与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法技术

基于现有技术在木质纤维素预处理方面所存在的问题，本发明专利技术提供了一种适用于纤维小体全菌糖化纤维素底物生产可发酵糖的木质纤维生物质的预处理方法。所述预处理方法包括依次进行的(1)物理粉碎、(2)磺化预处理和(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理三个步骤。其中，所述(2)磺化预处理步骤必须设置在(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理步骤的前面。该方法实现了生物质三大组分纤维素、半纤维素和木质素的绿色高效分离，以及综合利用。而且，该方法预处理得到的纤维素底物用于纤维小体全菌糖化，大大提升了水解糖化效率，产生了意料不到的技术效果，具有显著的进步。

【技术实现步骤摘要】
与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法
本专利技术属于生物质能源与生物质综合利用领域，具体的说，涉及一种适用于纤维小体全菌糖化生产可发酵糖的木质纤维生物质的预处理方法。
技术介绍
当今社会，人类对能源的需求日趋庞大，但随着传统石油资源的供应紧张以及对地球环境的破坏，寻求绿色替代能源成为全世界关注的热点。木质纤维生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，是传统石化能源的理想替代品。彭博社最新的能源报告显示，全球有约17.5％的农林废弃物可作为新一代生物燃料的生产原料，到2030年生物燃料有望满足全球约一半的汽油需求量。与传统的化石燃料相比，生物燃料可以减少约80％的温室气体排放。中国作为世界上最大的二氧化碳排放国，面临越来越大的国际压力；因此，中国于2017年12月启动了碳排放权交易体系，并成为全球最大的碳市场。近期多部门联合出台的《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》明确提出，到2020年，在全国范围内推广使用车用乙醇汽油；到2025年，努力在中国实现纤维素乙醇的商业化生产。所以，发展纤维素乙醇不仅有利于提高国家能源安全，还可促进人类社会的可持续发展。将纤维素类生物质高效转化为能源或化学品的一个关键步骤是，通过物理或化学作用预处理分离纤维原料，获得较高纯度易于转化利用的纤维素、半纤维素和木质素。然而，木质纤维素生物质在漫长进化过程中形成的天然复杂高分子结构对微生物(如纤维素酶、纤维小体等)的降解作用具有非常强的抵制能力。因此，开发经济高效的预处理技术是破坏木质纤维素生物质天然抗降解屏障，并实现纤维素、半纤维素和木质素高效分离和利用的关键。目前，比较有代表性的预处理方法可以归纳为3类：物理法(机械粉碎、微波、辐射)、化学法(稀酸法、碱法、有机溶剂、离子液体)和生物法。然而，每一种单一处理方式都有其优势和制约性。其中，物理法不能特定分离某一组分，所以通常作为化学法或生物法处理的前端或后续辅助手段，通过降低原料的机械强度、增大比表面积，以利于后续化学药品或生物制剂与反应底物的作用(BioMedresearchinternational，2015：325905)。化学法中常用的是无机酸、碱，其在分离效果上具有较好的优势，但在设备要求和环境保护方面具有短板，从而大大限制了其在产业化上的推广应用(BiotechnologyforBiofuels,2017，10(1),297)。化学法中低沸点的有机溶剂(如乙醇、甲醇、丙酮、甲酸、乙酸等)则存在易挥发、易泄漏、易燃易爆甚至有毒的问题，而且其处理工艺需要高压下运行，存在安全隐患，限制了其进一步应用。化学法中高沸点有机溶剂(如丁二醇、丙二醇、甘油等)具有蒸汽压力小、安全性高、损失量少等优点；但却存在溶液粘度大、溶解的木质素和碳水化合物分离回收困难的问题，因此短期内也很难实现商业化(Biomass&Bioenergy,2017，100,10)。生物法是利用微生物除去木质素和部分半纤维素，以解除其对纤维素的包裹作用，从而提高木质纤维生物质转化效率的过程。生物法中常见的是用白腐菌、褐腐菌和软腐菌等微生物产生分解木质素的酶类(如过氧化物酶和漆酶)，从而选择性降解木质素，提高纤维素的酶水解糖化率；其中，木聚糖酶对半纤维素水解具有较高的生物选择性。生物法处理产物纯度高、过程绿色环保，但是周期过长，从而导致其难以在工业化生产中应用。为了增强预处理效果，研究人员通常采用几种方式联合使用。同时，针对不同类型生物质原料的结构特点，选择环保、低成本的集成分离技术是解决木质纤维生物质高值转化的有效方式。由于半纤维素侧链含有一定量乙酰基，可以在高温液态水中释放乙酸(水热法)，实现自催化水解溶出半纤维素。该方法无需额外加入酸，且整个处理过程酸性较弱，对设备腐蚀影响小，工艺过程也清洁简单。分离的半纤维素主要以木聚糖的形式存在，可以进一步酶解制备高附加值低聚木糖。亚硫酸盐具有优异的亲核性，木质素可以通过磺化作用生成木质素磺酸盐溶于水中而脱除；如果在磺化药液中加入富含氮源的氨基，还可以进一步将其用作农业肥料，从而极大提高木质纤维生物质的综合利用效率。朱俊勇等开发的SPORL法(酸性亚硫酸钠加盘磨处理)处理松木具有很好的分离效果，且纤维素糖化后发酵乙醇不需要脱毒处理(TAPPIJournal,2011，10(5),9)。Leonardo等通过液氨处理木质纤维原料，在脱除45％的木质素的同时可以使得纤维素构型由原生CI型向更容易酶解的CIII型转变，从而比传统的氨蒸汽爆破法酶用量减少60％(Energy&EnvironmentalScience,2016，9(4),1215)。专利技术人前期公开了一种预处理分离木质纤维素类生物质的方法(CN105625075A)，该法通过水热和亚硫酸铵两步预处理木质纤维原料，对预处理后的底物使用纤维素酶(NovozymeCelluclast)和β葡萄糖苷酶(Novozyme188)进行酶水解，该方法显著提高了纤维素酶水解效率。但是，该方法只验证了对纤维素酶的糖化效果，并未考察其对纤维小体全菌糖化的适用性。纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，是一种复合酶，多产自于真菌，比较典型的有木霉属(Trichoderma)、曲霉属(Aspergillus)和青霉属(Penicillium)。纤维小体是热纤梭菌等厌氧细菌生产的一种具有复杂结构和组分的多酶复合体，是自然界中已知的最高效的纤维素降解体系之一。纤维小体包括脚架蛋白等非催化单元以及具有不同催化活性的酶单元，并通过多级脚架蛋白和不同纤维小体酶类具有的多类型组装模块间特异性的非共价相互作用，将不同的功能组分组装成为分子量超过兆道尔顿的超分子多酶复合体。纤维小体组分和结构还具有时空调控特性，以适应木质纤维素的复杂成分，从而保证了其高效降解活力。而且纤维小体可以在线生产，替代外购商品纤维素酶，使糖化成本大幅降低。但是纤维小体对纤维底物的性质也有一定的要求，底物中木质素和半纤维素都不能太高。因此，急需开发一种与纤维小体全菌糖化相匹配的预处理方法。
技术实现思路
基于现有技术在木质纤维素预处理方面所存在的问题，本专利技术提供了一种适用于纤维小体全菌糖化纤维素底物生产可发酵糖的木质纤维生物质的预处理方法。该方法可以实现生物质三大组分纤维素、半纤维素和木质素的绿色高效分离，以及综合利用。本专利技术的技术方案：与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法，包括依次进行的(1)物理粉碎、(2)磺化预处理和(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理三个步骤。其中，所述(2)磺化预处理步骤必须设置在(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理步骤的前面。这是由于：研究人员发现，如果先进行水热预处理，在半纤维素溶出的同时，大量木质素会迁移、重排、缩聚到纤维表面，使纤维表面被粘性木质素包覆和部分封闭(见附图1)，从而导致在后续进行的磺化预处理过程中木质素脱除不彻底，纤维暴露不充分(见附图2)。由于残留木质素是磺化木质素，对酶水解并没有抑制性；但纤维小体是一个酶的群落，比游离酶的尺寸要大得多，过多残留的木质素就会降低纤维小体对纤维底物的可及性，从而造成水解效率的降低。而如果先进行磺化预处理，木质素被磺化后可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法，其特征在于：包括依次进行的(1)物理粉碎、(2)磺化预处理和(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理三个步骤；所述(2)磺化预处理步骤必须设置在(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理步骤的前面；所述步骤(2)磺化预处理具体为：按照固液重量比1:4‑1:10，将步骤(1)得到的预处理物料A与磺化预处理药液混合，在90‑200℃的温度条件下磺化预处理30‑180min；然后固液分离，得到预处理固体物料B和黑液；所述步骤(3)水热预处理具体为：按照固液重量比1:4‑1:20，将步骤2中得到的预处理固体物料B与水/水蒸气混合，在100‑240℃下水热预处理5‑200min，；然后固液分离，得到的固体即为可用于纤维小体全菌糖化的预处理物料C1；所述步骤(3)木聚糖酶水解预处理具体为：将步骤2中得到的预处理物料B与木聚糖酶水解液混合，温度40‑60℃、pH＝4.0‑7.0下酶解12‑48h；然后固液分离，得到的固体即为可用于纤维小体全菌糖化的预处理物料C2。

【技术特征摘要】
1.与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法，其特征在于：包括依次进行的(1)物理粉碎、(2)磺化预处理和(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理三个步骤；所述(2)磺化预处理步骤必须设置在(3)水热预处理/木聚糖酶水解预处理步骤的前面；所述步骤(2)磺化预处理具体为：按照固液重量比1:4-1:10，将步骤(1)得到的预处理物料A与磺化预处理药液混合，在90-200℃的温度条件下磺化预处理30-180min；然后固液分离，得到预处理固体物料B和黑液；所述步骤(3)水热预处理具体为：按照固液重量比1:4-1:20，将步骤2中得到的预处理固体物料B与水/水蒸气混合，在100-240℃下水热预处理5-200min，；然后固液分离，得到的固体即为可用于纤维小体全菌糖化的预处理物料C1；所述步骤(3)木聚糖酶水解预处理具体为：将步骤2中得到的预处理物料B与木聚糖酶水解液混合，温度40-60℃、pH＝4.0-7.0下酶解12-48h；然后固液分离，得到的固体即为可用于纤维小体全菌糖化的预处理物料C2。2.根据权利要求1所述的与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法，其特征在于：所述步骤(2)中磺化预处理药液为亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的溶液；相对于步骤2中原始原料的绝干质量，所述亚硫酸盐或亚硫酸氢盐用量为5-40wt％。3.根据权利要求2所述的与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类生物质的预处理方法，其特征在于：所述亚硫酸盐为亚硫酸镁、亚硫酸铵、亚硫酸钠、亚硫酸钙和亚硫酸钾中的一种或多种，所述亚硫酸氢盐为亚硫酸氢镁、亚硫酸氢铵、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢钙和亚硫酸氢钾中的一种或多种；相对于步骤2中原始原料的绝干质量，所述亚硫酸盐或亚硫酸氢盐用量为10-25wt％。4.根据权利要求1所述的与纤维小体全菌糖化匹配的木质纤维类...

【专利技术属性】
技术研发人员：李滨，于光，刘亚君，刘超，崔球，张跃东，彭辉，
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