[发明专利]一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质原料脱除木质素的预处理技术领域，提供一种综合性的生物酶处理技术。

背景技术

近年来，随着石油、煤炭储量的下降，以及各国对环境污染问题日益关注，纤维素这种价廉的可再生资源的应用也愈来愈受到重视。目前，在纺织、造纸、生物、化工、食品、医药、涂料、塑料、保健品等领域中的应用十分广泛。由于木质素、半纤维素以及木质素的复杂的结构特性，在纤维素外面缠绕覆盖着一层木质素、半纤维素的结合层，因此不能高效单一的利用纤维素，必须进行预处理，脱除生物质原料中的木质素。精练酶处理有较好的去除木质素效果，且对生物质纤维强度损伤小；碱去除木质素的效果比漆酶好，但对纤维强度损伤较大。

有效的预处理方法主要包括以下几个方面：一是对生物质原料的外形大小要求不高，保留有效的戊糖成分；二是减少可抑制酶水解和发酵菌株的降解物，三是最少的能量和成本投入。其它的要求包括较低的预处理催化剂的消耗和催化剂的低成本循环使用，高附加值的木质素副产品等。

预处理方法可分为物理法、化学法和生物法。物理预处理法包括机械法(Comminution)、蒸汽膨爆法(Steam Explosion)、热解法(Hydrothermolysis)。化学法处理法在预处理系统中加入酸或碱可以强化水解并提高葡萄糖的收率，包括硫酸、盐酸、氨溶剂、DMSO 和各种纤维素溶剂等，最常用的稀硫酸和氢氧化钠。生物预处理法中主要使用白腐菌等微生物降解木质素，其中黄孢原毛平革菌(P. chrysosporium)是最常用的菌种。目前比较先进的预处理技术是美国再生能源国家实验室(NREL)组织实施的 CAFI 计划 (Biomass Refining Consortium for Applied Fundamentals and Innovation)中的预处理方法，包括稀酸法(Dilute acid)、热水冲洗法(Flowthrough)、中性 pH 法(Controlled pH)、氨纤维膨爆法(Ammonia fiber explosion)、氨水循环法(Aqueous ammonia recycle percolation)和石灰法(Lime)。

评判预处理方法的标准为：① 促进糖的生成并有利于后面的水解；②糖降解最小化；③ 避免生成对水解和发酵有害的副产品；④ 具有经济性。

木质素是一种复杂的芳香族物质，其结构单元是苯丙烷，苯环上有甲氧基存在。结构单元之间基本上是通过醚键和碳碳键连接的。结构中β－烷基一芳基醚键的连接是主要的，它是木质素中主要的结构基团，这种结构的醚键断裂即引起木质素大分子裂解。木质素结构单元间的C—C键连接对化学药品的降解作用具有高度的稳定性，其存在是木质素不能分解成单个木质素单元的一种主要原因，要使木质素溶解，必须使用能使醚键和C—C键断裂的生物酶。

精练酶是以碱性果胶酶为主的多种酶制剂的复配产品，果胶酶处理纤维时起到催化水解作用，使复合体界面处迅速发生水解作用。且精练酶中含有一定量的内切纤维素酶，能使纤维素大分子链断裂，加上果胶酶的水解作用，从而使脂蜡质及木质素松动脱落，又经过精练酶中各种酶的长时间协同作用，因而使木质素含量大大降低。

发明内容

【本发明的目的】本发明针对目前物理法预处理技术木质素去除效率低，化学法预处理技术污染较大等问题，结合精炼酶作用高效专一以及传统物理法的易操作等特点，提供一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，提高木质脱除率和纤维素利用率，为生物质新能源以及纸浆造纸新工艺提供新的思路与方法。

【本发明的构思】

本发明通过蒸汽膨爆法把相互紧密缠绕的木质素、纤维素和半纤维素打开，增大生物质原料的孔隙率与比表面积，提高精炼酶的作用效率，增大木质素脱除率并减少酶的用量，从而降低工艺运行成本，实现产业升级。

【本发明的技术方案】

本发明提供的一种生物质精炼酶结合蒸汽膨爆法预处理脱除木质素的方法，包括以下步骤：

1)将生物质原料粗切至10~40 mm，置于蒸汽爆破装置在0.8 ~2.0 MPa 的蒸汽压力下维持3 ~ 8 min；

2)蒸汽膨爆法后固液分离

使用隔膜压榨压滤机进行固液分离，烘干；

3）精炼酶预处理脱除木质素：

步骤2）得到的生物质原料与精炼酶处理体系混匀，进行酶介预处理，最终得到发酵后生物质原料。

优选的，步骤1）所述的生物质原料为玉米秸秆、麦草秸秆和稻草秸秆；