一种木质纤维素原料的预处理方法专利检索-·用水或蒸汽专利检索查询-专利查询网

一种木质 纤维素原料的预处理方法

专利类型	发明公开	法律事件	公开; 实质审查;
专利有效性	实质审查	当前状态	实质审查
申请号	CN202311148791.8	申请日	2023-09-07
公开(公告)号	CN119571655A	公开(公告)日	2025-03-07
申请人	上海凯赛生物技术股份有限公司; CIBT美国公司;	申请人类型	企业
发明人	鲍家伟; 郝英利; 侯本良; 刘修才;	第一发明人	鲍家伟
权利人	上海凯赛生物技术股份有限公司,CIBT美国公司	权利人类型	企业
当前权利人	上海凯赛生物技术股份有限公司,CIBT美国公司	当前权利人类型	企业
省份	当前专利权人所在省份：上海市	城市	当前专利权人所在城市：上海市闵行区
具体地址	当前专利权人所在详细地址：上海市闵行区绿洲环路396弄11号1楼凯赛生物	邮编	当前专利权人邮编：201114
主IPC国际分类	D21C1/02	所有IPC国际分类	D21C1/02 ; D21C1/04 ; D21C1/10 ; C12P19/14
专利引用数量	0	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	10	专利文献类型	A
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摘要	本发明涉及生物发酵技术领域，公开了一种木质纤维素原料的预处理方法，该方法包括：将木质纤维素原料与酸液混合，(1)先利用蒸汽将混合体系的压力升至0‑0.2MPa(表压)，温度升至100‑130℃后，保持0.5‑1min；(2)继续利用蒸汽将混合体系的温度升至170‑200℃，压力升至0.8‑1.6MPa，在该温度和压力下预处理2‑10min。本发明通过对预处理的原料成分进行优化，筛选出适合预处理工艺的特定原料，可以改善预处理效果；并且通过改进预处理工艺，可以进一步提高酶解糖化效果。
权利要求	1.一种木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，该方法包括：将木质纤维素原料与酸液混合，(1)先利用蒸汽将混合体系的压力升至0‑0.2MPa(表压)，温度升至100‑130℃后，保持0.5‑1min；(2)继续利用蒸汽将混合体系的温度升至170‑200℃，压力升至0.8‑1.6MPa，在该温度和压力下预处理2‑10min。 2.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述木质纤维素原料包括但不限于玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、稻秆、棉秆、油菜秆、高粱茎秆、木屑、废纸、柳枝和麻风树籽壳中的一种或几种；和/或，所述木质纤维素原料的含水量为40wt％以下，进一步为20wt％以下，更进一步为 15wt％以下。 3.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述木质纤维素原料的灰分含量为15wt％以下，进一步为12wt％以下，更进一步为10wt％以下。 4.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述木质纤维素原料中聚糖含量为50wt％以上，进一步为60wt％以上。 5.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，在将木质纤维素原料与酸液混合之前，先进行粗切，并除去颗粒杂物和粉尘；进一步地，所述粗切的方式包括切碎、磨碎、粉碎、碾碎。 6.根据权利要求5所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，粗切后的木质纤维素原料粒径为0.1‑10cm，进一步为0.5‑5cm。 7.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述木质纤维素原料与酸液的质量比为1：(0.1‑1.0)，进一步为1：(0.3‑0.8)。 8.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述酸液的浓度为2‑10wt％，和/或，所述酸液包括硫酸溶液、盐酸溶液、磷酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸溶液中的一种或几种的组合。 9.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，步骤(1)中，以程序升温的方式将所述混合体系升至设定温度，进一步为110‑120℃；较佳地，控制所述升温速率为10‑30℃/min，更佳地为15‑25℃/min；和/或，步骤(2)中，继续以程序升温的方式将所述混合体系升至设定温度，进一步为 180‑190℃；较佳地，控制所述升温速率为20‑50℃/min，更佳地为30‑45℃/min。 10.根据权利要求1所述的木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于，所述预处理时间为3‑7min。
说明书全文	一种木质纤维素原料的预处理方法技术领域 [0001] 本发明涉及生物发酵技术领域，具体涉及一种木质纤维素原料的预处理方法。背景技术 [0002] 木质纤维素原料是世界上最丰富的可再生资源之一，其结构复杂，主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，其中纤维素和半纤维素可以通过水解而用于以糖为平台的生物炼制过程。但是，纤维素被半纤维素和木质素通过共价键形成的网络结构紧密包裹起来，从而形成了一种顽固致密的结构。于是在生物转化木质纤维素原料之前必须对其进行预处理，来打破半纤维素与木质素的网络结构从而使纤维素暴露，并进一步降低纤维素的聚合度和结晶度，提高纤维素的酶可接触性及酶解效率。因此，预处理过程对于以木质纤维素为原料的生物炼制产业的发展起着至关重要作用。 [0003] 目前对木质纤维素原料的预处理方法主要有物理法，化学法，物化法及生物法等，具体的有研磨法，碱处理法，有机溶剂法，湿氧化法，氨纤维膨爆法，微波处理法，稀酸预处理法等。不同预处理方法的原理不同，但其主要目的都是除去生物质内阻碍糖化时纤维素酶与纤维素结合的结构，减少木质素或半纤维素对纤维素的保护作用，降低纤维素晶体结构的结晶度，增大木质纤维素原料内的比表面积，使之与纤维素酶充分接触，得到较高的糖浓度。然而，木质纤维素原料多为农林废弃物，不同批次，不同品种或来源于不同产地的原料成分有所差别，且这些原料在收集、贮存过程会混杂大量的其它物质成分，导致预处理效果随原料不同而存在显著差异，这成为了制约木质纤维素预处理过程工业化应用的一个挑战。 [0004] 因此，探索适合预处理方法的原料，对于进一步提高预处理效果具有重要意义。发明内容 [0005] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种木质纤维素原料的预处理方法。 [0006] 一种木质纤维素原料的预处理方法，该方法包括：将木质纤维素原料与酸液混合，(1)先利用蒸汽将混合体系的压力升至0‑0.2MPa(表压)，温度升至100‑130℃后，保持0.5‑1min；(2)继续利用蒸汽将混合体系的温度升至170‑200℃，压力升至0.8‑1.6MPa，在该温度和压力下预处理2‑10min。 [0007] 于一实施方式中，所述木质纤维素原料包括但不限于玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、稻秆、棉秆、油菜秆、高粱茎秆、木屑、废纸、柳枝和麻风树籽壳中的一种或几种。 [0008] 于一实施方式中，所述木质纤维素原料的含水量为40wt％以下，进一步为20wt％以下，更进一步为15wt％以下。示例性的，所述木质纤维素原料的含水量可以为38wt％、35wt％、33wt％、30wt％、28wt％、25wt％、22wt％、19wt％、18wt％、17wt％、16wt％、14wt％、 13wt％、12wt％、11wt％、10wt％、9wt％、8wt％、7wt％、6wt％等。 [0009] 于一实施方式中，所述木质纤维素原料的灰分含量为15wt％以下，进一步为12wt％以下，更进一步为10wt％以下。示例性的，所述木质纤维素原料的灰分含量可以为 14wt％、13.5wt％、13wt％、12.5wt％、12wt％、11.5wt％、11wt％、10wt％、9wt％、8.8wt％、 8wt％、7wt％等。 [0010] 于一实施方式中，所述木质纤维素原料中聚糖含量为50wt％以上，进一步为60wt％以上。 [0011] 于一实施方式中，在将木质纤维素原料与酸液混合之前，先进行粗切，并除去颗粒杂物和粉尘。 [0012] 于一实施方式中，所述粗切的方式，包括但不限于切碎、磨碎、粉碎、碾碎等。可以使用本领域中常规的粗切设备进行粗切。 [0013] 于一实施方式中，粗切后的木质纤维素原料粒径为0.1‑10cm，进一步为0.5‑5cm。示例性的，粗切后的木质纤维素原料粒径可以为1cm、2cm、2.5cm、3cm、4cm、6cm、7cm、8cm、 9cm等。 [0014] 本领域技术人员常规知晓，颗粒杂物的密度一般大于木质纤维素原料。可以利用两者的密度差异通过常规的抛送装置将颗粒杂物和木质纤维素原料分开。 [0015] 于一实施方式中，颗粒杂物包括砂石、金属颗粒。 [0016] 于一实施方式中，除去粉尘的方式包括手工筛网、机械筛选。 [0017] 本领域技术人员常规知晓，木质纤维素原料中的粉尘主要来自收割过程带入的粉尘和粗切过程中产生的粉尘。 [0018] 于一实施方式中，所述木质纤维素原料与酸液的质量比为1：(0.1‑1.0)，进一步为1：(0.3‑0.8)。 [0019] 于一实施方式中，所述酸液的浓度为2‑10wt％。 [0020] 于一实施方式中，本发明对所述酸液的种类选择范围较宽，例如包括但不限于硫酸溶液，盐酸溶液，磷酸溶液，硝酸溶液和氢氟酸溶液中的一种或几种。 [0021] 于一实施方式中，步骤(1)中，以程序升温的方式将所述混合体系升至设定温度(即100‑130℃)，进一步为110‑120℃。 [0022] 作为本发明一种优选的实施方式，控制步骤(1)所述升温速率为10‑30℃/min，较佳地为15‑25℃/min。 [0023] 于一实施方式中，步骤(2)中，以程序升温的方式将所述混合体系升至设定温度(即170‑200℃)，进一步为180‑190℃。 [0024] 作为本发明一种优选的实施方式，控制步骤(2)所述升温速率为20‑50℃/min，较佳地为30‑45℃/min。 [0025] 根据本发明一种较佳的实施方式，控制步骤(1)的升温速率为20‑25℃/min，控制步骤(2)的升温速率为35‑40℃/min。 [0026] 于一实施方式中，所述预处理时间为3‑7min。 [0027] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果： [0028] 本发明通过对预处理的原料成分进行优化，筛选出适合预处理工艺的特定原料，可以改善预处理效果；并且通过改进预处理工艺，可以进一步提高酶解糖化效果。 [0029] 本发明通过将木质纤维素原料状态和预处理工艺结合起来，通过优化原料状态和预处理工艺，可以实现对木质纤维素原料的高效预处理，进而提高预处理效果。具体实施方式 [0030] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实例中，在没有特别说明的情况下，使用的各种原料均可从商业渠道获得。 [0031] (1)酶解糖化评价实验 [0032] 该实验参照美国国家可再生能源实验室(NREL)的标准实验方法(LAP‑009)并稍作调整。 [0033] 具体为：在100mL的三角瓶中称取0.5g预处理后的物料(干重)，加入10mL去离子水，用5M NaOH溶液调节酶解糖化体系pH至4.8后，加入80μL 四环素溶液，并用0.1M pH4.8的柠檬酸缓冲溶液将酶解糖化体系固含量调至5％质量分数。接着加入固体纤维素酶，纤维素酶用量为每克木质纤维素原料干物料量的20FPU(20FPU/gDM)，酶解糖化温度为50℃，放入水浴摇床中150rpm酶解糖化72h后取样测定葡萄糖浓度。 [0034] 实施例1A～1E [0035] 玉米秸秆的含水量为15wt％，聚糖含量为65wt％，灰分含量不同(见表1)。 [0036] 玉米秸秆经粗切后粒径为4cm，除去砂石和粉尘。然后将玉米秸秆与硫酸溶液混合，玉米秸秆与硫酸溶液(浓度为9wt％)的质量比为1：0.4，(1)先利用蒸汽以20℃/min的升温速率将混合体系的压力升至0.07MPa(表压)，温度升至110℃后，保持0.5min；(2)继续利用蒸汽以40℃/min的升温速率将混合体系的温度升至180℃，压力升至1.5MPa，在该温度和压力下预处理5min，排气，减压降温，将预处理后的玉米秸秆排出冷却备用。 [0037] 将预处理后的玉米秸秆进行酶解糖化评价实验。结果如表1所示。 [0038] 表1 [0039] 玉米秸秆灰分含量(wt％) 水解液中葡萄糖浓度(g/L) 实施例1A 14.68 119.3 实施例1B 11.37 131.4 实施例1C 10.0 136.0 实施例1D 9.45 136.2 实施例1E 7.0 137.0 对比例1‑1 18.03 108.5 对比例1‑2 20.46 102.1 [0040] 由表1的结果可知，将预处理后的玉米秸秆进行酶解糖化，发现灰分含量低于10wt％时，水解液中葡萄糖浓度在136g/L以上；当灰分含量接近15wt％左右时，水解液中葡萄糖浓度低于120g/L；当灰分含量高于15wt％时，水解液中葡萄糖浓度更低。 [0041] 实施例2A～2G [0042] 玉米秸秆的聚糖含量为60wt％，灰分含量为9.82wt％，含水量不同(见表2)。 [0043] 玉米秸秆经粗切后粒径为4.5cm，除去砂石和粉尘。然后将玉米秸秆与硫酸溶液混合，玉米秸秆与硫酸溶液(浓度为8wt％)的质量比为1：0.5，(1)先利用蒸汽以20℃/min的升温速率将混合体系的压力升至0.07MPa(表压)，温度升至110℃后，保持0.5min；(2)继续利用蒸汽以40℃/min的升温速率将混合体系的温度升至180℃，压力升至1.5MPa，在该温度和压力下预处理5min，排气，减压降温，将预处理后的玉米秸秆排出冷却备用。 [0044] 将预处理后的玉米秸秆进行酶解糖化评价实验。结果如表2所示。 [0045] 表2 [0046] 玉米秸秆含水量(wt％) 水解液中葡萄糖浓度(g/L)实施例2A 40.0 122.3 实施例2B 31.2 128.5 实施例2C 20.0 133.2 实施例2D 14.89 137.4 实施例2E 11.08 137.9 实施例2F 8.47 138.7 实施例2G 6.52 139.3 对比例2‑1 45 119.2 对比例2‑2 50 112.4 [0047] 由表2的结果可知，当玉米秸秆的水分含量低于15wt％时，秸秆水解后的葡萄糖浓度高于137g/L；当玉米秸秆的水分含量大于40wt％时，秸秆水解后的葡萄糖浓度低于120g/L。 [0048] 实施例3A～3E [0049] 玉米秸秆的聚糖含量为62wt％，灰分含量为9.18wt％，含水量为8.61wt％。 [0050] 玉米秸秆经粗切为不同的粒径(见表3)，除去砂石和粉尘。然后将玉米秸秆与硫酸溶液混合，玉米秸秆与硫酸溶液(浓度为8wt％)的质量比为1：0.5，(1)先利用蒸汽以20℃/min的升温速率将混合体系的压力升至0.07MPa(表压)，温度升至110℃后，保持0.5min；(2)继续利用蒸汽以40℃/min的升温速率将混合体系的温度升至180℃，压力升至1.5MPa，在该温度和压力下预处理5min，排气，减压降温，将预处理后的玉米秸秆排出冷却备用。 [0051] 将预处理后的玉米秸秆进行酶解糖化评价实验。结果如表3所示。 [0052] 表3 [0053] [0054] 由表3的结果可知，当玉米秸秆粗切后粒径小于5cm时，秸秆水解后的葡萄糖浓度大于135g/L；当玉米秸秆粗切后粒径大于10cm时，秸秆水解后的葡萄糖浓度低于120g/L，可能是粒径太大，预处理不彻底导致水解效果不佳。 [0055] 实施例4 [0056] 玉米秸秆的聚糖含量为62wt％，灰分含量为10.55wt％，含水量为9.21wt％。 [0057] 玉米秸秆经粗切后粒径为4cm，除去砂石和粉尘。然后将玉米秸秆与硫酸溶液混合，玉米秸秆与硫酸溶液(浓度为8wt％)的质量比为1：0.5，(1)先利用蒸汽以20℃/min的升温速率将混合体系的压力升至0.07MPa(表压)，温度升至110℃后，保持0.5min；(2)继续利用蒸汽以40℃/min的升温速率将混合体系的温度升至180℃，压力升至1.5MPa，在该温度和压力下预处理5min，排气，减压降温，将预处理后的玉米秸秆排出冷却备用。 [0058] 对比例4中玉米秸秆与硫酸溶液混合利用蒸汽将混合体系的温度升至180℃，压力升至1.5MPa，在该温度和压力下预处理5min，其他条件与实施例4相同。 [0059] 将预处理后的玉米秸秆进行酶解糖化评价实验。结果如表4所示。 [0060] 表4 [0061] 水解液中葡萄糖浓度(g/L) 实施例4 139.2 对比例4 128.5 [0062] 由表4的结果可知，玉米秸秆经分段升温预处理后，水解液中葡萄糖浓度较高，达到139.2g/L。而对比例4直接升温预处理后，水解液中葡萄糖浓度较低，为128.5g/L。 [0063] 实施例5A～5E [0064] 玉米秸秆的聚糖含量为65wt％，灰分含量为10.01wt％，含水量为7.3wt％。 [0065] 玉米秸秆经粗切后粒径为3.5cm，除去砂石和粉尘。然后将玉米秸秆与硫酸溶液混合，玉米秸秆与硫酸溶液(浓度为8wt％)的质量比为1：0.7，(1)先利用蒸汽将混合体系的压力升至0.07MPa(表压)，温度升至110℃后，保持0.5min；(2)继续利用蒸汽将混合体系的温度升至180℃，压力升至1.5MPa，在该温度和压力下预处理5min，排气，减压降温，将预处理后的玉米秸秆排出冷却备用。 [0066] 其中，实施例5A～5E、对比例5中，步骤(1)和(2)的升温速率不同(见表5)。 [0067] 将预处理后的玉米秸秆进行酶解糖化评价实验。结果如表5所示。 [0068] 表5 [0069] [0070] [0071] 由表5的结果可知，玉米秸秆经过不同升温速率预处理后，发现步骤(1)升温速率在10‑30℃，步骤(2)升温速率在20‑50℃时，水解液中的葡萄糖浓度达到130g/L以上，通过进一步优化升温速率，水解液中的葡萄糖浓度会更高。而采用对比例5的升温方式对秸秆进行预处理，最终水解液中葡萄糖浓度只有127.4g/L。 [0072] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

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