技术领域
本发明属于生物质能和可再生能源领域，具体涉及一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法。
背景技术
在诸多可再生能源中，生物质能源因其分布广、成本低、可再生易储存等特点占据非常重要的地位。生物质和生物质能的开发利用形式多种多样，而燃料乙醇被认为是生物质能源中最容易实现产业化的品种之一。但是，以粮食类原料生产燃料乙醇会对粮食安全问题产生潜在的巨大威胁。因此，燃料乙醇的原料必须是“不与人争粮”且“不与粮争地”的经济作物、工农业生产废弃物或城市生活垃圾等非粮生物质能资源。
在各种非粮生物质资源中，纤维素是最丰富、廉价的可再生资源，植物每年通过光合作用能产生高达1550亿吨纤维素类物质，其中纤维素、半纤维素的总量为600亿吨。其中木质纤维素类物质被看作是最具价值的潜在资源。
但是，目前全球范围内都还没有一家工业规模利用木质纤维原料生产乙醇的企业，主要原因在于利用木质纤维原料生产乙醇中仍有一些技术瓶颈有待突破。首要的技术瓶颈是缺乏经济高效的预处理工艺，木质纤维原料的糖化效率偏低，成本太高。和淀粉质原料不同，木质纤维素结构复杂，纤维素、半纤维素和木质素相互包裹构成具有高度稳定的结构，必须经过适当的预处理，使得纤维素、半纤维素、木质素彼此分离，才能有效地进行酶解糖化。
通常认为，比较理想的预处理工艺，应当具备以下的一些特征：1).原料微观结构在预处理后发生有效改变，极大促进酶解反应；2).设备简单，能耗低，化学试剂消耗少，废液排放少；3).尽量减少碳水化合物的损失或分解，以确保酶解后获得较高的总还原糖得率；4).尽量减少产生醛类、酸类和酚类等对后续微生物发酵不利的抑制物质。
目前实验室或中试研究中比较常用的预处理方法有酸法（分为浓酸水解和稀酸水解两种）和汽爆法（比如蒸汽爆裂法、氨纤维爆破法等）。但酸法预处理容易产生发酵抑制物，对反应器的耐腐蚀性要求高，必须在糖化发酵前将酸中和，且反应时间长，木质素脱除效果差（尤其是对于针叶木等软木），能耗大，需增加后续酸处理工艺。汽爆法的糖回收率通常不会高于65%，且因使用较高的温度或较长的时间造成较高的汽爆强度，会引起半纤维素较大程度的降解和木质素-碳水化合物之间化学键的破坏和断裂，从而产生酶解或发酵过程的抑制性物质如糠醛、5-羟甲基糠醛等。
迄今为止还没有一种特别有效又经济的预处理工艺能够得到大规模应用，预处理阶段成本占到整个燃料乙醇成本的30%以上，因此，研究开发经济高效的木质纤维原料预处理工艺对于推动燃料乙醇的产业化和实现我国向低碳经济发展模式转型具有非常重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，该预处理方法解决了现有技术中存在的成本能耗高、设备投资成本高、二次污染严重、易产生发酵抑制物等问题。
一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，包括：
（1）在木质纤维原料中加入磺化蒸煮液，在超声环境下，利用微波加热煮沸，并在沸腾状态下进行预反应，获得一次蒸煮料；
（2）将所述一次蒸煮料置于100～120KPa、110～130℃下进行磺化反应，获得二次蒸煮料；
（3）将所述二次蒸煮料过滤，在滤渣中加入乙酸钠缓冲液，在100～120KPa、110～130℃下进行水热反应，获得三次蒸煮料，完成预处理。
为破坏木质纤维原料中纤维素、半纤维素和木质素的三维稳定结构，本发明首先采用磺化蒸煮液与木质纤维原料中的木质素发生磺化反应，破坏木质素组分，使部分磺化后的木质素因亲水性提高而溶出；然后采用偏酸性的乙酸钠缓冲液对滤渣中的全纤维组分作进一步处理，以水解其中的部分半纤维素。
并且，在磺化反应之前先在微波-超声的协同作用下进行预反应，微 波使磺化蒸煮液能快速渗透到物料分子结构内部，超声可以更有效地破坏木质纤维原料三维结构，从而使得磺化反应较常规温度降低了40℃以上，压力降低了10-20Kpa以上；既加快了反应速率，反应条件又更为温和，降低了能耗，避免高温高压条件下纤维素也会被部分降解，从而影响原料利用率。
而步骤（3）中由于采用偏酸性的乙酸钠缓冲液代替常规溶剂水，使得水热反应的温度较常规温度降低了60℃以上，不仅降低了能耗，而且反应条件更为温和，减少了酶解或发酵抑制物的产生。
具体地，所述木质纤维原料预处理方法包括：
（1）在木质纤维原料中加入磺化蒸煮液，置于微波、超声环境中，在沸腾状态下进行预反应，获得一次蒸煮料；
作为优选，预反应前，先对木质纤维原料进行粉碎处理。作为进一步优选，粉碎后木质纤维原料的粒径小于10mm。粉碎处理使得木质纤维原料的形态被破碎细化，初步破坏其三维结构，增大与磺化蒸煮液的接触面积，使后续反应更易进行。
木质纤维原料与磺化蒸煮液的混合比例优选为1g：20～50mL；更优选为1g：25～30mL。如未作特殊说明，本发明中木质纤维原料的重量均为其干重。由于本发明在磺化反应前进行了预反应，因此大大降低了磺化蒸煮液的使用量，通常比典型的造纸制浆工艺节省1/3左右。
本发明中，以占木质纤维原料干重的百分比计，向每克（干重）木质纤维原料中所加的磺化蒸煮液中含有8～15%Na2SO3，2～3.5%Na2CO3，0.02～0.10%蒽醌；更优选为含有10%Na2SO3，3%Na2CO3，0.05%蒽醌。利用亚硫酸盐如Na2SO3在木质素中引入磺基，增加其溶解度。
预反应可在具有超声功能的微波反应器中进行，作为优选，微波功率为100～300W，超声功率为25～80W，预反应时间为5～30min；作为进一步优选，微波功率为200W，超声功率为50W，预反应时间为10min。
在该条件下进行预反应可以对木质纤维原料三维结构起到明显的破坏作用，在获得基本相当的磺化效率的情况下，可以使得后续磺化脱出木质素的工艺阶段温度降低40℃以上，压力降低10-20Kpa以上。
预反应时间是在超声、微波的作用下，待磺化蒸煮液的温度上升到沸 点（106℃）后（即磺化蒸煮液处于沸腾状态）开始计算的。
（2）将所述一次蒸煮料置于100～120KPa、110～130℃下进行磺化反应，获得二次蒸煮料；
预反应完成后，将一次蒸煮料转移至高压反应釜中，在100～120KPa、110～130℃下连续蒸煮20～60min；更优选为在115KPa、130℃下连续蒸煮30min。与常规磺化反应相比，本发明的磺化反应温度降低40℃，压力降低10-20Kpa以上，节约能耗，而且磺化反应中纤维素的损失率也减少了10%左右。
（3）将所述二次蒸煮料过滤，在滤渣中加入乙酸钠缓冲液，在100～120KPa、110～130℃下进行水热反应，获得三次蒸煮料，完成预处理。
水热反应获得的三次蒸煮料中含有大量的还原糖，为保证还原糖利用率，可直接向三次蒸煮料中加入纤维素酶进行酶解。所以，在水热反应进行前，必须过滤二次蒸煮料，除去磺化反应中木质素降解产生的大部分酶解或发酵抑制物（如酚类物质），以免其进入后续的乙醇生产体系中。
过滤后的滤液可采用酸沉淀法或超滤技术回收其中的木质素磺酸钠，作为本发明方法的副产物。滤渣与乙酸钠缓冲液的混合比例优选为1g：20～50mL，更优选为1g：20mL，乙酸钠缓冲液的pH值优选为4～5，更优选为4.8。在保证水热反应效率的基础上，水热反应总体积越小越好，实验证明，20ml以上的乙酸钠缓冲液才可以获得良好的水热反应效果，因此取最小值1:20ml。
将滤渣与乙酸钠缓冲液在高压反应釜中混合均匀后，在100～120KPa、110～130℃下连续蒸煮20～60min，更优选为在120KPa、130℃下连续蒸煮30min。在保证预处理效率的基础上，本发明的水热反应条件能降低能耗，减少发酵抑制物质产生。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明方法先对木质纤维原料进行粉碎处理，增大与磺化蒸煮液的接触面积，使后续反应更易进行；
（2）本发明的磺化反应与亚硫酸盐法造纸制浆技术相类似，具有成熟的应用经验，易于实现产业化；
（3）在磺化反应之前先在微波、超声环境中进行预反应，使得磺化 反应温度最高只有130℃，较常规温度降低了40℃以上；磺化反应压力最高只有120KPa，较常规压力降低20Kpa以上；既加快了反应速率，反应条件又更为温和，降低了能耗，避免高温高压条件下纤维素也会被部分降解，从而影响原料利用率；
（4）磺化反应后将二次蒸煮料过滤，大大减少了三次蒸煮料中含有的木质素降解产生的大部分酶解或发酵抑制物（如酚类物质），从而三次蒸煮料可以直接用于酶解，保证还原糖利用率；
（5）水热反应中采用偏酸性的乙酸钠缓冲液代替常规溶剂水，使得水热反应的温度最高只有130℃，较常规温度降低了60℃以上，不仅降低了能耗，而且反应条件更为温和，减少了酶解或发酵抑制物的产生，保证还原糖利用率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法作进一步详细说明。
实施例1
一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，包括：
（1）取粉碎到10mm以下的甘蔗渣（含水率约76%）6.80g，置于100ml锥形瓶中，加入50ml磺化蒸煮液，混匀；
磺化蒸煮液中各种化学试剂相对于甘蔗渣干重的比例：亚硫酸钠10%，碳酸钠3%，蒽醌0.05%；
（2）将装有磺化蒸煮液和甘蔗渣的锥形瓶置于具有超声功能的微波反应器中，微波功率250W，超声功率50W，在沸腾状态下预反应10min，获得一次蒸煮料；
（3）将装有一次蒸煮料的锥形瓶转移至高压蒸汽灭菌锅中，于120KPa、130℃下连续蒸煮30min，获得二次蒸煮料；
（4）待二次蒸煮料冷却后过滤，在滤渣中加入32ml NaAc-HAc缓冲液（pH=4.8），置于高压灭菌锅中，于120KPa、130℃反应30min，获得三次蒸煮料；
（5）待三次蒸煮料冷却到50℃左右时，备用。
实施例2
一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，包括：（1）取粉碎到10mm以下的甘蔗渣（含水率约76%）3.50g，置于100ml锥形瓶中，加入25ml磺化蒸煮液，混匀；
磺化蒸煮液中各种化学试剂相对于甘蔗渣干重的比例：亚硫酸钠10%，碳酸钠3%，蒽醌0.05%；
（2）将装有磺化蒸煮液和甘蔗渣的锥形瓶置于具有超声功能的微波反应器中，微波功率250W，超声功率50W，在沸腾状态下预反应10min，获得一次蒸煮料；
（3）将装有一次蒸煮料的锥形瓶转移至高压蒸汽灭菌锅中，于120KPa、130℃下连续蒸煮30min，获得二次蒸煮料；
（4）待二次蒸煮料冷却后过滤，在滤渣中加入25ml NaAc-HAc缓冲液（pH=4.8），置于高压灭菌锅中，于120KPa、130℃反应30min，获得三次蒸煮料；
（5）待三次蒸煮料冷却到50℃左右时，备用。
实施例3
一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，包括：
（1）取粉碎到10mm以下的甘蔗渣（含水率约76%）6.80g，置于100ml锥形瓶中，加入40ml磺化蒸煮液，混匀；
磺化蒸煮液中各种化学试剂相对于甘蔗渣干重的比例：亚硫酸钠10%，碳酸钠3%，蒽醌0.05%；
（2）将装有磺化蒸煮液和甘蔗渣的锥形瓶置于具有超声功能的微波反应器中，微波功率100W，超声功率25W，在沸腾状态下预反应8min，获得一次蒸煮料；
（3）将装有一次蒸煮料的锥形瓶转移至高压蒸汽灭菌锅中，于120KPa、130℃下连续蒸煮30min，获得二次蒸煮料；
（4）待二次蒸煮料冷却后过滤，在滤渣中加入35ml NaAc-HAc缓冲 液（pH=4.8），置于高压灭菌锅中，于120KPa、130℃反应30min，获得三次蒸煮料；
（5）待三次蒸煮料冷却到50℃左右时，备用。
对比例1
一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，包括：
（1）取粉碎到10mm以下的甘蔗渣（含水率约76%）6.80g，置于100ml锥形瓶中，加入50ml磺化蒸煮液，混匀；
磺化蒸煮液中各种化学试剂相对于甘蔗渣干重的比例：亚硫酸钠10%，碳酸钠3%，蒽醌0.05%；
（2）将装有磺化蒸煮液和甘蔗渣的锥形瓶置于高压蒸汽灭菌锅中，于120KPa、130℃下连续蒸煮30min，获得一次蒸煮料；
（3）待一次蒸煮料冷却后过滤，在滤渣中加入32ml NaAc-HAc缓冲液（pH=4.8），置于高压灭菌锅中，于120KPa、130℃反应30min，获得二次蒸煮料；
（4）待二次蒸煮料冷却到50℃左右时，备用。
对比例2
一种用于生产燃料乙醇的木质纤维原料预处理方法，包括：
（1）取粉碎到10mm以下的甘蔗渣（含水率约76%）6.80g，置于100ml锥形瓶中，加入50ml磺化蒸煮液，混匀；
磺化蒸煮液中各种化学试剂相对于甘蔗渣干重的比例：亚硫酸钠10%，碳酸钠3%，蒽醌0.05%；
（2）将装有磺化蒸煮液和甘蔗渣的锥形瓶置于具有超声功能的微波反应器中，微波功率250W，超声功率50W，在沸腾状态下预反应10min，获得一次蒸煮料；
（3）将装有一次蒸煮料的锥形瓶转移至高压蒸汽灭菌锅中，于120KPa、130℃下连续蒸煮30min，获得二次蒸煮料；
（4）待二次蒸煮料冷却后过滤，在滤渣中加入32ml水，置于高压灭菌锅中，于120KPa、130℃反应30min，获得三次蒸煮料；
（5）待三次蒸煮料冷却到50℃左右时，备用。
在上述实施例最终获得的蒸煮料中分别加入2.0ml的纤维酶溶液（20FPU/ml），并用适量NaAc-HAc缓冲液（pH=4.8）（对比例2的蒸煮料用水）补齐到50ml酶解体系，置于50℃的控温摇床里进行48h酶解反应，并采用DNS法测定还原糖含量，计算各实施例的还原糖得率，即酶解得到的还原糖质量除以纤维原料中纤维素组分的质量。计算结果见表1。
表1
实施例 还原糖得率（%） 实施例1 25.3% 实施例2 24.7% 实施例3 21.8% 对比例1 17.7% 对比例2 19.2%
由表1可见，由于未在微波-超声环境下进行预反应（对比例1）、水热反应时使用常规溶剂水（对比例2），最终获得的蒸煮料中还原糖得率均较低，表明预处理效果较差。由此可证实，本发明于磺化反应前先在微波-超声环境下进行预反应、水热反应时使用NaAc-HAc缓冲液（pH=4.8）代替常规溶剂水，在保持较低能耗的同时，预处理效果大大提高。