木质纤维素一锅法生物转化方法技术

本发明专利技术提供了木质纤维素一锅法生物转化的方法，包括以下步骤：(1)机械处理：将木质纤维素原料粉碎，清洗，投放到密闭反应器中，加水，浸泡。(2)化学处理：向反应器中加入亚硫酸铵，磺化处理完毕后，使黑液流出；(3)物料清洗：向反应器中加入水，混合均匀；通入高压氮气，使黑液流出；(4)糖化：向容器中加入糖化培养基，高温高压灭菌；接种产纤维小体菌株种子液，糖化得到含有葡萄糖的糖液。(5)发酵：向获得的发酵培养基中接入活化的好氧异养微生物种子液，发酵。本发明专利技术所述的方法，简化了工艺步骤和对设备的要求，且降低碳源成本和用酶成本，同时解决了农林废弃物的综合利用问题，具有巨大的环境效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】
木质纤维素一锅法生物转化方法
本专利技术属于生物
，涉及一种木质纤维素的生物转化方法，具体涉及一种用于木质纤维素的全菌糖化方法。
技术介绍
近年来，从生物质中获取可再生的能源、材料或化学品得到世界各国的普遍关注。利用木质纤维素类生物质为原料生产第二代生物基燃料或化学品，成为能否大规模替代石油基产品的关键。木质纤维素类生物质是地球上蕴藏最为丰富的可再生生物质资源，将其转化为能源、化学品或材料具有巨大的应用和发展前景。特别的，我国是农业大国，每年的农作物秸秆产量超过9亿吨。另一方面，秸秆焚烧引起的环境污染与交通安全事故等问题，也促使国家推出一系列秸秆综合利用的规划、方案与措施，推动农业废弃生物质综合利用的产业化发展。木质纤维素到燃料或者化学品的转化通常需要经过预处理、糖化、发酵三个步骤单元，不同步骤单元通常技术条件有很大区别，而且整个操作过程复杂、能耗高、同时产生大量废水。因此，国际上出现了将糖化与发酵环节整合的相关技术，包括分步水解发酵工艺(SHF)、同步糖化发酵工艺(SSF)以及整合生物加工技术(CBP)三种。其中，SHF和SSF都需要首先在独立的反应器中进行真菌来源的游离纤维素酶体系的生产，然后对预处理后原料进行纤维素的酶水解及发酵。CBP将纤维素酶的生产与酶解发酵等各个相对独立的技术环节整合为同一步骤，在同一反应器中进行(CurrOpinBiotechnol2005,16:577-583)，具有简化流程、降低设备要求等优势。此外，研究人员还进行了预处理技术与下游工艺整合技术的研究。Kataeva等人发现，极端嗜热菌Caldicellulosiruptorbescii可以水解不经过预处理的底物(Energy&EnvironmentalScience.2013.6:2186-2195。专利技术专利申请201010149132.2公开了“一种纤维素原料糖化的方法”。该方法是基于一种高温嗜热厌氧菌分泌的纤维小体，该纤维素小体能够有效降解结构复杂的结晶纤维素。该申请能够使不经过物理或化学的方法预处理的纤维素材料，直接进行发酵或酶处理，并高效水解为还原糖。但是，二者均存在效率过低，且终产物成分复杂的问题，尚不具有应用的价值。专利技术专利申请201610202657.5公开了“利用生物质‘一锅法’制备可发酵糖或生物乙醇的方法”；该方法包括以下步骤：(1)将机械处理并过筛后的生物质加入至低温氢氧化钠/尿素溶液体系中搅拌至室温；(2)加入酸调节pH，加入酶水解；测定酶解液中糖含量，计算生物质原料中糖的酶解转化率；(3)酶水解24～48h后，向酶解液中接种菌种，发酵制备生物乙醇，测定目标产品的产率。该申请将预处理、酶水解、发酵一锅法完成，操作便捷，耗时短，减少了过程中木质纤维素底物的流失及大量废水的产生。然而，该方法需要加入酸进行碱液的中和，化学品用量大，而且终产物的得率较低。此外，该申请酶解过程采用游离纤维素酶制剂，由于现有的酶制剂技术被发达国家公司垄断，因此采用纤维素酶制剂的生产工艺普遍成本高昂，不具备经济性。磺化法是工业上使用较多的脱除木质素的方法，即采用亚硫酸盐或亚硫酸氢盐将木质素磺化，磺化后的木质素由于亲水性的增加而更易脱除。吕佳青等采用亚硫酸铵预处理麦草备料废渣(中国造纸，2015,34,1-6)，在165℃下用16％亚硫酸铵预处理，经PFI磨浆得到的底物，酶水解总糖转化率可达67％。Yu等人研究发现(BioresourceTechnology,2016,199,188-193)，用5.21％亚硫酸镁，在170℃下处理60min，大约90％的木质素和80％的半纤维素可以脱除，酶水解后的纤维素转化率可达90％。然而，磺化法预处理后的木质纤维素原料中富含游离的木质素成分，即形成黑液，且pH值高，对酶制剂具有显著的抑制性，通常需要下料后用专门的洗浆设备进行反复清洗，才能进行下一步酶解糖化；而且单独使用磺化预处理木质纤维素原料，酶水解后得到的也是混合糖，半纤维素利用效率较低。专利技术专利申请201610133959.1公开了“一种预处理分离木质纤维素类生物质的方法”，所述方法包括以下步骤：1)先将木质纤维素类生物质机械破碎到合适的粒径大小，然后进行预浸渍；2)将步骤1)中得到的固体与水或水蒸气混合进行水热预处理；3)将步骤2)中得到的经水热预处理并清洗后的固体物料与磺化预处理药液混合进行磺化预处理。该申请将水热预处理和磺化预处理组合起来，既可以有效脱除半纤维素，也可以有效脱除木质素，从而使底物纤维素含量显著提高，并大大改善其酶水解效率。与依赖于酶制剂的工艺相比，基于纤维小体全菌催化的生物糖化策略具有简化流程、降低设备要求等优势，是最适合纤维素类生物质生物转化利用的工艺路线。纤维小体是一种具有复杂结构和组分的胞外多酶复合体，是自然界中已知的最高效的纤维素降解体系之一。目前，木质纤维素全菌催化糖化主要利用基于热纤梭菌这一产纤维小体的高温厌氧菌作为全菌催化剂。至今，尚没有木质纤维素全菌催化糖化“一锅法”技术的报道。
技术实现思路
针对现有技术中木质纤维素利用中所存在的步骤繁琐、技术匹配性差、成本高昂、污染严重等问题，本专利技术提供了木质纤维素一锅法生物转化的方法，具有成本低、过程简单等优势，而且减少了废水排放，在工业上应用前景良好。木质纤维素一锅法生物转化的方法，包括以下步骤：(1)机械处理：将木质纤维素原料进行机械粉碎，用水清洗，然后从密闭反应器上方的投料口投放到密闭反应器中，按照固液重量体积比1:2-1:6添加水，混合均匀，浸泡。其中，所述机械粉碎后木质纤维素原料的碎片粒径不超过2cm，浸泡时间为2-4h。所述木质纤维素原料为玉米秸秆、麦秸、灌木条枝、木片、玉米芯、稻草和废纸中的一种或多种的组合。(2)化学处理：向密闭反应器中加入适量亚硫酸铵，在160-190℃的温度条件下进行磺化处理1-4h。反应完毕后，打开密闭反应器底部的卸料口，使黑液经由卸料口所配备的过滤装置流出至储藏罐中；所述储藏罐通过管路与密闭反应器相连接。当密闭反应器中的压力降至大气压时，利用储藏罐顶部的真空泵抽真空，使储藏罐中形成负压，黑液进一步流出；直至密闭反应器中物料的含水量达到30％-50％，关闭卸料口。其中，所述密闭反应器中亚硫酸铵的终浓度为9-15％(w/v)。(3)物料清洗：向密闭反应器中加入水，混合均匀；向密闭反应器中通入高压氮气，使反应器内压力达到10-12个标准大气压，然后打开密闭反应器底部的卸料口，使黑液经由卸料口所配备的过滤装置流出至储藏罐中。当密闭反应器中的压力降至大气压时，利用储藏罐顶部的真空泵抽真空，使储藏罐中形成负压，黑液进一步流出；至密闭反应器中物料的含水量达到30％-50％，关闭卸料口。所述加入水的量为步骤(2)处理之后物料体积的1-2倍。其中，物料清洗步骤可以重复1-4次，直至物料的pH不高于7.5。通过抽滤洗涤去除黑液，不但免除了酸的添加，减少了化学品的使用；而且黑液通过改性可以制备有机肥还田，提高工艺经济性，减少废水排放。此外，磺化预处理后的物料经抽滤洗涤之后，完全符合糖化步骤的要求，这是实现“一锅法”的关键步骤。(4)糖化：按照1:2-1:25的固液重量体积比，向密闭容器中加入糖化培养基，高温高压灭菌；接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.木质纤维素一锅法生物转化法，其特征在于：包括以下步骤：(1)机械处理：将木质纤维素原料进行机械粉碎，清洗，投放至密闭反应器中，按照固液重量体积比1:2‑1:6添加水，混合均匀，浸泡；(2)化学处理：向密闭反应器中加入适量亚硫酸铵，在160‑190℃的温度条件下进行磺化处理1‑4h；反应完毕后，打开密闭反应器底部的卸料口，使黑液流至储藏罐中；当密闭反应器中的压力降至大气压时，利用储藏罐顶部的真空泵抽真空，使储藏罐中形成负压，黑液进一步流出；直至密闭反应器中物料的含水量达到30％‑50％，关闭卸料口；(3)物料清洗：向密闭反应器中加入水，混合均匀；向密闭反应器中通入高压氮气，使反应器内压力达到10‑12个标准大气压，然后打开密闭反应器底部的卸料口，使黑液流至储藏罐中；当密闭反应器中的压力降至大气压时，利用储藏罐顶部的真空泵抽真空，使储藏罐中形成负压，黑液进一步流出；至密闭反应器中物料的含水量达到30％‑50％，关闭卸料口；(4)糖化：按照1:2‑1:25的固液重量体积比，向密闭反应器中加入糖化培养基，高温高压灭菌；接种产纤维小体菌株种子液，采用间歇式搅拌方式，在34‑65℃的温度条件和5.8‑6.5的pH下进行糖化反应，得到含有葡萄糖的糖液；(5)发酵：当密闭反应器中葡萄糖浓度达到25‑180g/L时，通入无菌空气，添加培养基组分，获得发酵培养基；然后接入活化的好氧异养微生物种子液，搅拌均匀，在15‑38℃的温度条件、补氮、pH6.5‑9.0下发酵1.5‑7天，获得好氧异养微生物发酵液，测定生物量。...

【技术特征摘要】
1.木质纤维素一锅法生物转化法，其特征在于：包括以下步骤：(1)机械处理：将木质纤维素原料进行机械粉碎，清洗，投放至密闭反应器中，按照固液重量体积比1:2-1:6添加水，混合均匀，浸泡；(2)化学处理：向密闭反应器中加入适量亚硫酸铵，在160-190℃的温度条件下进行磺化处理1-4h；反应完毕后，打开密闭反应器底部的卸料口，使黑液流至储藏罐中；当密闭反应器中的压力降至大气压时，利用储藏罐顶部的真空泵抽真空，使储藏罐中形成负压，黑液进一步流出；直至密闭反应器中物料的含水量达到30％-50％，关闭卸料口；(3)物料清洗：向密闭反应器中加入水，混合均匀；向密闭反应器中通入高压氮气，使反应器内压力达到10-12个标准大气压，然后打开密闭反应器底部的卸料口，使黑液流至储藏罐中；当密闭反应器中的压力降至大气压时，利用储藏罐顶部的真空泵抽真空，使储藏罐中形成负压，黑液进一步流出；至密闭反应器中物料的含水量达到30％-50％，关闭卸料口；(4)糖化：按照1:2-1:25的固液重量体积比，向密闭反应器中加入糖化培养基，高温高压灭菌；接种产纤维小体菌株种子液，采用间歇式搅拌方式，在34-65℃的温度条件和5.8-6.5的pH下进行糖化反应，得到含有葡萄糖的糖液；(5)发酵：当密闭反应器中葡萄糖浓度达到25-180g/L时，通入无菌空气，添加培养基组分，获得发酵培养基；然后接入活化的好氧异养微生物种子液，搅拌均匀，在15-38℃的温度条件、补氮、pH6.5-9.0下发酵1.5-7天，获得好氧异养微生物发酵液，测定生物量。2.根据权利要求1所述的木质纤维素一锅法生物转化法，其特征在于：步骤(3)中所述加入水的量为步骤(2)处理之后物料体积的1-2倍；所述步骤(3)重复1-4次，直至物料的pH不高于7.5。3.根据权利要求2所述的木质纤维素一锅法生物转化法，其特征在于：步骤(1)所述机械粉碎后木质纤维素原料的碎片粒径不超过2cm，浸泡时间为2-4h；所述木质纤维素原料为玉米秸秆、麦秸、灌木条枝、木片、玉米芯、稻草和废纸中的一种或多种的组合。4.根据权利要求2所述的木质纤维素一锅法生...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔球，刘亚君，李滨，冯银刚，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37