一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法技术

本发明专利技术涉及本发明专利技术的一种农林生物质原料浓醪水解产糖方法，其特征在于：以纤维类生物质为原料，采用常压短时的甘油有机相蒸煮预处理方法，保留原料中90％以上纤维素的同时，可选择性脱除其中70％以上木质素和不足20％半纤维素。收集的甘油处理液中有大量的甘油糖苷生成，但几乎无糠醛类发酵抑制物产生，甘油可直接循环使用7‑11次。甘油粗纤维素在10‑40％基质浓度和2‑15FPU·g‑1基质酶载量时72hr酶解率可达70％以上。本发明专利技术之农林生物质原料浓醪水解产糖方法，具有简单经济、高效环保等特点，具有驱动生物柴油和纤维素乙醇同时商业化的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法
本专利技术涉及农林生物质原料资源化利用和生物质化工
，尤其涉及一种纤维质原料浓醪糖化方法。
技术介绍
随着当今资源能源危机、温室效应和环境污染等问题日益突出，利用丰富的农林纤维素类生物质可再生资源，生物炼制可全方位替代石化生产的生物液体燃料和生物基化学品，是当前世界生物能源产业的主流。但是，真正的生物质经济时代至今尚未实现，由农林纤维类生物质实现生物能源和生物基产品的生物炼制技术仍旧面临着许多瓶颈问题，其中木质纤维素-糖平台(预处理、酶解和糖发酵)的预处理和酶解问题尤为突出。目前，在纤维类生物质预处理方面具有代表性的方法有：稀硫酸法、热水法、汽爆法、石灰法、离子液和低沸点有机溶剂等预处理，它们在预处理评价方面(经济性、有效性、处理时间、安全性和环境友好以及对后续工艺影响)都不同程度地存在着问题：1)大多需要高压运行，存在安全隐患；2)强酸/碱对设备材质要求较高；3)试剂昂贵；4)能耗高；5)组分选择性差，残留大量木质素，导致预处理效果方面不理想；6)产生大量发酵抑制物，影响后续工艺；7)产生的大量废水易导致二次污染。另一方面，甘油作为生物柴油的副产品(1/10生物柴油量)，产量随着全球生物柴油的日益剧增而不断攀升，出现了严重的供大于求，而且这些低品级甘油精制到食品和医药级(～99.5％)需要先进的技术和高昂的投资成本。基于这些问题，本专利技术人一直致力建立纤维质原料的甘油有机溶剂预处理方面研究(CN101148830B；CN101440108B)。在国内外率先开展并建立甘油有机溶剂预处理工艺，获得国际上近20个课题组的关注和重视，发表英文文章单篇被引用50次以上。在早期建立一种实现木质纤维类生物质组分分离的常压脱脂粗甘油预处理方法基础上，本专利技术对预处理工艺中蒸煮方式和洗涤方式上均进行改进，具有以下两大优势：1)降低蒸煮能耗、减少洗涤用水量、规避发酵抑制物产生；2)选择性脱除木质素和甘油纤维素可酶解性均明显提高。在酶解方面，目前，虽然纤维素乙醇的生产方法(主要包括原料的预处理、酶解、乙醇发酵和分离提纯等步骤)已经打通，但是过高的酶解成本严重阻碍了纤维素乙醇的商业化进程。研究者们认为造成酶水解成本较高的主要原因之一是由于纤维素酶解糖化未达到淀粉质浓醪酶解的“三高”(高浓度、高转化率和高效率)指标。因此，国内外研究者从探索经济高效预处理方法、提高基质纤维素纯度和可酶解性，以及减少发酵抑制物产生等方面研究纤维质浓醪糖化，以期实现可发酵性糖的“三高”指标。总之，本专利技术对甘油有机溶剂预处理工艺进一步研究和创新，并考察甘油预处理纤维素的浓醪酶解糖化，使其更具有产业上的应用潜力。
技术实现思路
为解决当前纤维质原料存在难以浓醪酶解糖化的问题，本专利技术提供一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法，包括以下步骤：(1)将纤维质原料粉碎至3-50mm。(2)将步骤(1)中粉碎的纤维质原料在甘油中蒸煮处理，经分离后获得甘油粗纤维素和甘油处理液；(3)将上述收集的甘油处理液于步骤(2)所述蒸煮处理中循环使用7-11次。(4)将步骤(2)得到的所述甘油粗纤维素经由微生物或纤维素酶水解，可获得糖基生物能源或化学品。进一步的，纤维质原料包括源于农林生物质、工业加工剩余物、餐厨垃圾、动物粪便和藻类，及它们的任意混合中的一种或几种。进一步的，在步骤(2)中，甘油指不同浓度的甘油溶液，通常包括粗甘油、工业甘油和精甘油。进一步的，在步骤(2)中，纤维质原料与甘油(折算为纯甘油)质量比为6:1-30:1。进一步的，在步骤(2)中，甘油自催化保温蒸煮条件为：蒸煮表压为0-5atm，蒸煮温度为230-270℃，保温1-30min，该方法具有常压、高温、短时特征，对处理装置要求低，且实现纤维质原料中部分木质素及半纤维素组分的选择性脱除，产生自催化甘油粗纤维素，其中纤维素含量为55-65％，半纤维素含量为15-25％，木质素含量为10-20％。进一步的，在步骤(2)中，甘油酸催化保温蒸煮条件为：蒸煮表压为0-5atm，加酸量为0.01％-0.3％(w/v)溶液体积，蒸煮温度160-240℃，保温1-30min，保温1-30min，该方法具有常压、高温、短时特征，对处理装置要求低，且实现纤维质原料中大部分半纤维素组分的选择性脱除，产生酸催化甘油粗纤维素，其中纤维素含量为55-70％，半纤维素含量为2-10％，木质素含量为20-30％。进一步的，在步骤(2)中，甘油碱催化保温蒸煮条件为：蒸煮表压为0-5atm，加碱量为0.01％-0.3％(w/v)溶液体积，蒸煮温度160-240℃，保温1-30min，该方法具有常压高温短时特征，对处理装置要求低，且实现纤维质中大部分木质素选择性脱除，并产生碱催化甘油粗纤维素，其中纤维素含量为55-60％，半纤维素含量为25-30％，木质素含量为5-10％。进一步的，在步骤(2)中，其分离直接采用自来水洗涤1-3次，使甘油纤维素基质的甘油含量不超过15-20％。进一步的，甘油处理液中包括发酵抑制物，发酵抑制物为糠醛和5-羟甲基糠醛，糠醛和5-羟甲基糠醛总量为原料重量0.1-1.0‰(w/w)。进一步的，甘油蒸煮处理过程中，在高温或碱存在条件下，丙三醇分子会与单糖(葡萄糖和木糖)或寡糖(纤维二糖、木二糖等)以糖苷键相连接，发生耦合反应，进而在步骤(2)中，甘油预处理液中含有甘油糖苷、甘油葡萄糖苷和甘油葡寡糖苷，所述甘油糖苷为甘油木寡糖苷、甘油木糖苷和甘油木聚糖苷中的一种或几种。这些产物具有保湿、抗氧化功能，可作为化妆品添加剂使用，是本专利技术中具有高附加价值的副产物。进一步的，在步骤(4)中，甘油粗纤维浓度为20–40％，纤维素酶添加量为2–15FPU·g-1甘油粗纤维素，水解72–96h，纤维素酶解率可达到70–90％。借由上述方案，本专利技术至少具有以下优点：纤维质原料的现有的热水法、稀酸/碱、汽爆和低沸点有机溶剂预处理等技术大多是在水相中进行的，而本专利技术拟公开技术是在甘油有机相中进行的，这也与之前公开的专利(CN101148830B；CN101440108B)也显著不同。本专利技术具有以下优势：(1)基质适用性强，可广泛应用于不同种类的农林生物质原料；(2)预处理效果可与已被示范或中试的低沸点有机溶剂(乙醇、甲醇和丙酮等)预处理媲美；(3)该预处理属于木质素选择性溶解型，预处理后固体基质中木质素含量可不足10％，纤维素纯度可达60-70％，这有助于当前的纤维素乙醇工业实现高浓水解和浓醪发酵，该特点是当前的稀酸、热水、汽爆和氨爆等预处理技术所无法比拟的；(4)甘油木质素具有纯度高、分子量小且分布窄以及活性基团丰富等特点；(5)该预处理几乎不产生发酵抑制物(糠醛和羟甲基糠醛等)；(6)与其它预处理溶剂(有机溶剂或离子液)相比，甘油是多种微生物优良碳源，少量残留对后续微生物/酶活性无明显不良影响；(7)甘油热敏性好(比热容不足水的60％)，工艺温度可控性好；(8)最重要的是，该预处理把生物柴油工业副产物甘油用于纤维素乙醇工业的预处理，有助于同时推进生物柴油和生物乙醇的工业化。与已公开甘油有机溶剂预处理(CN101148830B；CN101440108B)相比，本专利技术技术是在甘油有机相中进行的，不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)纤维质原料在甘油相蒸煮处理，经分离后获得甘油粗纤维素和甘油处理液；(2)将上述收集的甘油处理液于步骤(1)所述蒸煮处理中循环使用7‑11次。(3)将步骤(2)得到的所述甘油粗纤维素经由纤维素酶水解，获得可发酵性糖。

【技术特征摘要】
1.一种农林生物质原料浓醪水解产糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)纤维质原料在甘油相蒸煮处理，经分离后获得甘油粗纤维素和甘油处理液；(2)将上述收集的甘油处理液于步骤(1)所述蒸煮处理中循环使用7-11次。(3)将步骤(2)得到的所述甘油粗纤维素经由纤维素酶水解，获得可发酵性糖。2.根据权利要求1所述的一种农林生物质原料浓醪水解产糖方法，其步骤(1)甘油相，特征在于：甘油含量95-100％无水甘油，主要涉及工业甘油和精甘油，也指30％-80％粗甘油溶液经升温浓缩而成的甘油相。3.根据权利要求1的步骤(1)提及甘油相蒸煮处理，其特征在于：纤维质原料在甘油相中不外加任何催化剂而进行蒸煮预处理，预处理条件为：表压0-5atm下蒸煮温度为230-270℃，保温1-30min，该方法具有常压短时特征，对处理装置要求低，且实现部分木质素及半纤维素的选择性脱除，产生自催化甘油粗纤维素。4.根据权利要求1的步骤(1)提及甘油相蒸煮处理，其特征在于：加酸量为0.01％-0.3％(w/v)溶液体积，表压0-5atm下蒸煮温度160-240℃，保温1-30min，该方法具有常压短时特征，实现绝大部分半纤维素组分的选择性脱除，并产生酸催化甘油粗纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙付保，洪嘉鹏，唐松，周豪，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32