一種利用木質纖維素原料生產生物柴油的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于生物煉制與生物能源技術領域，尤其設及一種利用木質纖維素原料生 產生物柴油的方法。
【背景技術】
[0002] 自然界中某些微生物在特定條件下，能夠W碳水化合物、碳氨化合物、二氧化碳等 為碳源，在體內合成并膽存大量油脂，凡是可W在胞內積累油脂并超過細胞干重20%(w/w， 運里w/w表示質量比，下同）的微生物稱為產油微生物。某些產油微生物胞內積累的油脂甚 至超過其細胞干重的70%。微生物油脂，尤其是產油真菌產生的油脂，其主要成份是甘油= 醋，脂肪酸組成與商品化的動植物油脂相似，WC14-C22長鏈脂肪酸為主。相對于動植物油 月旨，微生物油脂生產周期短，不受季節與氣候限制，原料來源廣，基本不占用額外耕地資源， 易于實現規模生產，是極具潛力的新型油脂資源。微生物油脂不僅可W作為食用油或其他 功能性油脂的替代品，還可W為生物柴油產業可持續發展提供原料。
[0003] 木質纖維素材料來源廣泛、是自然界中最豐富的可再生資源之一，據測算年總產 量高達1500億噸，其化學成份主要是纖維素、半纖維素和木質素，蘊藏著巨大的碳水化合物 資源。纖維素完全水解主要產物為葡萄糖;半纖維素水解可得到木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半 乳糖、甘露糖等的混合物。廉價的木質纖維素原料主要有W玉米賴桿、玉米忍、稻草和麥桿 為代表的農業廢棄物，W樹木、枝權和銀末為代表的林業廢棄物，W甘薦渣和甜高梁渣等為 代表的工業廢棄物等。目前我國對木質纖維素資源的利用尚不完善，大部分未得到合理開 發利用。利用木質纖維素水解液培養產油微生物，有望大幅度降低原料成本，并使規模化制 備微生物油脂的原材料得到保障。
[0004] 然而，目前木質纖維素基原料的經濟性不如傳統的糖質原料，主要是由于生物質 抗降解特性(b i oma S S re Ca 1C i tr an C e )，導致很難通過經濟、高效的方式降解木質纖維素獲 取產油微生物利用的可發酵性糖。木質纖維素通常需要先經過物理、化學、物理化學或生物 的方法進行預處理，破壞木質纖維素的抗降解結構，降低纖維素的結晶度、增加原料的孔隙 率、提高酶的可及度和脫除木質素的保護作用，從而提高木質纖維素的酶解效率。預處理通 常需要加入化學試劑或者較高的能耗，成本高。另外，誘發產油酵母過量積累油脂，通常需 要培養基中的碳水化合物過量，而缺乏產油酵母生長繁殖的其它必要成分，包括氮、憐、硫、 鐵、鋒和溶氧等。氮限制是微生物調控油脂積累最常用的策略，較高的C/^比有利于油脂積 累。然而，木質纖維素原料通常氮含量較高，另外其降解過程中添加水解酶，也會引入一定 量的氮源，導致水解液C/N比較低，產油微生物W菌體增殖為主，油脂產量和油脂得率較低。
[0005] 通過木質纖維素原料為碳源培養產油微生物，然后進行堿催化轉醋化制備生物柴 油有望從根本上解決制備生物柴油的油脂資源問題。然而，當前該技術路線存在著生產成 本高、油脂產量低、副產物資源化利用困難、廢水處理的突出問題。綠色、經濟、高效地利用 木質纖維素制備生物柴油是目前能源生物技術領域的研究難點和熱點。

【發明內容】

[0006] 鑒于上述問題，本發明的目的在于提供一種利用木質纖維素原料生產生物柴油的 方法，旨在解決現有方法生產成本高、油脂產量低、副產物難資源化利用的突出問題。
[0007] 產油微生物積累的胞內油脂主要為中性脂，其主要成分為=酷甘油，游離脂肪酸 含量非常低，可通過簡單的一步堿催化轉醋化制備生物柴油。轉醋化反應后產生副產物甘 油的同時，殘留大量的堿催化劑和未反應的甲醇。本發明提出一種利用木質纖維素原料生 產生物柴油的方法，可W充分利用堿催化轉醋化的副產物甘油W及殘余堿催化劑和未反應 的甲醇，W提木質纖維素轉化制備生物柴油的技術經濟性，大大降低了成本，具有顯著的經 濟效益。本發明方法具體包括如下步驟：
[0008] 取微生物油脂經一步堿催化轉醋化制備得到的生物柴油，加正己燒萃取并靜置分 層，上層液通過蒸發除去正己燒收獲生物柴油產品，下層液獲得含堿催化劑、副產物甘油和 未反應甲醇的混合溶液；
[0009] 將木質纖維素原料與所述混合溶液按固液質量比5%~50%混合均勻，并高溫預 處理，然后原位蒸發及冷凝回收甲醇，原料加水至固液質量比5%~25%，采用酸中和，添加 適量的木質纖維素降解酶進行水解，固液分離后獲得水解液，調整水解液的pH值至4~9，最 后滅菌處理，所述水解液中包含有由木質纖維素降解得的可發酵性生物質糖；
[0010] 取產油微生物并在種子培養基中培養，得到產油微生物種子液，將所述產油微生 物種子液接種至所述水解液中，接種量為2%-20%，于20°C-37°C通氣培養，直至發酵液中 殘余碳水化合物和甘油的濃度總和低于5g/L，終止發酵，固液分離收集產油微生物菌體，所 述接種量為體積比；
[0011] 提取所述產油微生物菌體的胞內油脂，采用一步堿催化轉醋化制備生物柴油，審U 備得到的生物柴油中包含堿催化劑、副產物甘油和甲醇的溶液，用于循環預處理木質纖維 素。
[0012] 本發明的有益效果是:本發明將微生物油脂制備生物柴油過程中的堿催化劑-副 產物甘油-未反應甲醇溶液作為預處理介質處理木質纖維素原料，可顯著提高木質纖維素 的酶可及性，葡萄糖得率可達95% W上，木糖得率可達到80% W上;強堿和甲醇可先后用于 堿催化轉醋化和木質纖維素的預處理，降低了試劑成本;甘油可先后作為木質纖維素的預 處理介質和產油酵母的碳源被轉化為微生物油脂，整個生物柴油生產方法沒有副產物甘油 的凈產出；高糖得率，W及預處理的甘油，提高了水解液中C/^比，使微生物能夠更好地將碳 源導向油脂合成，顯著提高油脂的產量。因此，本發明提供的利用木質纖維素原料生產生物 柴油的工藝，實現了原料循環，可大大降低成本，具有非常好的應用前景。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明實施例提供的利用木質纖維素原料生產生物柴油的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0014] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下實施例對本發明進行 進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并不用于限定 本發明。
[0015] 本發明是將微生物油脂經一步堿催化轉醋化制備生物柴油過程中的堿催化劑-副 產物甘油-未反應甲醇的混合溶液用于木質纖維素的預處理，酶水解獲得大量可發酵性糖， 糖和甘油可作為碳源，強化油脂發酵過程，生產微生物油脂。
[0016] 結合圖1所示，本發明方法具體包括如下步驟：
[0017] 步驟S101、獲取強堿-甘油-甲醇的混合溶液。
[0018] 取微生物油脂采用一步堿催化轉醋化方法制備生物柴油，加入一定量的正己燒充 分震蕩，萃取并靜置分層，上層液通過蒸發除去正己燒收獲生物柴油產品，下層液獲得含堿 催化劑、副產物甘油和未反應甲醇的混合溶液。所述堿催化劑為KOH或化0H。所述強堿-甘 油-甲醇的混合溶液中，堿催化劑的質量濃度為0.2 %~2 %，副產物甘油的質量濃度為1 % ~5%，甲醇的質量濃度為80%~90%，余量為油脂、皂、無機鹽和微量水等。
[0019] 步驟S202、預處理木質纖維素原料。
[0020] 將木質纖維素原料與所述混合溶液按固液質量比5%~50%混合均勻，優選為 10%-50%混合，并高溫預處理，溫度為80°C~180°C，時間為15min~4h，顯著提高原料的酶 可及性。本發明所適用的木質纖維素為主要成份為纖維素、半纖維素和木質素的生物質材 料。包括玉米賴桿、玉米忍、稻草、稻殼和麥桿等農業生物質，樹木、枝權和銀末等林業生物 質，甘薦渣、甜菜渣和甜高梁渣等工業生物質，水葫蘆和碑子等雜草，柳枝稷和芒草等能源 植物中的一種或二種W上組合。
[0021] 步驟S203、制備木質纖維素水解液。
[0022] 預處理后的原料原位蒸發及冷凝除甲醇，回收得到的甲醇用于堿催化轉醋化反應 的原料反復使用。然后加水稀釋至固液質量比5%~25% (w/v)，采用酸中和，運里使用硫 酸、鹽酸、憐酸、醋酸或巧樣酸調節抑值至4.5~5.5,再添加適量的木質纖維素降解酶進行 降解，將預處理的木質纖維素中的纖維素和半纖維素降解成可發酵性生物質糖，水解液中 包括但不限于甘油、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、纖維寡糖、木寡糖、半乳糖醒 酸等。固液分離，調整水解液的pH值至4~9,最后滅菌處理備用。另外，在調整水解液pH值 前，也可W少量添加其它微生物培養常用的營養物質，包括氮源、憐源、硫源、無機鹽、維生 素或它們的組合，制備產油微生物培養基。所述木質纖維素降解酶為具有降低碳水化合物 聚合物的聚合度的酶，包括纖維素酶、e-葡萄糖巧酶、木聚糖酶、e-木糖巧酶、果膠酶等的一 種或它們的組合。
[0023] 步驟S204、培養產油微生物。
[0024] 取產油微生物并在種子培養基中培養，溫度設置為30°C，200rpm振蕩培養2地，得 到產油微生物種子液。將所述產油微生物種子液接種至所述水解液中，接種量為2%-20%， 于20°C-37°C通氣培養，直至發酵液中殘余碳水化合物和甘油的濃度總和低于5g/L，終止發 酵，固液分離收集產油微生物菌體，所述接種量為體積比。
[0025] 所述產油微生物為經發酵后菌體油脂含量可超過細胞干重20 %的產油酵母，它們 包括但不限于下列之一：油脂酵母(如斯達油脂酵母Lipomyces stark巧i)、紅酵母(如圓紅 冬抱酵母 Rhodospor idium torulo ides、粘紅酵母 Rhodotorula glut ini S 和擲抱酵母 Sporobolomyces roseus)、