一种糖化处理木质纤维素的新方法技术

本发明专利技术涉及一种糖化处理木质纤维素的新方法，包括稀酸预处理、球磨粉碎、纤维素酶复配和酶解糖化过程，具体方法为：将粉碎后的木质纤维素原料用Ｈ↑［＋］浓度０．０１ｍｏｌ／Ｌ～０．１ｍｏｌ／Ｌ的稀酸预处理、球磨粉碎后得到酸解糖液，将至少两种纤维素酶与木聚糖酶混合得到复配纤维素酶，并对酸解球磨后剩余的固体进行一步酶解糖化处理后得到酶解糖液。利用稀酸球磨和复配酶一步酶解结合的工艺，木质纤维素原料的水解糖得率可以高达９０％以上。本方法具有反应条件温和、操作简单、酶解效率高，处理后得到的糖液对后续发酵无抑制、可以综合利用、无环境污染等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体涉及通过稀酸球磨、结合纤维 素酶复配来提高纤维素酶催化木质纤维素糖化的方法，属于生物化工

技术介绍
乙醇是一种很有希望替代有限石油的燃料。日前燃料乙醇主要原料是粮食，然而粮 食生产乙醇产量有限。真正可大量转化乙醇的应是纤维质材料。纤维质材料转化乙醇的 挑战性问题是产量偏低、成本偏高。纤维质材料的预处理是转化乙醇过程中的关键步骤， 该步骤的优化可明显提高纤维素的水解率，进而降低乙醇的生产成本。对利用木质纤维素类物质生产乙醇工艺中，通常都要对木质纤维素进行预处理，此 步骤的主要目的是改变木质纤维素的表面结构，破坏木质素和半纤维素构成的网络结 构，脱去木质素，降低纤维素的结晶度。而目前已经实施产业化的木质纤维素预处理工 艺主要有两类酸水解和酶水解。单一酸或碱处理需要10% 77%左右的浓度，由于其污染重、腐蚀大、酸碱回收困难、后处理难度大等问题依然还在突破中。与酸水解相比， 酶解法是近年来刚起步的新方法，由于其条件温和、效率高以及不存在污染等优势，成 为全球公认的最有发展前景的方法之一。然而，纤维素酶的使用成本较高，而目前酶解 转化的效率又低，这些都成为制约秸秆酶解发酵制备乙醇的关键因素。纤维质材料必须经过预处理后，才能在纤维素的酶水解过程中获得较高的转化率， 并且对前期工序和后期工序的成本都会产生重要影响。因为木质素、半纤维素对纤维素 的保护作用以及纤维素本身的结晶结构，天然的纤维质原料直接进行水解时，其水解程 度是很低的，即纤维素水解成糖的百分比很低。因此必需对木质纤维素原料进行一定的 预处理，将木质素和半纤维素去除，减小纤维素的结晶度和增加多孔性，增大纤维素的 可接触面积，进而提高水解效率。较好的预处理方法还可以减少酶的用量。因此提高酶 催化效率以及降低酶用量从而降低成本都是目前木质纤维素糖化工艺存在的主要问题。中国专利CN1806945公开了一种利用秸秆预处理和酶解工艺使秸，纤维素完全酶 解的方法，将秸秆首先经汽爆处理，然后用热水洗涤，除去半纤维素多糖，干燥后与离 子液体混合，微波加热或直接加热，然后将处理后的秸秆用水反复冲洗，洗涤液中的溶 剂可以通过蒸馏等方法回收，冲洗干净的处理秸秆在5(TC下，pH4.8的缓冲液中用纤维素酶酶解48 72小时，纤维素的酶解率可达到100%,但是汽爆处理的上述缺陷仍然存 在，且汽爆后仍需要加热，能耗极大，生产成本过高，且工艺繁琐；美国专利US5562777 公开了一种强酸水解纤维素和半纤维素的方法，将浓度为70% 77%的浓硫酸与纤维素 和半纤维素的混合物按1.25:1混合均匀后形成凝胶状，然后加水使凝胶物中的硫酸浓度 稀释至20% 30%，然后加热至80。C 10(TC，处理40 min 480 min，该工艺有效破坏 了纤维素的结晶结构，有利于提高后续处理时纤维素的降解率，但该工艺同样存在处理 温度高、强酸用量大、生产成本高等缺点；中国专利CN1970781公开了一种超声波协 同改性纤维素酶催化木质纤维素糖化的方法，通过粉碎(20目)和碱处理(常温，3%~ 8%)分离原料中的木质素，用活化后的单甲氧基聚乙二醇与纤维素酶在柠檬酸-柠檬酸 钠缓冲溶液中反应得到改性纤维素酶，将改性纤维素酶与p-葡萄糖苷酶、淀粉酶和果胶 酶混合得到复配酶液，将复配酶按照相应的比例加入预处理后的原料中，配合超声波(80 W 300W)进行酶催化反应，最后经过滤、减压蒸发，得到浓縮糖液(25% 35%)， 该方法采用酶改性结合复配的方法，提高了综纤维素的转化率，但该方法的碱液浓度过 大，对生产设备的维护保养和生产成本造成了巨大压力，由于前期碱处理效果不良，造 成了后期酶解工艺的复杂化，超声处理和减压等操作进一步增加了能耗及生产成本；中 国专利CN101255479公开了一种将木质纤维素高效糖化的预处理方法，具体涉及一种 常温低浓度碱液预处理木质纤维素的方法，其优点在于整个操作不需要加热，且利用浓 度为0.1% 3%的超低浓度碱液湿磨的预处理方式，而且碱液可以回收使用，大大节约 了操作成本，但是该方法对酶的使用未作优化，使得其酶解效率相对低下；中国专利 CNI01092639公开了一种生物酶降解糖化作物秸秆的方法，将经粉碎后的秸秆采用微生 物和稀酸联合预处理后，再用中性木聚糖酶和酸性纤维素酶进行降解糖化，且其纤维质 的酶水解分两步进行，该方法转化率较高，污染轻，但是在预处理阶段采用微生物发酵 和稀酸联合处理， 一定程度上延长了操作时间，而且酶水解分两步进行，并不算是实质 上的复配操作，其繁琐的工艺和冗长的时间，并不适用于工业化大生产。现有技术存在的问题可归结为(O大多工艺需要使用高温高压处理方法，能耗高、 糖收率低；(2)化学处理与蒸汽爆破、超声波、微生物发酵等特殊操作结合提高了处理 效果，但是生产成本也相应增加；(3)预处理阶段普遍使用酸处理或碱处理方法，但酸 /碱浓度均高于3%,对设备的耐腐蚀性能要求较高，因而增加了维护和保养费用，以及 酸/碱的大量使用，以及未反应的酸/碱无法回收等问题，均增加了生产成本；(4)有的 方法虽然提到了酶复配，但是没有一个可以定量说明和分析酶复配的方法，而且酶解效率提高不明显，仍需要在超声波等辅助条件下操作，无形中进一步增加了操作成本；(5) 或者有的工艺使用了复配酶，但是酶解效率不高，仍需要再进行二次单酶酶解，并不能 达到省时省力、节约经济的目的。因此，改进预处理方法是目前木质纤维素预处理的关 键问题以及发展方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，通过该方法具有反应条 件温和、操作简单、酶解效率高，处理后得到的糖液对后续发酵无抑制、可以综合利用、 无环境污染等特点。为达到以上目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的，其特征在于包括稀酸预处理、球磨粉碎、纤维 素酶复配和酶解糖化过程将粉碎后的木质纤维素原料用稀酸在常温下浸泡预处理、球 磨粉碎后得到酸解糖液，将至少两种纤维素酶与木聚糖酶混合得到复配纤维素酶，并对 酸解球磨后剩余的固体进行一步酶解糖化处理后得到酶解糖液。本专利技术技术方案的具体步骤包括-(1) 稀酸预处理将木质纤维素原料进行粗粉碎，取粉碎后的原料按照1:5 1:15 (kg:L)的比例与 H+浓度为0.01 mol/L 0.1 mol/L的稀酸在常温下浸泡4 h 12 h;(2) 球磨粉碎将稀酸浸泡后的原料加入球磨罐，装料量为球磨罐容积的50% 80%，其中研磨介 质填充率为10% 50%，装入球磨机进行球磨，球磨15min 30min后，用一价金属碱 液溶液或者Ca(OH)2中和、过滤、水洗，得到酸解糖液；(3) 纤维素酶复配确定各种纤维素酶的滤纸酶活、CMC酶活和fi-葡萄糖苷酶酶活，以及木聚糖酶的 酶活后，将至少两种纤维素酶与木聚糖酶按照滤纸酶活:CMC酶活:B-葡萄糖苷酶酶活:木聚糖酶酶活- 6:(1 3):(100 130):(0 55) 的比例混合，得到各酶系比例一定的复配纤维素酶；(4) 酶解糖化向球磨后过滤得到的固体中以料液比1:5 1:15加入标准柠檬酸缓冲液，调节pH 值为4.5 5.0，反应温度5(TC，按照5.0 30.0 FPIU (滤纸酶活)/g纤维素的量加入第(3)步的复配纤维素酶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种糖化处理木质纤维素的新方法，其特征在于包括稀酸预处理、球磨粉碎、纤维素酶复配和酶解糖化过程：将粉碎后的木质纤维素原料用稀酸在常温下浸泡预处理、球磨粉碎后得到酸解糖液，将至少两种纤维素酶与木聚糖酶混合得到复配纤维素酶，并对酸解球磨后剩余的固体进行一步酶解糖化处理后得到酶解糖液。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林增祥，张红漫，严立石，陈敬文，金强，黄和，瞿亮，胡龄，郑荣平，于文涛，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]