[发明专利]盐酸水解-纤维素酶超声酶解纤维素制备生物乙醇的预处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物能源制备领域，具体涉及一种盐酸水解-纤维素酶超声酶解纤维素制备生物乙醇的预处理方法，更具体涉及纤维素水解、酶解。

背景材料

随着中国能源消耗的快速增加，能源问题和环境问题日益突出，而中国可再生能源的发展又面临着成本高、市场容量小等多种问题。自1975年开始变性燃料乙醇得到了广泛应用，美国和巴西之后我国已成为世界上第三大燃料乙醇的生产国。地球丰富的生物质，如稻草、麦秆、玉米杆、草、以及各种树叶、树皮等，为生产乙醇提供了丰富资源，这些再生资源不仅能够提供数量可观的能源，且不会引起全球变暖，是能提供可持续能源的有效生物质。以草本植物为代表的芒草（学名：Miscanthus），是各种芒属植物的统称，属禾本科，生长速度快，是优良的生物质能源的原材料。                           

用纤维素原料生产乙醇有3个关键步骤：生物质预处理、纤维素水解和单糖发酵。纤维素原料的主要有机成分包括纤维素、半纤维素和木质素三部分。纤维素和半纤维素是碳水化合物，纤维素是植物细胞壁的主要成分，纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上，纤维素是由1000-10000个β-D-吡喃葡萄糖单体以β-1，4-糖苷键连接而成的直链多糖，多个分子层平行排列构成了丝状不溶性微纤维结构，基本组成单位为纤维二糖，其水解产物为葡萄糖；半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，主要是由木糖、少量阿拉伯糖、半乳糖或甘露糖组成，这些糖是五碳糖和六碳糖，半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%；木质素是芳香族化合物；另外还含有少量的其它组分，如树脂、脂肪、果胶、以及矿物质等，不能被水解，且在纤维素周围形成保护层，抑制纤维素水解。因此，葡萄糖和木糖是纤维素和半纤维素水解的主要单糖，是生产乙醇的主要原料，葡萄糖及木糖具有还原性，可以采用氧化的方法测定其含量。

生物质生产乙醇预处理方法主要包括物理法、化学法、生物法和物理化学法四种。化学预处理主要是指以酸、碱、有机溶剂等作为生产燃料乙醇的预处理剂的方法，是纤维素原料最早、研究得最深入的预处理方法，其作用是能够破坏纤维素的晶体结构，同时使半纤维素水解。常用的酸试剂是H₂SO₄，处理效果好，更适合工业化,此外盐酸、硝酸、磷酸也被用于纤维素类原料的预处理。部分研究表明，稀酸还能去除部分木质素。唐锘研究了稀硫酸对水稻秸秆的预处理，其中纤维素、半纤维素和木质素降解率分别达到了43.75%、46.15%、50.00%。采用稀硫酸水解预处理玉米芯和棉籽壳，得到了木质素分别降低了29.3%和15.5%的结果。美国的NREL开发研究的稀酸预处理—酶解发酵工艺已成为纤维素生产乙醇中试中较成熟的工艺之一。国内的河南天冠集团于2006年6月26日建成并投产了我国首条秸秆乙醇中试生产线，年产300t乙醇，采用稀酸酶法处理秸秆，处理后物料中还原糖含量大约为4﹪，6t麦秸秆可生产1t乙醇。常使用的碱预处理试剂是NaOH或氨水，碱能够断裂木质素和碳水化合物之间的化学键, 削弱纤维素和半纤维素之间的氢键以及皂化半纤维素和木质素之间的酯键，使木质素结构受到严重破坏，溶解于碱溶液中。因此NaOH有较强的脱木质素和降低纤维素结晶度的作用。Szczodrak等将等体积的，质量分数为96%的乙醇和8%的NaOH混合溶液在170℃处理稻草30min，发现可使其酶解糖化率从未处理时的不足10%提高到了65%。Varga等在高压锅中将玉米秸秆用10%的NaOH处理1h后发现，木质素的脱除率竟高达95%。近年来氨水浸泡预处理工艺日益得到研究者们的重视，该工艺可在相对温和的条件下进行，处理后大部分半纤维素仍保留在固体样品中。但是，目前这些生产工艺大多生产成本高，企业效益差。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种盐酸水解-纤维素酶超声酶解纤维素制备生物乙醇的预处理方法，可克服现有技术纤维素糖化率低，导致生产乙醇成本高、经济效益差的缺陷。

本发明通过以下技术方案实现：

盐酸水解-纤维素酶超声酶解纤维素制备生物乙醇的预处理方法，包括以下步骤：

（1）将经粉碎的生物质置于反应釜中，于30-100℃，用摩尔浓度为1～8 mol/L HCl溶液浸泡2-120小时，所述生物质质量与盐酸溶液体积比1：1；