阅读说明：本技术 一种使用生物可降解有机酸催化剂的木质纤维素预处理方法 (Lignocellulose pretreatment method using biodegradable organic acid catalyst ) 是由 鲍杰 张斌 郑理想 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及到一种使用生物可降解有机酸催化剂的木质纤维素预处理方法,以及有机酸催化剂的完全生物降解方法。具体步骤为：(1)配置5～10％(w/v)的草酸溶液；(2)木质纤维素物料与草酸溶液以1:2-3:1的高固液比在预处理反应器中均匀混合；(3)在预处理反应器中喷射低压蒸汽；(4)对草酸及预处理过程中产生的抑制物使用特定微生物菌株进行生物降解。最终预处理物料中有机酸催化剂及抑制物无残余,物料含水量不超过60％,呈干固颗粒状,无游离废水产生。本发明固态草酸的运输、储存以及使用的安全性更高；高固液比实现过程中游离废水的零排放和蒸汽低用量；同时也基本排除了木质素残渣焚烧过程中的二氧化硫排放问题。(The present invention relates to a method for pretreating lignocellulose using a biodegradable organic acid catalyst, and a method for completely biodegrading an organic acid catalyst. The method comprises the following specific steps: (1) preparing 5-10% (w/v) oxalic acid solution; (2) uniformly mixing the lignocellulose material and oxalic acid solution in a pretreatment reactor at a high solid-to-liquid ratio of 1:2-3: 1; (3) injecting low pressure steam in the pretreatment reactor; (4) the oxalic acid and the inhibitor generated in the pretreatment process are biodegraded by using a specific microorganism strain. The organic acid catalyst and inhibitor in the final pretreated material have no residue, the water content of the material is not more than 60 percent, the material is in a dry solid granular shape, and no free wastewater is generated. The solid oxalic acid has higher safety in transportation, storage and use; the high solid-liquid ratio realizes zero discharge of free wastewater and low steam consumption in the process; meanwhile, the problem of sulfur dioxide emission in the process of burning the lignin residues is basically solved.)

一种使用生物可降解有机酸催化剂的木质纤维素预处理方法

技术领域

本发明涉及化工及生物能源领域，特别涉及一种使用可降解有机酸催化剂的零废水排放木质纤维素预处理方法。

背景技术

木质纤维素是一种广泛分布的、储量巨大的可再生资源，可通过生物炼制技术生产多种能源及高附加值的产品。木质纤维素的主要成分包括纤维素、半纤维素、和木质素。通过有效的预处理手段可以打破木质纤维素固有的结构，消除木质素和半纤维素对纤维素的包裹，增加纤维素酶与纤维素的接触面积，进而可以有效提高后续酶解效率及生物发酵的转化效率。因此有效的预处理技术对于以木质纤维素为原料的生物炼制过程至关重要。

主要木质纤维素预处理方法包括稀硫酸法、二氧化硫法、氨纤维膨爆、以及蒸汽膨爆技术，这些技术已经被证明可以有效打破木质纤维素原料的原有生物结构，提高后续的酶解效率。其中稀硫酸法已应用于部分纤维素乙醇工业示范装置上。常规的稀硫酸法预处理技术是采用硫酸作为预处理催化剂，将一定浓度的稀硫酸溶液与木质纤维素原料以极高比例(约10:1～20:1)混合后，在高温高压条件下维持一定的反应时间得到预处理产物。然而，常规的稀硫酸预处理技术虽然可以有效水解半纤维素、破坏纤维素晶体结构以及部分解聚木质素，但其应用过程中仍存在以下问题：

(一)硫酸由于其具有高腐蚀性以及高氧化性，其运输、储存、使用过程中对设备的耐腐蚀性和安全性都有极高要求。

(二)预处理物料所吸附的硫酸催化剂需要进行中和，使用氢氧化钙作为中和剂所产生的钙盐沉淀物最终在木质素残渣中积累；当木质素残渣用于产汽或发电焚烧时，会导致大量的二氧化硫排放；

(三)预处理物料所吸附的硫酸催化剂，当使用氨水或氢氧化钠中和时，会产生高浓度铵盐或钠盐，大大增加后续工艺的处理成本；

(四)常规稀硫酸预处理过程需要水量极大，对如此高水量进行升温升压操作所需能耗巨大，且后续大量污水排放加重了污染处理成本。

(五)大量酸溶液的使用，导致预处理产物固体含量通常低于10％(w/w)，需要经过固液分离才能回收得到预处理产物用于后续酶解及微生物发酵，增加了操作及设备成本。

(五)预处理过程中由于过度降解会形成抑制后续酶解及微生物生长的各类抑制物，需要进一步处理。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

鉴于上述木质纤维素传统稀酸预处理技术中的不足，本发明提供一种使用生物可降解有机酸催化剂的木质纤维素预处理方法。在保证预处理强度的前提下，提高了其安全性，降低了污染、能耗及生产成本，得到的预处理产物可高效简便的用于后续的高固含量生物加工过程，简化了生产工艺，极具工业应用潜力。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种使用可降解有机酸催化剂的零废水排放木质纤维素预处理方法，具体步骤为：

(1)配置5-10％(w/v)的草酸溶液。

(2)粉碎、清洁的木质纤维素原料与草酸溶液按照高固液比在预处理反应器中搅拌混匀。

所述木质纤维素原料包括但不限于农业废弃物如玉米秸秆、小麦秸秆、棉花杆、芝麻杆、油菜杆、甜高粱茎秆、玉米芯、稻壳、谷壳、甘蔗渣、稻草、木屑、硬木、软木中的一种或几种。

所述高固液比为1:2～3:1，其中当固液比为2:1时效果最佳。

所述预处理反应器容积为20-50L，搅拌转速为50-100rpm，搅拌时间为3-5min。

(3)在预处理反应器中喷射低压蒸汽并保持一定时间。

所述喷射的低压蒸汽，0.5MPa＜蒸汽压力<1.6MPa，158℃＜蒸汽温度<201℃。反应条件为在 165-195℃下保持3-10min。

所述预处理反应过程中，物料完全吸收酸溶液，无任何游离废水产生。

(4)将步骤(3)得到的产物继续进行生物降解，使用特定微生物菌株在低pH条件和可发酵糖无损失的前提下对草酸和及预处理过程中产生的抑制物进行生物降解。

生物降解过程的温度28-30℃，接种量10-20％。

所述生物降解过程为固态发酵，所使用菌株可在预处理后物料的酸性环境下有效降解草酸和抑制物，菌株名为宛氏拟青霉FN89(Paecilomyces variotii FN89)，保藏编号为CGMCC No.17665，保藏日期为2019年5月8日，保藏地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号；保藏单位名称：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心。发酵条件为温度28-30℃，通气量0.5-1vvm，每12-24h 以50-100rpm转速搅拌3-5min，培养时间48-72h。

(5)最终物料可直接进入后续高固含量生物加工过程。

所述最终物料含水量不超过60％，呈干固颗粒状，有机酸催化剂及抑制物无残余。

所述高固含量生物加工过程，包括微生物乙醇生产，微生物油脂生产、微生物氨基酸生产等所有以生物可降解有机酸预处理木质纤维素为底物的生物炼制过程。

在本发明中，使用的可降解有机酸催化剂为草酸。草酸是最简单的二元羧酸，可通过生物质来源的碳水化合物或一氧化碳为原料制备。使用该方法对木质纤维素进行预处理，可在极高固体含量下进行，预处理后物料呈干固颗粒状，无任何游离废水产生且蒸汽能耗极低。预处理后草酸可通过微生完全降解为二氧化碳和水。这方法不仅避免了常规预处理技术中无机酸催化剂中和所产生的钙盐沉淀物或高浓度可溶性盐的后续处理问题，同时也避免了常规预处理过程的大量废水排放。

与现有传统稀酸预处理技术相比，本发明具有如下有益效果：

(一)固态草酸的运输、储存以及使用的安全性更高；

(二)无需对酸催化剂进行中和，在低pH条件即可实现对有机酸催化剂和抑制物的完全生物降解，提高了后续的酶解和微生物发酵效率；减少了污染及操作流程；

(三)木质素残渣中的硫离子浓度极大降低，木质素残渣用于产汽和发电焚烧后的二氧化硫排放得到控制；

(四)采用了极高固液比使预处理过程需水量较少，减少了升温升压操作所需能耗并且实现了游离废水零排放；

(五)最终物料含水量不超过60％，呈干固颗粒状，有机酸催化剂及抑制物无残余，可直接进入高固含量生物加工过程中，保证了生产的连续性；简化了生产工艺，降低了生产成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不局限于实施例表示的范围。

实施例1：

使用草酸固体对小麦秸秆预处理的方法包括：

使用33g草酸固体与472g水配置成溶液，加入预处理反应器中。称取粉碎、烘干的小麦秸秆 1320g，加入预处理反应器中。预处理反应器以50rpm的转速搅拌5min以保证小麦秸秆与草酸溶液充分混合。打开蒸汽阀门，使反应器内温度和压力分别在175℃，0.9MPa下维持5min。打开排气阀门并取出预处理后的小麦秸秆。小麦秸秆充分吸收了草酸溶液，整个过程中没有废水产生。所得预处理小麦秸秆固含量为49.2％，满足了后续高固含量生物加工的要求。对预处理小麦秸秆的成分进行分析表明，纤维素保留率为95.6％，总木糖(包括木糖及木寡糖)回收率为89.7％。预处理小麦秸秆固体在5％(w/w)固含量的体系中，加入20FPU/gDM的纤维素，在pH4.8,50℃的条件下水解72h，最终的纤维素酶水解效率为92.3％。对预处理小麦秸秆继续进行固态发酵，按照10％(w/w) 的接种量接种宛氏拟青霉FN89(CGMCC 17665)培养物，在通气0.6vvm，温度28℃条件下培养 72h，即可得到无酸催化剂及抑制物的木质纤维素产物。随即用于生物乙醇发酵，在30％固含量下最终发酵液中乙醇产量最高可达到78.51g/L。使用电感耦合等离子色谱检测乙醇发酵木质素残渣中硫离子浓度为2.6g/kg，约为硫酸预处理浓度的1/6。

实施例2：

使用固体草酸预处理小麦秸秆的方法包括：

使用45草酸固体与590g水配置成溶液，加入预处理反应器中。称取粉碎、烘干的小麦秸秆1250g，加入预处理反应器中。预处理反应器以50rpm的转速搅拌3min以保证小麦秸秆与草酸溶液充分混合。打开蒸汽阀门，使反应器内温度和压力分别在170℃，0.8MPa下维持10min。打开排气阀门并取出预处理后的小麦秸秆。小麦秸秆充分吸收了草酸溶液，整个过程中没有废水产生。所得预处理小麦秸秆固含量为44.2％，满足了后续高固含量生物加工的要求。对预处理小麦秸秆的成分进行分析表明，纤维素保留率为88.1％，总木糖(包括木糖及木寡糖)回收率为82.5％，预处理小麦秸秆固体在5％(w/w)固含量的体系中，加入15FPU/gDM的纤维素，在pH4.8,50℃的条件下水解72h，最终的纤维素酶水解效率为86.8％，。对预处理小麦秸秆继续进行固态发酵，按照10％(w/w)的接种量接种宛氏拟青霉FN89(CGMCC 17665)培养物，在通气0.6vvm，温度28℃条件下培养72h，即可得到无酸催化剂及抑制物的木质纤维素产物。随即用于生物乳酸发酵，在30％固含量下最终发酵液中乳酸产量最高达到了121.5g/L。使用电感耦合等离子色谱检测生物乳酸发酵木质素残渣中硫离子浓度为2.8g/kg，约为硫酸预处理浓度的1/6。

实施例3：

使用固体草酸预处理玉米秸秆的方法包括：

使用50g草酸固体与471g水配置成溶液，加入预处理反应器中。称取粉碎、烘干的玉米秸秆 1380g，加入预处理反应器中。预处理反应器以50rpm的转速搅拌4min以保证玉米秸秆与草酸溶液充分混合。打开蒸汽阀门，使反应器内温度和压力分别在165℃，0.6MPa下维持10min。打开排气阀门并去除预处理后的玉米秸秆。玉米秸秆充分吸收了草酸溶液，整个过程中没有废水产生。所得预处理小麦秸秆固含量为46.2％，满足了后续高固含量生物加工的要求。对预处理小麦秸秆的成分进行分析表明，纤维素保留率为92.8％，总木糖(包括木糖及木寡糖)的回收率为88.5％。预处理玉米秸秆固体在5％(w/w)固含量的体系中，加入10FPU/gDM的纤维素，在pH4.8,50℃的条件下水解72h，最终的纤维素酶水解效率为82.5％。对预处理玉米秸秆继续进行固态发酵，按照10％ (w/w)的接种量接种宛氏拟青霉FN89(CGMCC 17665)培养物，在通气0.6vvm，温度28℃条件下培养72h，即可得到无酸催化剂及抑制物的木质纤维素产物。预处理玉米秸秆随即用于生物油脂发酵，在30％固含量下生物油脂产量最高达到了29.87g/L。使用电感耦合等离子色谱检测生物油脂发酵木质素残渣中硫离子浓度为2.2g/kg，约为硫酸预处理浓度的1/7。

以上实施例证明，采用生物可降解有机酸催化剂的木质纤维素预处理方法，可以实现对木质纤维素原料的高效预处理，完全达到了常规稀硫酸预处理的效果。在上述整个使用草酸的预处理过程中，稀草酸溶液的配置安全简便；高固液比使处理过程中物料完全吸收酸溶液，没有任何游离废水产生；生物降解后所得物料无有机酸催化剂及抑制物残留；发酵后木质素残渣中硫离子含量大量减少。这一技术最小化了酸预处理木质纤维素过程中的污染排放，节省了能源消耗，简化了生产工艺，降低了生产成本，极具工业应用潜力。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。