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酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理酸水解残渣，从而提取碱木质素；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液，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Penicillium?decumbens?PD-G3-08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC?M?2011195。上述方法提高了纤维素酶解的转化率，实现了对木质纤维素生物质资源综合利用。

【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，因此木质纤维素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。但是以木质纤维素生物质为原料生产乙醇的过程中遇到的最大问题是纤维素酶解的转化率低，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，需要提高纤维素酶的活力。
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在综合利用半纤维素、木质素和纤维素时，纤维素酶解的转化率低的问题，从而提出一种纤维素酶解的转化率高的木质纤维素生物质综合利用的方法。为达到上述目的，本专利技术提供，该方法包括以下步骤(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液，然后发酵生产乙醇；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Penicillium decumbensPD-G3-08,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CCTCC M 2011195，保藏日期是2011年6月13号。以此菌株为酶解纤维素的菌株。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，例如酸可以为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或几种。所述酸水解的温度为100-150°c，时间为O. 5-3小时，进行所述酸水解时，酸溶液的浓度为O. 5-30重量％ (如选用的酸为强酸，则酸溶液的浓度较低，约为O. 5-5重量％，如选用的酸为弱酸，则酸溶液的浓度较高，约为5-30重量％ )。所述酸溶液为磷酸溶液，所述磷酸溶液的浓度为1-20重量％。所述木质纤维素生物质可以为玉米秸杆、麦秸、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。所述碱溶液处理在40-10(TC下进行。所述碱溶液处理中液固体积比为5 1-20 I。所述碱溶液处理中碱溶液的浓度为5-8重量％。所述碱溶液处理的时间为1-6小时。各种碱都可以用 于本专利技术,包括但不限于氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水等。但是，根据某些优选实施方案，碱溶液为氢氧化钠的水溶液。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。本专利技术的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点1、本专利技术采用了先酸水解，再碱解，最后酶解的工艺路线，酸解和碱解完成后大部分半纤维素和木质素被提取，纤维素暴露出来，从而消除了纤维素的空间障碍，使纤维素酶更容易接触纤维素，提高了纤维素的转化率；同时由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Penicillium decumbens PD-G3-08,已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC M 2011195，采用该青霉菌生产的纤维素酶具有较高的活力，进一步提高了纤维素酶解的提取率。2.本专利技术所用的由青霉菌培养得到的纤维素酶，在底物用量为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天的条件下，酶解转化率最高。3、所述酸水解反应的温度为100_150°C，时间为O. 5-3小时，该温度和时间下既能将半纤维素水解的比较彻底，又能够阻止酸性条件下高温和反应时间过长对木质素和纤维素的破坏。4、本专利技术酸水解所用的酸为磷酸溶液，且磷酸溶液的浓度为1-20重量％时，最大限度避免了破坏木质素及纤维素，且由于磷酸腐蚀性较弱，因此，设备维护简单、使用时间长。5.采用本专利技术碱溶液处理的条件最终得到的碱木质素的活性非常高。附图说明为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中图1是本专利技术工艺流程的示意图。具体实施例方式下面将通过具体实施例对本专利技术作进一步的描述。以下实施例所使用的自制纤维酶均由青霉菌培养得到，具体的培养方法为⑷菌种增殖培养将命名编号为Penicil lium decumbens Η)-63_08青霉菌种子液以5% (v/v)的接种量接入到经过121°C灭菌30min的含有种子培养基的发酵罐中进行活化，保持罐压O. 02-0. 05MPa、通气量O. 5vvm、搅拌转速100-150rpm、30°C培养30-60小时，得到活化后的种子液。所述种子培养基中的组分及用量为取实施例1的酸水解残渣10_30g/L、麸皮20-50g/L、蛋白胨l_4g/L、硫酸铵2-4g/L、其余为水。所述种子培养基中的组分及用量优选为酸水解残渣20g/L、麸皮40g/L、蛋白胨3g/L、硫酸铵3g/L、其余为水。(B)制备纤维素酶将步骤(A)获得种子液以10% (v/v)的接种量接入已经灭菌的装有3L发酵培养基的5L发酵罐中，发酵过程中添加消泡剂控制发泡，保持罐压O. 02-0. 05MPa、通气量O.5-0. 6vvm、搅拌转速100-150rpm、30°C培养80-136小时，得到发酵液。所述发酵培养基中各组分用量分别为酸水解残渣30_50g/L、麸皮20_50g/L、微晶纤维素或羧甲基纤维素4-8g/L、硫酸铵2-5g/L、磷酸二氢钾2-4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，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣；(b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素；(c)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液；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Penicillium?decumbens?PD?G3?08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是CCTCC?M?2011195。

【技术特征摘要】
1.一种木质纤维素生物质的综合利用方法，其特征在于该方法包括以下步骤 (a)对木质纤维素生物质进行酸水解，分离后得到戊糖溶液和酸水解残渣； (b)用碱溶液处理所述酸水解残渣，从而提取碱木质素； (C)使用纤维素酶对步骤(b)中所述碱溶液处理得到的碱解残渣进行酶解，得到主要成分为葡萄糖的溶液； 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Penicillium decumbens ro_G3_08，已保藏于武汉大学中国典型培养物保藏中心，其保藏编号是 CCTCC M 2011195。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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...

【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：