一種酸鹽協同作用水解生物質生產可發酵糖的新方法

2023-08-05 22:50:01

專利名稱：一種酸鹽協同作用水解生物質生產可發酵糖的新方法
技術領域：
本發明屬於可再生生物質資源開發利用領域，特別涉及ー種利用酸和無機鎂鹽協同作用水解生物質資源生產生物可發酵糖的高效方法。
背景技術：
生物質是地球上最豐富的可再生資源，每年產量大約為I. 5-2. OX IO12噸。其主要成分包括纖維素、半纖維素和木質素等，其中纖維素和半纖維素的含量約佔70% -80%。纖維素和半纖維素在一定的條件下可以水解生成葡萄糖、木糖等可溶性的糖稀，這些糖類化合物可通過化學或生物轉化的方法生產包括燃料こ醇和氫，以及各種碳基化合物，如甘油、乳酸、胺基酸、多元醇、ニ元酸等高值生物基產品。這樣，不僅可以替代現行的以糧食和糖類物質為原料製備燃料こ醇的エ藝，降低能源的生產成本，解決能源的短缺問題；同時對於有效減少環境汙染，保護生態和環境也大有益處。然而，據保守的估計，在生物質轉化過程中，糖稀的生成至少佔總成本的 30% (Wyman CE. What is (and is not) vital to advancingcellulosic ethanol. Trends in Biotechnology 2007;25:153-157)。目前生物質資源轉化為糖稀或糖液的糖平臺主要三種方法主流的方法直接濃酸水解法、直接稀酸水解法和熱化學預處理加酶水解法(Sun Y, Cheng J. Hydrolysis of lignocellulosic materialsior ethanol production a review. Bioresource Technology 2002;83:1-11)。直接濃酸水解法首先是用70-77%左右的硫酸把含水量在10%的生物質晶體結構破壞。這ー步的酸與底物的比例在I. 25 1，溫度控制在50°C左右。然後加水把酸稀釋到20-30%並加熱到100°C使生物質降解釋放出可溶性的糖。濃酸エ藝很早已經被產業化推廣，特別是在前蘇聯和日本等國。但是這些エ藝的成功使用只是局限於的特定的時期和環境。例如在能源危機時，在不考慮生物燃料生產等經濟競爭力的情況下。目前在美國主要有兩家公司Arkenol和Masada Resource Group與美國能源部和可再生能源國家實驗室(NREL)合作改進和商業推廣這項技術，利用它來處理來自於エ農業生產和生活的各種生物質廢物，在生產出包括生物燃料和其他高附加值產品的同時，來解決環境汙染的問題。直接稀酸水解法通過兩步水解來協調生物質資源中半纖維素和纖維素的特性差異，減少エ藝過程中對釋放出糖的破壞，提高糖產量和效率。第一歩是在較溫和的條件下進行，以最大限度地從易降解的半纖維素中釋放出糖(Lee Y, Iyer P,Torget R. Dilute-AcidHydrolysis of Lignocellulosic Biomass. In Tsao Kj, Bramard A，Bungay H，et al.，eds. Recent Progress in Bioconversion of Lignocellulosics Springer Berlin/Heidelberg, 1999 :93-115.)。第二步用相對激烈的反應條件水解難降解的纖維素部分。NREL報導指出軟木的稀酸水解エ藝是先用0.7%的稀硫酸在190°C作用3min ;然後用0.4%的稀酸在215°C作用另外3min。這樣有較高的糖產量。稀酸過程有相當較多的產業經驗。德國、日本和俄羅斯在過去的50年建立許多利用稀酸浸透エ藝的エ廠。但是這些稀酸浸透エ藝還是難以在競爭激烈的市場中得以生存。現在利用這個技術エ藝的企業仍然是處理如涉及環境問題的廢物處理以及在ー些造紙エ業中應用。目前廣受關注的是建立在生物質預處理基礎上的酶水解エ藝。生物質資源通過不同熱化學過程的預處理(Mosier N, Wyman C, Dale B, et al. Features of promisingtechnologies for pretreatment oi lignocellulosic biomass. BioresourceTechnology
2005；96 :673-686)後用纖維素酶為核心的複合酶製劑進行酶水解使由聚合物組成的生物質資源降解成單糖和少量可溶性的寡糖組成的糖液或糖稀。這些糖液或糖稀可以被用於發酵生產纖維素酒精或其它高附加值的生物基化合物。生物質資源的熱化學預處理有多種不同的方法，包括熱水預處理，酸預處理，鹼預處理，氨膨爆，石灰堆埋處理等，其主要作用是去除或降解生物質資源中包被在纖維素外圍的木質素和半纖維素，破壞堅韌執拗的纖維素晶體結構，使酶製劑可以有效地作用於晶體結構被破壞纖維素，加速酶降解釋放出可溶性的糖(Zhu JY, Pan X, Zalesny RS Jr. Pretreatment of woody biomass for biofuel production energy efficiency, technologies, and recalcitrance. Appl MicrobiolBiotechnol. 201087(3) :847-57.)。 生物質資源的熱化學預處理加酶水解雖然是目前最有前途的ー個エ藝，但它相對是ー個複雜的過程。不同的熱化學預處理會顯著地影響隨後的酶解過程，不同的生物質資源在不同的熱化學過程中也有不同的影響，從而影響酶解。還有酶製劑的成本和效率更是影響整個エ藝的發展。目前其エ藝成本還未能達到人們的預期目標，特別是與燃料こ醇的生產相聯時，更是需要進ー步改進エ藝，包括熱化學預處理的過程的探索和組合使用，提高酶製劑的效率，降低成本等(Lin Y, Tanaka S. Ethanol fermentation from biomassresources current state and prospects. Applied Microbiology and Biotechnology
2006；69 :627-642)。目前，另外ー項有潛カ用於利用生物質獲得糖的技術是超臨界流體(Supercritical fluid, SCF)水解技術(何北海，林鹿，孫潤倉，孫勇 木質纖維素化學水解產生可發酵糖研究.化學進展2007 ；19 :1141-1146 ；Yu Q，Wu P，Xu P，Li L，Liu T，Lhao L. synthesis of cellulose/titanium dioxide hybrids in supercritical carbondioxide. Green Chemistry 2008;10:1061-1067)。在超臨界流體中，分子的擴散係數介於氣、液之間，具有獨特的溶解性，使反應變為均相，進而加速超臨界條件下的化學反應，其顯著特點是反應不需要任何催化劑，反應時間較短(低於10s)，反應選擇性高，而且對環境沒有汙染。但是利用超臨界水解エ藝進行生物質轉化，其主要成分為低聚糖，需要有其他配套技術把低聚糖轉化為可用於微生物發酵生產的單糖。因此該技術仍然有一定的局限性，需要進ー步完善，提高單糖的產率。綜上所述，把生物質資源高效水解，提高糖的產量和產率仍然是其轉化利用的巨大的挑戰性任務。在發展完善現有各種技術平臺的基礎上，開發新一代的生物質資源水解技術，建立新型、低成本的糖平臺仍然是實現可再生生物質資源高效利用的重要前提(D0EBiomass Multi-year Program Plan. 2008)。

發明內容
本發明的目的本發明的目的在於提供ー種利用酸和鎂鹽協同作用水解生物質資源生產微生物可利用糖的高效新方法。經協同作用水解後生成的可發酵糖產率可達到70-90%之間，利用傳統的直接濃酸水解法、直接稀酸水解法和熱化學預處理加酶水解法，耗能比較高。相比之下將價格低廉的無機礦物鎂鹽加入相應的酸，二者協同作用水解生物質時，成本低，效率高。生成的可發酵糖也可被釀酒酵母等微生物利用。添加的鎂鹽經分離後可重複利用。本發明的思路無機礦物鎂鹽是一種弱的路易斯酸，它具有同時破壞纖維素的晶格結構和水解催 化的功效。在常溫下，雖呈中性，但在溫度超過160°C左右能釋放出質子，使pH值降到4-5之間。而經冷卻後又可恢復中性。將其與酸混合後，酸的酸性與鎂鹽的鹽的性質使得生物質的結構更易破壞，使得其中纖維素，半纖維素降解生成可發酵糖。本發明的技術路線本發明的技術路線如下(I)將選用的生物質原料粉碎至4-200目；(2)配製由酸及其相應鹽形成的混合催化劑；(3)將粉碎好的生物質原料和一定量的酸鹽混合催化劑放入反應器中；(4)將反應器在120_230°C下加熱l_60min，總糖回收率可達到70%以上；(5)將反應器至於冷水浴中，使其內部溫度迅速降至105°C以下，以免生成的糖發生降解。(6)將生成的水解液調節pH至5. 0後，接種釀酒酵母后在30°C，200rpm下培養，水解液中的葡萄糖可完全水解生成こ醇。本發明的優點本發明的優點是(I)總糖產率高，酸和鎂鹽二者協同作用可使70%以上糖生成，高於單獨使用酸或鹽時得到的總糖回收率的總和。(2)成本低，氯化鎂價格低廉，而且冷卻後可以重複使用。(3) 二者協同作用可使纖維素和半纖維素直接水解生成糖稀，而無須使用生物酶菌。(4)鎂鹽對於大多數微生物細胞生長等沒有明顯抑制的作用。具體實施實施例I取Ig粉碎至40目的生物質原料，分別加入5mL(l)2% HCl ;或者(2) 2 % HCl和
2.5% MgCl2的混合催化劑。將反應器在180°C下加熱IOmin後，迅速放入冷水浴中，使反應器內的溫度迅速降低到105°C以下。不添加MgCl2時，總糖回收率只有42. 59%，而添加有MgCl2的酸鹽混合催化劑則可使總糖回收率提高至83%。實施例2取Ig粉碎至10目的生物質原料，分別加入5mL(l)4% HCl ;或者(2)4% HCl和
2.5% MgCl2的混合催化劑。將反應器在180°C下加熱IOmin後，迅速放入冷水浴中，使反應器內的溫度迅速降低到105°C以下。不添加MgCl2時，總糖回收率為72%，而添加有MgCl2的酸鹽混合催化劑則可使總糖回收率提高至80%。實施例3取Ig粉碎至10目的生物質原料，分別加入5mL(l)0. 5% HCl ;或者(2)0. 5% HCl和2. 5% MgCl2的混合催化劑。將反應器在180°C下加熱IOmin後，迅速放入冷水浴中，使反應器內的溫度迅速降低到105°C以下。不添加MgCl2時，總糖回收率為6.7%，而添加有MgCl2的酸鹽混合催化劑則可使總糖回收率提高至7. 5%。實施例4
取上述水解液5mL，調節pH至5. 0左右，將活化好的釀酒酵母(安琪乾酵母1_3% )接種於水解液中，於30°C，200rpm下培養。36h後，水解液中的葡萄糖可完全轉化生成こ醇。
權利要求
1.ー種利用酸和鎂鹽協同作用水解生物質資源生產微生物可發酵糖的高效新方法，步驟如下 (1)將生物質原料加入一定量的酸和鎂鹽混合催化劑中，可使生物質中的纖維素和半纖維素水解生成比単獨利用純稀酸催化劑時產率更高的可發酵糖； (2)將反應器一定溫度下加熱足夠長的時間，可使總糖的回收率達到70%以上； (3)水解生成的葡萄糖可完全被釀酒酵母利用，生成こ醇。
2.按權利要求I按權利要求I中所述的方法，其特徵是所述的生物質原料包括軟木、硬木、農業廢棄物、秸杆以及藻類生物質等。
3.按權利要求I按權利要求I中所述的方法，其特徵是所述的生物質原料在使用前應粉碎至4-200目。
4.按權利要求I中所述的方法，其特徵是所述的酸包括H2SO4,HCl和HNO3等強酸；所述的鹽包括MgSO4, MgCl2和MgNO3等。
5.按權利要求3中所述的方法，其特徵是所述的酸濃度在0.5-6% ;所述的鹽濃度在0.5-7. 5%。
6.按權利要求I中所述的方法，其特徵是所述的反應器是批式反應器.
7.按權利要求I中所述的方法，其特徵是所需加熱溫度在120-230°C之間，反應時間在 l_60min。
8.按權利要求I中所述的方法，其特徵是在反映結束後，反應器需在冷水中冷卻至500C以下，以免生成的糖發生降解。
9.按權利要求I中所述的方法，其特徵是水解生成的葡萄糖在30°C條件下，可完全被釀酒酵母利用轉化生成こ醇。
全文摘要
本發明涉及一種利用酸和鎂鹽協同作用水解生物質生產可發酵糖的新方法。具體涉及以生物質為原料，以酸和鎂鹽為混合催化劑，在120-230℃的溫度範圍內水解，水解液在反應器中停留時間為1-60min，可以使總糖的回收率達到70％以上，此產率高於單獨使用酸或者鎂鹽時得到的總糖回收率的總和。
文檔編號C12R1/865GK102757982SQ20111011325
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者周娜, 王欽宏 申請人:天津工業生物技術研究所