水解木质纤维素类生物质的预处理方法及由使用该预处理方法处理的生物质制造糖化合物和生物乙醇的方法技术

本发明专利技术涉及一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，更具体而言，涉及一种使用湿磨结合膨化在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，一种由使用该方法预处理的生物质制造糖化合物的方法，和一种由使用该方法预处理的生物质制造生物乙醇的方法。根据本发明专利技术，能耗可以得到降低，木质纤维素类生物质可以容易地以环境友好的方式得到预处理，而无需处理化学品，并且水解木质纤维素类生物质的效率可以得到显著提高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，更具体而言，涉及一种使用湿磨结合膨化在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，一种由使用该方法预处理的生物质制造糖化合物的方法，和一种由使用该方法预处理的生物质制造生物乙醇的方法。
技术介绍
通常，糖化合物通过使用微生物培养如植物或海藻等天然产物来生产，并且已经被广泛用于食品和药品领域。葡萄糖是这些糖化合物中的主要的一种。葡萄糖用于许多发酵技术中，并用于满足能量需求，因此对于各种葡萄糖供应源存在需求。 此外，近来，为解决全球变暖所引起的温室效应和石油枯竭的问题，使用糖化合物产生生物能的方法已引起了很大关注。在此情况下，甘蔗汁或玉米淀粉已被用作用于产生生物能(即，生物乙醇)的碳水化合物源。然而，用于生产第一代生物乙醇(淀粉生物乙醇)的原料遇到许多问题，例如，与食品和家畜饲料之间的竞争，和用于生长该原料的区域的饱和，等等。因此，为解决这些问题，美国等国家正在进行由提取自木本和草本植物的木质纤维素生产第二代生物乙醇(纤维素乙醇)的研究。由预处理的木质纤维素类生物质产生燃料乙醇的反应机理主要包括糖化和发酵这两个过程。糖化是使用酶将纤维素转化为葡萄糖的过程。将纤维素转化为葡萄糖的这一过程包括通过将纤维素酶(酶)吸附在纤维素的反应表面上而将纤维素转化为纤维二糖的过程和利用3-葡萄糖苷酶的酶促反应将纤维二糖转化为葡萄糖的过程。此外，发酵是在厌氧条件下使用如酵母等微生物将通过糖化纤维素而产生的葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳的过程。因此，当木质纤维素类生物质被分解或转化时，可以获得大量的对人类生命有用的材料，如纤维素、纸浆、葡萄糖、木糖(木聚糖)、木质素、乙醇和木糖醇等。在此情形中，纤维素的结晶度和孔隙率充当了对于木质纤维素类生物质的生物技术水解具有重大影响的因素，而且木质素或半纤维素的含量也是重要因素。具体而言，在使用酶进行木质纤维素类生物质的生物水解时，酶的吸附能力与纤维素的表面积具有非常密切的关系。木质纤维素类生物质的水解率随着所吸附的酶量的增加而提高，并且由所吸附的酶量和纤维素的结晶度决定。同时，需要预处理过程来糖化木质纤维素类生物质是已知的。为了使预处理过程有效，增加纤维素的量，并降低细纤维的结晶度，从而提高单位面积的木质纤维素类生物质的酶吸附率，结果使纤维素的反应性增加，由此提高了酶的水解能力。预处理过程可以通过各种物理和化学方法进行，例如汽爆(steam explosion)、碱处理、二氧化硫处理、过氧化氢处理、超临界氨处理、弱酸萃取处理和氨冷冻爆裂等。实际中，预处理过程也可以通过这些方法的组合来进行。具体而言，汽爆的缺点在于，半纤维素的回收率低，并且会大量地产生各种不可回收的副产物，如乙酸(发酵抑制剂)和糠醛等。此外，当使用汽爆作为生物质的预处理方法时，生物质的糖化效率很低。因此，使用的是利用碱、二氧化硫或过氧化氢作为用于分解弱酸、有机溶剂或液态氨的催化剂的预处理方法。然而，该方法也在存在以下缺点，即，必须使用昂贵的化学品，并且另外需要用于回收这些化学品的设备，因此增加了安装费用。基于此原因，汽爆已经很少得到实际使用。同时，使用氨进行汽爆作为预处理方法近来已引起了很大关注，其需要多种装置，例如预热线圈、浸出反应器、蒸汽夹套、温度传感器、控制阀、捕集器、开关阀、木质素排放阀、充氨阀、氨再热器、木质素分离器、氨收集器、电导仪、电导率控制器和泵等，以及伴随过程。此外，同时使用化学预处理和化学后处理的汽爆还在下述方面存在问题，即，因使用了如强酸和强碱等化学品而使得在过程中出现腐蚀并产生废酸或废碱，结果导致二次环 境污染，并且难以回收和再生过程中的介质。如上所述，公知的物理预处理方法在下述方面存在问题，即，处理缓慢并且能量消耗很高，因此降低了经济效益；公知的化学预处理方法在下述方面存在问题，即，因使用强酸或强碱化合物而使得成本增加、不适合采用大容量的工艺、毒性变高，由此对于环境具有不良影响。因此，需要开发不引起环境问题并能够降低能耗的有效的预处理方法。
技术实现思路
技术问题本专利技术人已经持续进行了研究和努力以开发能够提高木质纤维素类生物质的水解效率的木质纤维素类生物质预处理方法。结果，专利技术人发现，通过组合湿磨和膨化预处理，明显提高了木质纤维素类生物质的表面积。基于这一发现完成了本专利技术。因此，本专利技术的一个目的是提供一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，与常规预处理方法相比，所述方法能够降低能耗，并且由于可以不处理化学品，所述方法是环境友好的；一种由使用上述方法预处理的生物质制造糖化合物的方法；和一种由使用上述方法预处理的生物质制造生物乙醇的方法。本专利技术的另一个目的是提供一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，所述方法与常规预处理方法相比能够大大提高木质纤维素类生物质的水解效率；一种由使用上述方法预处理的生物质制造糖化合物的方法；和一种由使用上述方法预处理的生物质制造生物乙醇的方法。本专利技术的目的不限于上述目的，对于本领域技术人员而言，由以下描述，其其他目的将是可理解的。技术方案为实现上述目的，本专利技术的一个方面提供了一种在水解前预处理木质纤维素类生物质的方法，该方法包括以下步骤将木质纤维素类生物质浸入水中以使所述木质纤维素类生物质膨胀；湿磨膨胀的木质纤维素类生物质；和膨化湿磨的木质纤维素类生物质。在该方法中，膨化湿磨的木质纤维素类生物质的步骤可以使用膨化机在150°C 250°C的温度和5kgf/cm2 25kgf/cm2的压力这两个条件中的至少一种条件下进行。此外，膨化机可以包括用于直接加热膨化箱的燃烧器；膨化箱，其充有湿磨的木质纤维素类生物质，并在受到直接加热燃烧器加热时保持高温和高压；膨化产物存储箱，其具有预定形状的空间体积并可分离地连接至膨化箱，以使得膨化箱的一部分进入膨化产物存储箱中，由此回收在膨化箱中膨化了的木质纤维素类生物质；马达，其用于使受到直接加热燃烧器加热的膨化箱转动，以保持膨化箱中温度恒定并使蒸汽在被充入膨化箱中的整个木质纤维素类生物质中均匀地扩散；和控制单元，其用于控制膨化箱中的压力和温度中的至少一项。此外，可以在膨化箱中设置温度传感器和压力传感器中的至少一种。本专利技术的另一个方面提供一种由木质纤维素类生物质制造糖化合物的方法，所述方法包括以下步骤糖化用预处理木质纤维素类生物质的方法获得的木质纤维素类生物质。在该方法中，在糖化木质纤维素类生物质的步骤中，可以以相对于100重量份木质纤维素类生物质为I重量份 20重量份的量使用糖化酶。此外，糖化酶可以为选自由纤维素酶、木聚糖酶、P -葡萄糖苷酶及其混合物组成的组中的任一种。本专利技术的另一个方面提供一种由木质纤维素类生物质制造生物乙醇的方法，所述方法包括以下步骤通过预处理木质纤维素类生物质的方法预处理木质纤维素类生物质；糖化预处理的木质纤维素类生物质以获得糖化合物；和使所获得的糖化合物发酵。在该方法中，糖化预处理的木质纤维素类生物质的步骤和使所获得的糖化合物发酵的步骤可以在单一反应器中同时进行。此外，为了同时进行糖化预处理的木质纤维素类生物质的步骤和使所获得的糖化合物发酵的步骤，可以使用能够进行糖化和发酵的重组菌株，并且该重组菌株可以是选自由产酸克雷伯氏菌P2、卡斯酒香酵母(Brett本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴炫钟，魏承坤，辛韩基，
申请(专利权)人：全南大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：