一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法技术

本发明专利技术涉及一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其具体步骤为：(1)对木质纤维素原料进行预处理；(2)在反应器内对第(1)步得到的物料进行快速生物降解处理，脱除预处理过程中产生的多种对后续酶解和发酵具有抑制作用的化合物；(3)在反应器内对第(2)步得到的物料进行酶解及后续加工。本发明专利技术的优点：在保证抑制物降解效率的前提下，将处理周期缩短到6-36小时，大幅提高了该过程的效率和实用性；同时，将生物降解过程放大到反应器水平，并将其与后续的转化过程整合在同一个反应器内，提高了生物炼制过程的集成度，为抑制物的生物降解在木质纤维素生物炼制工业中的应用奠定基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物炼制以及生物能源领域，具体的是一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法。
技术介绍
木质纤维素生物炼制的主要流程包括木质纤维素的前处理、预处理、酶解糖化、发酵生产以及产品分离等工序。预处理过程是指利用物理、化学以及物理化学方法对木质纤维素的结构进行破坏的一个过程，该过程可以有效地增加木质纤维素原料中的纤维素以及半纤维素在后续生物加工中的转化效率，是木质纤维素生物炼制过程中最重要的步骤。然而在预处理过程中，由于高温以及化学催化剂的协同作用，木质纤维素原料中的纤维素、半纤维素和木质素不可避免地会产生过度降解，产生对后续酶水解糖化以及发酵过程有强抑制作用的副产物，主要包括三类：呋喃类衍生物(糠醛、羟甲基糠醛)、有机酸(甲酸、乙酸、乙酰丙酸)和酚类化合物。不同形式的预处理以及不同催化剂的使用会造成预处理后的物料中含有不同种类抑制物的组合，极大程度地抑制后续的转化过程，因此必须选择有效的脱除抑制物的方法保证生物炼制。脱除抑制物的方法包括物理方法、化学方法、生物方法，其中物理方法包括水洗预处理后的原料、活性炭吸附、蒸发方法去除木质纤维素水解液中的抑制物；化学方法包括离子交换法去除木质纤维素水解液中的呋喃类化合物如糠醛、羟甲基糠醛，石灰过碱化方法去除木质纤维素水解液中的呋喃类化合物以及有机酸；生物法包括利用微生物代谢抑制物或者针对抑制物转化的酶催化过程，使抑制物转化为毒性较低的化合物或进入菌体生长代谢的过程，产生水和二氧化碳。物理以及化学脱除抑制物的方法更多地被应用于木质纤维素的水解液的处理，针对的抑制物种类比较有限，并且需要用到高成本、高能耗的仪器设备，脱除抑制物的反应之余，同时会造成纤维素水解液中的可利用糖类的损失以及大量含有有毒化合物的废水废渣的产生，给工业生产过程中增加了负担。相比物理化学方法而言，生物降解法脱除木质纤维素来源的抑制物，既可以在木质纤维素水解前，又可以在水解后进行，并且条件温和、操作简便、能够处理的抑制物种类较多等优点。而在生物降解中，微生物固态培养的降解方式更突显上述的几种优势，具有在工业化生产过程中的应用前景。固态培养方式降解抑制物应用较为广泛的是丝状真菌、白腐真菌和以及活性污泥的固态培养降解各类木质纤维素来源的抑制物。但是，在微生物固态培养降解木质纤维素来源抑制物的体系中，缺乏有效的传质和混合作用，从而使降解体系中存在温度梯度以及溶氧限制等，造成生物降解过程速率缓慢，极大地影响了木质纤维素生物炼制过程的效率。例如，在公开号为CN102191279A的中国专利中，申请人用丝状真菌AmorphothecaresinaeZN1降解木质纤维素原料预处理后产生的抑制物，彻底脱除糠醛、羟甲基糠醛和乙酸这三种含量最高的抑制物，时间长达4～7天，极大地影响了后续生物转化过程的效率。基于此，本专利技术致力于通过在反应器水平采用调整生物降解的过程策略，加速木质纤维素来源抑制物的生物降解速率，为生物降解在生物炼制产业中的应用提供参考。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服预处理后木质纤维素来源的抑制物生物降解过程环节的慢速低效，将生物降解过程转移到能够处理高固体含量混合的螺带搅拌桨生物反应器中，加速微生物降解抑制物过程，使生物降解过程控制在36小时之内，随后在同一反应器内进行在位的生物转化生产化学品的过程，在保证生产效率的同时，提高生物炼制过程的总体效率。本专利技术通过以下技术方案实现的：一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其具体步骤为：(1)将木质纤维素原料进行除尘、粉碎；木质纤维素原料包括玉米秸秆、小麦秆、大麦秆、稻草、麸皮、稻壳、高粱杆、油菜秆、柳枝稷、芦苇、废纸、木屑、麻风树籽壳等富含纤维素和半纤维素的物料的一种或几种的混合物，通过锤式粉碎机将物料粉碎至颗粒长度为0.1cm-1cm；(2)将(1)中粉碎的原料进行预处理；预处理方法主要为化学方法，包括稀酸预处理、稀碱预处理、蒸汽预处理、有机溶剂预处理、蒸汽爆破、氨纤维爆破、热水预处理、螺杆挤压预处理、研磨预处理中的一项或多项；(3)从(2)中得到的预处理物料的固态或者液态浆液用抑制物快速生物降解法进行处理。抑制物快速生物降解在生物反应器中进行，该生物反应器可以控制过程的温度、pH、添加供氧、以及搅拌混合作用。其中生物反应器中装备能够处理固体物料的混合作用的搅拌装置，包括螺带式搅拌桨、斜叶式搅拌桨、平板式搅拌桨、框式搅拌桨、锚式搅拌桨。在之前的研究中，螺带式搅拌桨表现出了在固体物料的优良混合作用，因此优先选用螺带搅拌桨作为生物降解反应器中的搅拌桨。其中所用到的微生物包括丝状真菌、白腐真菌、活性污泥。由于丝状真菌树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1在先前申请的专利(CN102191279A)的实施案例中表现出了对微生物发酵毒性最大的呋喃类抑制物降解的优越性，并且相对其他菌而言，有更强的耐受抑制物的能力，因此优先选用树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1；固态生物降解过程所用到的基质包括预处理物料和预处理后液体的混合浆液或者固体秸秆(针对高固体含量的预处理过程)。实现快速生物降解抑制物的方法中，首先，需要将生物降解过程转移至生物反应器中进行；其次，通过在培养过程中添加无机盐离子、提供菌体代谢抑制物的辅因子、溶氧水平、增大菌体接种量、过程pH调控；调节体系的湿度，达到快速降解抑制物的效果。(4)用(3)中经过快速生物的物料或者浆液在同一个螺带搅拌桨生物反应器中直接进行生物转化生产化学品的过程。生物转化过程包括木质纤维素原料的酶解糖化和发酵生产液体燃料或化学品。酶解糖化过程的产品包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖、木质素；发酵生产的化学品过程包括乙醇、丁醇、2,3-丁二醇、生物油脂、乳酸、柠檬酸、谷氨酸、葡萄糖酸、琥珀酸和所有以糖为平台的生物炼制产品。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：与常规的生物脱毒方法相比，快速生物降解抑制物过程在保证产品生产效率的前提下，将过程转移至适用于固体混合的生物反应器中，增加过程中的溶氧、搅拌混合、辅因子及营养添加、pH调控、湿度调控、接种量调节方法，大大缩短了生物降解彻底脱除抑制物的周期，将过程控制在6～36小时，并保留了较多的糖类；而后，在同一个生物反应器中进行后续生物转化生产化学品，与经过传统固态培养模式下的生物降解4天后的木质纤维素原料相比，得到了相同的生产效率。该方法相比原先的生物降解过程而言，无需额外的反应器、减少过程中染菌现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，具体步骤为：(1)木质纤维素原料的预处理；(2)在适用于固体混合的反应器内对第(1)步得到的物料进行快速生物降解处理，脱除预处理过程中产生的多种对后续酶解和发酵具有抑制作用的化合物；(3)在适用于固体混合的反应器内对经过快速生物降解处理的木质纤维素原料进行酶解及后续加工。

【技术特征摘要】
1.一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)木质纤维素原料的预处理；
(2)在适用于固体混合的反应器内对第(1)步得到的物料进行快速生物降解处理，脱除预
处理过程中产生的多种对后续酶解和发酵具有抑制作用的化合物；
(3)在适用于固体混合的反应器内对经过快速生物降解处理的木质纤维素原料进行酶解及后
续加工。
2.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，
所述的步骤(1)中，预处理方法包括稀酸预处理、碱法预处理、有机溶剂预处理、蒸汽预处
理、蒸汽爆破预处理、氨纤维膨爆预处理、热水预处理、螺杆挤压预处理、研磨预处理中的
一种或多种的组合。
3.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，
所述的步骤(2)中，快速生物降解所用到的方式是微生物固态培养。
4.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，
所述的步骤(2)中，快速生物降解中所用到的反应器为适用于固体物料混合的反应器。反应
器为直筒或滚筒式反应器；搅拌桨形式包括螺带式搅拌桨、斜叶式搅拌桨、平板式搅拌桨、
框式搅拌桨、锚式搅拌桨中的一种或几种的组合，优先选用螺带式搅拌桨；反应器设有通气
口，并配备通气管路。
5.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，
所述的步骤(2)中，快速生物降解所用菌种包括丝状真菌、白腐真菌、活性污泥中的一种或
几种的组合，优先选用丝状真菌树脂枝孢霉AmorphothecaresinaeZN1(CGMCC7452)。
6.如权利要求1所述的一种对木质纤维素来源抑制物进行快速生物降解的方法，其特征在于，
所述的步骤(2)中，快速...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍杰，何燕青，张建，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31