一种木质纤维素生物质的综合利用方法技术

一种木质纤维素生物质的综合利用方法，包括以下步骤：(a)对木质纤维素生物质进行N级酸水解，其中，N为大于等于2的整数，所述酸溶液的浓度从第一级到第N级逐级降低的幅度为第一级酸溶液浓度的10-40％；(b)使用纤维素酶对步骤(a)中所述酸水解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(c)用碱溶液处理步骤(b)产生的所述酶解残渣，从而提取所述酶解残渣中的碱木质素。上述方法实现了对木质纤维素生物质资源利用的最大化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种综合利用木质纤维素生物质的方法，具体地说是一种综合利用木质纤维素生物质中纤维素、半纤维素和木质素的方法。
技术介绍
随着化石燃料资源的日趋枯竭和环境污染的日益严重，利用再生能源为石化产品的替代品变得愈加重要。而燃料乙醇是生物质液体能源的物质的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前，世界乙醇生产主要以淀粉类(玉米、木薯等)和糖类(甘蔗、甜菜等)作为发酵的原料。采用微生物法法发酵生产乙醇技术成熟，但是高昂的原料成本使粮食发酵生产乙醇的工业应用受到限制，同时存在与人争粮与粮争地等弊端，并且导致粮食价格持续走高，因此寻找新的原料势·在必行。现在科学家把目光投向成本更为低廉、来源更广泛的木质纤维素生物质。木质纤维素生物质以植物体的形式存在，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素占40%左右，半纤维素占25%左右，木质素占20%左右，地球上每年由光合作用生成的木质纤维素生物质总量超过2000亿吨，因此木质生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源。如果能以木质纤维素生物质为原料生产乙醇，将极大地解决人类的能源问题，但是在这方面仍存在很多技术难题尚未解决。目前，在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇过程中，遇到的第一个问题是对半纤维素、纤维素和木质素未能很好地综合利用，现有处理生物质的工艺技术，大多以降解糖类得到乙醇为目的，不能同时提取得到高纯度、高活性的木质素，往往把木质素作为一个去除对象，同时在对半纤维素的利用中，也存在生成很多纤维素酶抑制剂的缺点，最终也会影响乙醇的产率。在CN100564667C中公开了一种木质纤维素生物质的联合预处理方法及其系统，将木质纤维素生物质粉碎后装入循环反应釜中，并注入稀酸，打开循环泵在温度为500C _200°C下进行循环反应，反应结束后得到水解液；循环反应釜内剩余的木质纤维素冲洗后，放入球磨机中加碱液进行球磨，进一步除去木质素，球磨完毕除碱后用于后继酶解，得到乙醇。该专利采用一次酸解去除半纤维素会造成两个不利影响，一方面，若要想尽可能多去除半纤维素需采用较高的温度及长的反应时间，这样导致前期水解的戊糖在较高温度下易产生糠醛和乙酸等纤维素酶抑制剂，从而降低酶解转化率；另一方面，如果不采用较高的温度及长的反应时间，则酸解后残渣中含有较多的半纤维素，不利于碱溶液提取碱木质素，若要想尽可能多的溶解木质素就需要提高碱的浓度、碱处理的温度和延长碱处理的时间，造成木质素的活性部分受到破坏，从而不能再利用木质素去生产高附加值的产品，因此，上述技术方案不能同时兼顾纤维素、半纤维素和木质素的综合利用。在以木质纤维素生物质为原料生产乙醇的过程中遇到另一个问题是纤维素酶解的转化率低，造成酶解的成本过高(占总生产成本的40-50%)，生产成本过高，无法真正实现工业化。纤维素酶解的转化率低的原因是一方面半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而木质素具有的网状结构，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素，木质素和半纤维素在空间上可阻碍纤维素分子与酶的接触，酶可及度差，增加了酶解的难度。因此有必要对木质纤维素生物质进行有效的预处理，破坏木质素和半纤维素的空间障碍，同时还要避免预处理产生不利于酶解的酶抑制物(如糠醛，乙酸等)，从而有利于纤维素的酶解；另一方面，纤维素分子内和分子间存在氢键，聚集态结构复杂且结晶度高，纤维素酶对结晶纤维素酶促反应活力比较低，因此，为了提高纤维素酶解的转化率，需要提高酶活力。在CN101130530B中公开了利用农林废弃物生产糠醛的系统及方法，通过两步法生产糠醛，包括水解系统和脱水蒸馏系统，其中水解系统包括相互首尾连接的N级酸水解反应釜，将农林废弃物连续水解生成戊糖溶液。上述N级酸水解系统存在的缺点是，由于各级水解反应釜中水解浓度相同，因此对木质素和纤维素的破坏率大，且生成的糠醛、乙酸等酶抑制剂较多，不利于木质纤维素生物质的综合利用。
技术实现思路
为此，本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的综合利用纤维素、半纤维素和木质素时，不能同时得到高活性的木质素、较高的半纤维素和纤维素提取率的问题，从而提出了。为达到上述目的，本专利技术提供，包括以下步骤 (a)对木质纤维素生物质进行N级酸水解，N级酸水解的反应釜首尾相接，将其中一个反应釜设为第一级，最后一个设为第N级，新配制的酸溶液加入第一级酸水解反应釜，调节第一级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第二级酸水解反应釜内，调节第二级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第三级酸水解反应釜内，依次顺序，直到调节第N-1级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第N级酸水解反应釜内，第N级酸水解反应釜排出的酸溶液为最终的戊糖溶液，然后将第一级酸水解反应釜中的酸水解残渣排出、并装入新的木质纤维素生物质原料，将其作为第N级酸水解反应釜，将第二级酸水解反应釜作为第一级酸水解反应釜，第三级酸水解反应釜作为第二级酸水解反应釜，直到第N级酸水解反应釜作为第N-1级酸水解反应釜，再进行酸水解反应，如此循环往复可以实现木质纤维素生物质的连续水解；其中，所述酸溶液的浓度从第一级到第N级逐级降低的幅度为第一级酸溶液浓度的10-40%，N为大于等于2的整数；(b)使用纤维素酶对所述步骤(a)中的所述酸水解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(C)用碱溶液处理所述步骤(b)中的所述酶解残渣，从而提取所述酶解残渣中的碱木质素。所述酸溶液的种类没有特别的限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规使用的酸，例如N级酸水解的酸可以为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或几种。所述N级酸水解的温度、压强和时间没有特别限定，可以是木质纤维素生物质进行酸水解的常规温度、压强和时间，例如所述N级酸水解中每级水解反应的温度为100-150°C，压强为O. 1-0. 47MPa ;又例如所述N级酸水解中每级水解反应的时间(即酸溶液在反应釜中的停留时间)为O. 25-2小时。上面所述N较为理想的选择为3-5的整数。所述木质纤维素生物质可以为玉米秸杆、稻秸、甘蔗渣、棉柴、棉子壳、玉米芯、稻草、高粱杆、阔叶木材和木片等的一种或几种。根据原料情况进行预处理，对木质纤维素生物质原料进行切割或粉碎，接着对该秸杆段进行洗涤除尘。根据本专利技术所述方法，为了获得更高的纤维素酶解的转化率，优选由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为PenicilliumdecumbensFO-GS-OS,已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心(简称CCTCC)，保藏单位地址武汉大学保藏中心。登记入册的编号是CCTCCM2011195，保藏日期是2011年6月13号。此菌株为酶解纤维素的菌株。所述纤维素酶解的条件为底物用量为80_150g/L，纤维素酶的添加量为10-15FPU/g纤维素，温度为45-55°C、pH为4-6、搅拌转速为50_200rpm，酶解转化时间为2-7 天。 纤维素酶解糖化后，可以采用本领域技术人员公知的方法，发酵生产乙醇。所述步骤(C)的具体步骤为(i)经碱溶液处理所述酶解残渣使其中的木质素溶解于碱溶液；(ii)然后进行过滤、洗涤得到固体和液体；(iii)将所得液体经过膜设备分离、浓缩得到碱木质素溶液。所述步骤(iii)中还包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于包括以下步骤：(a)对木质纤维素生物质进行N级酸水解，N级酸水解的反应釜首尾相接，将其中一个反应釜设为第一级，最后一个设为第N级，新配制的酸溶液加入第一级酸水解反应釜，调节第一级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第二级酸水解反应釜内，调节第二级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第三级酸水解反应釜内，依次顺序，直到调节第N?1级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第N级酸水解反应釜内，第N级酸水解反应釜排出的酸溶液为最终的戊糖溶液，然后将第一级酸水解反应釜中的酸水解残渣排出、并装入新的木质纤维素生物质原料，将其作为第N级酸水解反应釜，将第二级酸水解反应釜作为第一级酸水解反应釜，第三级酸水解反应釜作为第二级酸水解反应釜，直到第N级酸水解反应釜作为第N?1级酸水解反应釜，再进行酸水解反应，如此循环往复可以实现木质纤维素生物质的连续水解；其中，所述酸溶液的浓度从第一级到第N级逐级降低的幅度为第一级酸溶液浓度的10?40％，N为大于等于2的整数；(b)使用纤维素酶对所述步骤(a)中的所述酸水解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣；(c)用碱溶液处理所述步骤(b)中的所述酶解残渣，从而提取所述酶解残渣中的碱木质素。...

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于包括以下步骤 (a)对木质纤维素生物质进行N级酸水解，N级酸水解的反应釜首尾相接，将其中ー个反应釜设为第一级，最后一个设为第N级，新配制的酸溶液加入第一级酸水解反应釜，调节第一级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第二级酸水解反应釜内，调节第ニ级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第三级酸水解反应釜内，依次顺序，直到调节第N-1级酸水解反应釜排出的酸溶液的浓度，然后将其加入第N级酸水解反应釜内，第N级酸水解反应釜排出的酸溶液为最終的戊糖溶液，然后将第一级酸水解反应釜中的酸水解残渣排出、并装入新的木质纤维素生物质原料，将其作为第N级酸水解反应釜，将第二级酸水解反应釜作为第一级酸水解反应釜，第三级酸水解反应釜作为第二级酸水解反应釜，直到第N级酸水解反应釜作为第N-1级酸水解反应釜，再进行酸水解反应，如此循环往复可以实现木质纤维素生物质的连续水解； 其中，所述酸溶液的浓度从第一级到第N级逐级降低的幅度为第一级酸溶液浓度的10-40%，N为大于等于2的整数； (b)使用纤维素酶对所述步骤(a)中的所述酸水解残渣进行酶解，得到葡萄糖溶液和酶解残渣； (C)用碱溶液处理所述步骤(b)中的所述酶解残渣，从而提取所述酶解残渣中的碱木质素。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述N为3-5的整数。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述纤维素酶为由一株青霉菌培养得到的纤维素酶，该青霉菌分类命名为PenicilliumdecumbensFlD-GS-OS,已保藏于武汉大...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，江成真，高绍丰，张恩选，马军强，栗昭争，赵兴国，郭雨霖，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：