产物甘油-未反应甲醇溶液作为预处理介质处理木质纤维素原料，可显著提高木质纤维素的酶可及性，葡萄糖得率可达95％以上，木糖得率可达到80％以上；强碱和甲醇可先后用于碱催化转酯化和木质纤维素的预处理，降低了试剂成本；甘油可先后作为木质纤维素的预处理介质和产油酵母的碳源被转化为微生物油脂，整个生物柴油生产方法没有副产物甘油的净产出；高糖得率，以及预处理的甘油，提高了水解液中C/N比，使微生物能够更好地将碳源导向油脂合成，显著提高油脂的产量。因此，本专利技术提供的利用木质纤维素原料生产生物柴油的工艺，实现了原料循环，可大大降低成本，具有非常好的应用前景。附图说明图1是本专利技术实施例提供的利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法的流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术是将微生物油脂经一步碱催化转酯化制备生物柴油过程中的碱催化剂-副产物甘油-未反应甲醇的混合溶液用于木质纤维素的预处理，酶水解获得大量可发酵性糖，糖和甘油可作为碳源，强化油脂发酵过程，生产微生物油脂。结合图1所示，本专利技术方法具体包括如下步骤：步骤S101、获取强碱-甘油-甲醇的混合溶液。取微生物油脂采用一步碱催化转酯化方法制备生物柴油，加入一定量的正己烷充分震荡，萃取并静置分层，上层液通过蒸发除去正己烷收获生物柴油产品，下层液获得含碱催化剂、副产物甘油和未反应甲醇的混合溶液。所述碱催化剂为K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：取微生物油脂经一步碱催化转酯化制备得到的生物柴油，加正己烷萃取并静置分层，上层液通过蒸发除去正己烷收获生物柴油产品，下层液获得含碱催化剂、副产物甘油和未反应甲醇的混合溶液；将木质纤维素原料与所述混合溶液按固液质量比5％～50％混合均匀，并高温预处理，然后原位蒸发及冷凝回收甲醇，加水至固液质量比5％～25％，采用酸中和，添加适量的木质纤维素降解酶进行水解，固液分离后获得水解液，调整水解液的pH值至4～9，最后灭菌处理，所述水解液中包含有由木质纤维素降解得的可发酵性生物质糖；取产油微生物并在种子培养基中培养，得到产油微生物种子液，将所述产油微生物种子液接种至所述水解液中，接种量为2％‑20％，于20℃‑37℃通气培养，直至发酵液中残余碳水化合物和甘油的浓度总和低于5g/L，终止发酵，固液分离收集产油微生物菌体，所述接种量为体积比；提取所述产油微生物菌体的胞内油脂，采用一步碱催化转酯化制备生物柴油，制备得到的生物柴油中包含碱催化剂、副产物甘油和甲醇的溶液，用于循环预处理木质纤维素。

【技术特征摘要】
1.一种利用木质纤维素原料生产生物柴油的方法，其特征在于，所述方法
包括下述步骤：
取微生物油脂经一步碱催化转酯化制备得到的生物柴油，加正己烷萃取并
静置分层，上层液通过蒸发除去正己烷收获生物柴油产品，下层液获得含碱催
化剂、副产物甘油和未反应甲醇的混合溶液；
将木质纤维素原料与所述混合溶液按固液质量比5％～50％混合均匀，并高
温预处理，然后原位蒸发及冷凝回收甲醇，加水至固液质量比5％～25％，采用
酸中和，添加适量的木质纤维素降解酶进行水解，固液分离后获得水解液，调
整水解液的pH值至4～9，最后灭菌处理，所述水解液中包含有由木质纤维素
降解得的可发酵性生物质糖；
取产油微生物并在种子培养基中培养，得到产油微生物种子液，将所述产
油微生物种子液接种至所述水解液中，接种量为2％-20％，于20℃-37℃通气培
养，直至发酵液中残余碳水化合物和甘油的浓度总和低于5g/L，终止发酵，固
液分离收集产油微生物菌体，所述接种量为体积比；
提取所述产油微生物菌体的胞内油脂，采用一步碱催化转酯化制备生物柴
油，制备得到的生物柴油中包含碱催化剂、副产物甘油和甲醇的溶液，用于循
环预处理木质纤维素。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述混合溶液中，碱催化剂为
KOH或NaOH，其质量浓度为0.2％～2％，所述副产物甘油的质量浓度为1％～5％，
甲醇的质量浓度为80％...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚志伟，赵觅，
申请(专利权)人：武汉科技大学，赵觅，
类型：发明
国别省市：湖北;42