[发明专利]一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产纤维素乙醇及其它以纤维素糖基为原料的生物基产品生产的木质纤维素原料的预处理方法，尤其涉及的是一种浓磷酸联合过氧化氢预处理木质纤维素类原料用于酶水解的方法。

背景技术

目前，支撑世界经济发展的主要能源仍然是石油、天然气、原煤。化石能源的使用加快生态环境恶化，对人类的生存构成巨大威胁。根据2012年世界各国一次能源消费结构可知清洁能源在各国的能源消费中所占的比重都很小，在中国不足1.5%，可见我国面对的能源问题尤为突出。燃料乙醇作为一种清洁能源在巴西等国家早已广泛使用，而在中国却刚刚起步。我国的十八大报告已经指出：要“推动能源生产和消费革命，控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳产业和新能源、可再生能源的发展，确保国家能源安全”，以及要“大力推进生态文明建设”等，可见燃料乙醇蕴藏着巨大的应用前景和市场潜力。

传统的用于燃料乙醇生产的原料一般源于粮食、甘蔗等淀粉或糖含量较高的生物质。但在全球粮食资源匮乏的背景下，发展以粮食为主的生物乙醇生产，必将导致乙醇生产与人争粮，粮争地的矛盾现状。相比传统的燃料乙醇生产原料，木质纤维素原料（如：农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、以及其他木质纤维素的下脚料），因其资源丰富，而成为生物乙醇生产的潜在主要的资源。

木质纤维素是由木质素、纤维素、和半纤维素三种组分通过共价键联结成的网络结构。木质素是苯丙基烷结构单元通过C-C键连接而成的高分子结构，不能水解成单糖用于生物乙醇转化。但它包裹纤维素和半纤维素，阻碍着木质纤维素乙醇的转化。半纤维素则有葡聚糖、木聚糖、半乳聚糖、阿拉伯聚糖以及甘露聚糖以不同比例组合连接的，其结构排列疏松，无晶体性质，比较容易水解。但半纤维的存在也阻碍着木质纤维素的转化。纤维素是由葡萄糖通过β-1,4糖苷键联接而成的线性长链高分子聚合物，是纤维素乙醇转化的主要物质基础。纤维素分子中的羟基易于和分子内或相邻的纤维素分子上的含氧集团之间形成氢键，这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构，并且组成复杂的微纤维，这也成为木质纤维素进行生物乙醇转化的另外一个障碍。因此，要利用木质纤维素类原料进行生物乙醇转化，首先需要对原料进行预处理破坏木质纤维素结构，降低木质素和半纤维素的阻碍，使纤维素结构疏松并充分的暴露，以便后续生物转化过程顺利高效进行。

高效利用木质纤维素进行生物乙醇转化的关键在于：1）有效的去除或降低木质素对酶水解的阻碍；2）有效的降低半纤维素的位阻效应；3）破坏纤维素的结晶结构，使纤维素结构松散，使酶水解或化学水解容易进行。因此，能否通过有效的预处理技术将木质纤维素原料的结构破坏，将纤维素暴露给生物酶，成为有效的将木质纤维素变为可发酵糖，为后续高效生产转化乙醇的关键。

现有的木质纤维素的预处理方式，主要针对木质素结构的破坏与降解、半纤维素去除、纤维素结晶结构的破坏等几个方面。例如：采用碱处理法（包括氨爆，AFEX），可以有效的破坏木质素的结构，同时使纤维素溶胀，并在一定程度上破坏其结晶结构；采用有机溶剂法，可以有效的溶解木质素，实现木质素的脱除；采用蒸汽（汽爆）或者水热预处理（包括稀酸催化条件下），可以有效的溶解特定原料中的半纤维素，疏松原料空间结构；近年来，以离子溶液为代表的溶剂法的开发，为木质纤维原料的预处理提供了另外一种新的处理方式，木质素和（半）纤维素之间的非共价的链接作用形成的复杂空间结构被有效的破坏，从而实现预处理后原料酶水解效率的提高。