混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺技术

本发明专利技术公开了一种混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺。所述的混合木质纤维素预处理方法是以不同种类的木质纤维素混合作为原料进行木质纤维素的预处理，或木质纤维素经过预处理后，根据浆液的酸碱性或抑制物浓度的高低，混合酸性浆液和碱性浆液或混合低浓度抑制物的浆液和高浓度抑制物的浆液。本发明专利技术利用混合木质纤维素原料，结合不同木质纤维素的优点，缓解由于木质素含量较高的生物质导致的酚类抑制物浓度较高等问题，同时和营养物质较为丰富的生物质进行混合能够促进发酵过程，提高乙醇等发酵产品产率，减少额外化学试剂的添加、降低抑制物对发酵的不利影响。

Pretreatment and Fermentation of Mixed Lignocellulose

【技术实现步骤摘要】
混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺
本专利技术属于生物质能源再生
，具体涉及一种混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺。
技术介绍
木质纤维素作为可再生资源，可以有效缓解化石资源利用中带来的环境污染、能源危机等问题。木质纤维素分布广泛，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。由于木质纤维素结构致密，通常需要经过预处理步骤打开结构，使木质纤维素更容易通过酶解转化为可发酵糖，再进一步发酵生产乙醇等发酵产品。然而，生物质的分布和产量受到季节、地域以及人们种植偏好等因素的影响。这些因素会增加工厂在储存以及运输等方面的成本，阻碍纤维素乙醇等发酵产品大规模工业化的生产。此外，生物质种类的多样和生长环境的差异会使得木质纤维素的结构和成分有所不同，影响以木质纤维素为原料的乙醇等发酵产品生产工艺。不同类型的生物质预处理后产生的抑制物种类和营养物质也不同。例如云杉比玉米秸秆的木质素含量较高，因而可能在预处理后产生较多的酚类抑制物；甘蔗渣含有较多的营养物质，更有利于后续的发酵过程。如果能够将不同种类的木质纤维素原料进行混合，则在一定程度上可以结合各种木质纤维素结构和组成方面带来的好处，减少某种木质纤维素由于结构或组成带来的负面影响，从而在整体上提高木质纤维素预处理以及酶解发酵效果。目前常用的预处理技术主要包括酸法预处理和碱法预处理。其中酸法预处理如稀酸预处理(Zhu,Z.,etal.,Comparativestudyofcornstoverpretreatedbydiluteacidandcellulosesolvent-basedlignocellulosefractionation:Enzymatichydrolysis,supramolecularstructure,andsubstrateaccessibility.Biotechnologyandbioengineering2009,103(4),715-24.)和热水预处理(Kim,etal.,Improvementofsugaryieldsfromcornstoverusingsequentialhotwaterpretreatmentanddiskmilling.Bioresourcetechnology2016,216,706-13.)能够有效的去除半纤维素，增加纤维素的可及性。碱法预处理如氨水预处理和稀碱预处理，能够去除部分木质素，操作简单，但预处理过后的浆液中含有从生物质中脱除的木质素，如果不经过水洗，该浆液可抑制酶解和发酵(Karp,etal.,AlkalinePretreatmentofCornStover:Bench-ScaleFractionationandStreamCharacterization.ACSSustainableChemistry&Engineering2014,2(6),1481-1491.)。此外，这两种预处理所产生的生物质浆料的pH过高或者过低，因而需要外加大量的酸碱将pH调节至适合后续酶解发酵的范围，这将会增加额外的后续处理成本。同时，对预处理浆料进行pH调节中会引入大量的盐，将会影响后续的酶解和发酵制备乙醇等发酵产品过程。因此，如果能够将预处理浆料进行混合，则能够有效克服的这两种预处理的缺点，从而提高乙醇等发酵产品的效率以及降低乙醇等发酵产品的生产成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺。所述工艺利用多种木质纤维素为原料，联合酸法和碱法预处理，对预处理浆料进行混合，无需脱毒以及外加酸碱调节pH，减少工业生产成本，提高乙醇等发酵产品的产率。该实现本专利技术的目的的技术方案如下：混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺，具体步骤如下：步骤1，木质纤维素原料预处理：将多种木质纤维素原料混合后，进行预处理后，得到木质纤维素浆液，或将以单一木质纤维素或多种木质纤维素混合为原料，分别进行酸性预处理和碱性预处理，再将预处理后的混合木质纤维素的酸性浆液和碱性浆液混合，或先将一种木质纤维素原料进行酸性预处理或碱性预处理，依次分批加入不同种类的木质纤维素，得到混合木质纤维素的预处理浆液，或将单一木质纤维素或混合木质纤维素原料经过预处理得到抑制物浓度高和抑制物浓度低的浆液，再将抑制物浓度高和抑制物浓度低的浆液进行混合；步骤2，在预处理后得到的混合浆液中加入水解酶，进行水解；步骤3，调节水解液的pH至发酵菌株的最适pH值，加入发酵菌株，发酵，得到发酵产品。步骤1中，所述的木质纤维选自小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木，硬木以及动物粪便等的一种或者多种。步骤1中，所述的酸性预处理指预处理后生物质浆液呈现酸性(pH<7)的预处理方法，包括稀酸预处理、热水预处理和蒸汽爆破预处理等。步骤1中，所述的碱性预处理是指预处理后生物质浆液呈现碱性(pH>7)的预处理方法，包括稀碱预处理、氨水预处理和氨气预处理等。步骤2中，所述的水解酶包含纤维素酶，根据预处理特性有时也包含半纤维素酶，所述的纤维素酶选自外切纤维素酶，内切纤维素酶或β-葡萄糖糖苷酶等。步骤3中，所述的发酵菌株选自酵母、细菌以及霉菌等。步骤3中，所述的发酵产品可以是丁醇，丙酮，乙酸，乳酸，脂肪烃等目标产品。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)以混合木质纤维素作为生产乙醇等发酵产品的原料，拓宽了木质纤维素乙醇等发酵产品的原料范围，降低了企业经济风险。(2)利用混合木质纤维素原料可结合不同木质纤维素的优点，缓解由于木质素含量较高的生物质导致的酚类抑制物浓度较高等问题，此外，和营养物质较为丰富的生物质进行混合可促进发酵过程，提高乙醇等发酵产品产率。(3)节约化学试剂，降低工业生产成本，秸秆经过酸法或者碱法预处理后需要外加化学试剂调节pH，可增加浆液中的盐浓度，影响微生物的发酵过程。本专利技术将酸性预处理的木质纤维素和碱性预处理的木质纤维素进行混合，不需要外加化学试剂调节pH。附图说明图1为对比例1中稀碱预处理玉米发酵乙醇的浓度随时间的变化曲线图(a)，(b)对比例2中稀酸预处理玉米发酵乙醇的浓度随时间的变化曲线图。图2(a)为实施例5和6中稀碱预处理玉米秸秆和稀酸预处理的玉米秸秆两种比例混合后，酶水解糖的浓度随时间变化曲线图，(b)为实施例5和6中稀碱预处理玉米秸秆和稀酸预处理的玉米秸秆两种比例混合后，72小时酶水解糖产率比较。图3为实施例5稀碱预处理玉米秸秆和稀酸预处理的玉米秸秆按5：7.3比例混合后，发酵乙醇的浓度随时间的变化曲线图。图4为实施例6中稀碱预处理玉米秸秆和稀酸预处理的玉米秸秆按1：2.5比例混合后，发酵乙醇的浓度随时间的变化曲线图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。如表1所示，不同种类的木质纤维素的组成和营养成分不同，由于这种结构差异导致预处理后生物质产生的抑制物种类和水解液成分也会有所差异。表1生物质纤维素，半纤维素和木质素的成分实施例1将多种木质纤维素原料混合后，进行预处理后，得到木质纤维素浆液。本实施例使用农作物生物质为原料进行乙醇发酵的工艺按以下步骤进行:(1)生物质混合。将玉米、小麦和水稻秸秆进行混合，加入到反应器中，使底物质量浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，木质纤维素原料预处理：将多种木质纤维素原料混合后，进行预处理后，得到木质纤维素浆液，或将以单一木质纤维素或多种木质纤维素混合为原料，分别进行酸性预处理和碱性预处理，再将预处理后的混合木质纤维素的酸性浆液和碱性浆液混合，或先将一种木质纤维素原料进行酸性预处理或碱性预处理，依次分批加入不同种类的木质纤维素，得到混合木质纤维素的预处理浆液，或将单一木质纤维素或混合木质纤维素原料经过预处理得到抑制物浓度高和抑制物浓度低的浆液，再将抑制物浓度高和抑制物浓度低的浆液进行混合；步骤2，在预处理后得到的混合浆液中加入水解酶，进行水解；步骤3，调节水解液的pH至发酵菌株的最适pH值，加入发酵菌株，发酵，得到发酵产品。

【技术特征摘要】
1.混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，木质纤维素原料预处理：将多种木质纤维素原料混合后，进行预处理后，得到木质纤维素浆液，或将以单一木质纤维素或多种木质纤维素混合为原料，分别进行酸性预处理和碱性预处理，再将预处理后的混合木质纤维素的酸性浆液和碱性浆液混合，或先将一种木质纤维素原料进行酸性预处理或碱性预处理，依次分批加入不同种类的木质纤维素，得到混合木质纤维素的预处理浆液，或将单一木质纤维素或混合木质纤维素原料经过预处理得到抑制物浓度高和抑制物浓度低的浆液，再将抑制物浓度高和抑制物浓度低的浆液进行混合；步骤2，在预处理后得到的混合浆液中加入水解酶，进行水解；步骤3，调节水解液的pH至发酵菌株的最适pH值，加入发酵菌株，发酵，得到发酵产品。2.根据权利要求1所述的混合木质纤维素预处理方法及其发酵工艺，其特征在于，步骤1中，所述的木质纤维选自小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆...

【专利技术属性】
技术研发人员：金明杰，陈相雪，翟睿，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32