1.本发明属于生物质能源和生物发酵领域，涉及一种生物质资源化利用的绿色高效精炼系统及方法。
背景技术：2.木质纤维素作为重要的可再生资源，其高效资源化利用已经得到了广泛的研究和关注。但因其复杂的结构，阻碍了其各个组分的有效分离及利用，导致大多数的综合利用研究仍未达到工业化应用水平。其中当前主要的综合利用方案分为纤维素优先、半纤维素优先和木质素优先等，其中半纤维素优先的产品主要包括木糖、阿拉伯糖、糠醛等；木质素优先的利用策略产品包含乳化剂、染料分散剂、可降解塑料袋、酚醛树脂、军用航空煤油等；以纤维素利用为主的利用策略可以生产纸浆、纤维用溶解浆、纳米纤维素、燃料乙醇、生物质石墨烯等，利用纸浆进一步生产纸浆模塑等可降解绿色产品。然而上述利用策略，仅仅关注了木质纤维素资源的部分利用，未实现整个工艺的资源化合理利用。因此，符合绿色加工理念的纤维素、半纤维素、木质素综合利用方案亟需研究和开发。
3.当前以纤维素利用为主的燃料乙醇生产工艺和部分已经进入产业化阶段，且市场反响良好，但是仍然存在五碳糖和六碳糖协同利用效率低、酶用量大、过程废水难以治理等问题，导致资源浪费，制约了工业化的应用。尤其是当前为了实现五碳糖和六碳糖的协同利用，大多采用基因工程菌株，不仅会带来基因安全问题，同时限制了在其它领域的应用。
4.新一代的绿色溶剂-低共熔溶剂(des)，近年来受到了广泛的关注，在优先提取木质素的同时，预处理后的木质纤维素酶解效率得到了很大的提高，但是目前已有的研究鲜有关注预处理后的des废液如何处理。
5.因此，提出一种不依赖于基因工程菌的纤维素和半纤维素的资源化综合利用方案具有十分重要的意义。
技术实现要素：6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明在旨在提供一种基于有机酸基低共熔溶剂预处理生物质的绿色高效精炼系统及方法。经试验验证，本技术提出的生产工艺，不仅实现了秸秆、能源草、林木等生物质原料的全组分高值化利用，又能克服提取溶剂回收处理困难、成本高的缺陷，因此极具大规模工业化生产及实际应用之价值。
7.为此，本发明第一方面提供了一种生物质预处理剂，其为有机酸基低共熔溶剂，其包括有机酸、氯化胆碱和路易斯酸，其中，有机酸包括甲酸、乙酸和乳酸中的一种或几种，优选为乙酸，路易斯酸包括氯化铝、氯化铁和氯化锰中的一种或几种，优选为氯化铁。
8.在本发明的一些优选的实施例中，以预处理剂总质量计，所述预处理剂的包括：
9.有机酸40％-75％，优选为60％-75％，更优选为60％；
10.氯化胆碱20％-40％，优选的为20-36％，更优选为36％；
11.路易斯酸1％-20％，优选的为4％-16％，更优选为4％。
12.本发明第二方面提供了一种生物质绿色高效精炼系统，其包括依次相连的物料混合罐、高温反应釜、固体残渣分离装置、有机酸基des溶液储罐、木质素分离装置、des溶液储罐、低有机酸浓度溶液储罐、低有机酸浓度溶液发酵罐、第ⅱ发酵产品分离装置和第ⅱ发酵产品储罐；
13.所述精炼系统还包括与有机酸基des溶液储罐相连的第ⅰ供水管道；
14.所述精炼系统还包括与低有机酸浓度溶液储罐相连的第ⅱ供水管道；
15.所述精炼系统还包括木质素储罐，其进料口与木质素分离装置的木质素出料口相连；
16.所述精炼系统还包括高有机酸浓度溶液管道，其一端与des水溶液储罐出料口相连，另一端与低有机酸浓度溶液发酵罐进料口相连。
17.根据本发明的一些实施方式，所述系统还包括与固体残渣分离装置的固体残渣出料口相连的酶解罐、酶解液发酵罐、第ⅰ发酵产品分离装置和第ⅰ发酵产品储罐。
18.本发明第三方面提供了一种利用本发明第二方面所述的生物质绿色高效精炼系统进行生物质绿色高效精炼方法，其包括：
19.步骤a，在物料混合罐中将预处理剂与生物质原料混合后，送入高温反应釜进行高温预处理，获得高温预处理产物；
20.步骤b，通过固体残渣分离装置对高温预处理产物进行分离处理，获得有机酸基des溶液和固体残渣；
21.步骤c，向有机酸基des溶液中加入水，混合均匀后获得有机酸基des悬浊液，通过木质素分离装置对有机酸基des悬浊液进行分离处理，获得des水溶液和木质素；
22.步骤d，将一部分des水溶液稀释灭菌后获得低有机酸浓度溶液，并通过低有机酸浓度溶液发酵罐对低有机酸浓度溶液进行发酵处理，获得des发酵培养产物，通过第ⅱ发酵产品分离装置对des发酵培养产物进行分离，获得第ⅱ发酵产品；
23.其中，所述预处理剂为权利要求1或2所述的生物质预处理剂。
24.根据本发明，在步骤d中，将另一部分des水溶液作为高有机酸浓度溶液不经过灭菌直接用于调节低有机酸浓度溶液的ph值，优选地，所述高有机酸浓度中有机酸含量为80-400g/l。
25.在本发明的一些实施例中，在步骤c中，水的用量与有机酸基des溶液体积的1-5倍，优选为1-3倍，更优选为3倍。
26.根据本发明，在步骤a中，所述反应的温度为100-300℃，优选为140-160℃。
27.根据本发明，所述反应的温度为10min-10h，优选为50-70min。
28.在本发明的一些实施例中，预处理剂与生物质原料的质量为1:(4-20)，优选为1:(5-10)，更优选为1:5。
29.在本发明的一些实施例中，在步骤d中，所述低有机酸浓度溶液中有机酸含量为10-15g/l。
30.在本发明的一些实施方式中，所述生物质绿色高效精炼方法还包括步骤e，通过酶解罐对固体残渣进行酶解，并通过酶解液发酵罐对所获得的酶解液进行糖液发酵处理，然后通过第ⅰ发酵产品分离装置对糖液发酵产物进行分离处理，获得第ⅰ发酵产品。
31.本发明取得了以下有益效果：
32.(1)本发明结合目前木质纤维素的利用现状提出了一种基于有机酸的五碳糖和六碳糖分别利用的预处理方法，预处理后，大部分的半纤维素被降解为五碳糖溶于有机酸低共熔溶剂中，而富含纤维素的固体部分纤维素含量可达90％以上，极大的降低了纤维素酶的用量。
33.(2)本发明通过建立基于有机酸消耗为驱动力的高浓度酸溶液作为ph调节液，通过ph调节间接实现发酵过程连续补充碳源，缓解了高浓度有机酸对微生物的抑制作用，通过有机酸和五碳糖共发酵生产大宗生物基化学品，实现了预处理过程溶剂的资源化利用，极大的降低了预处理成本。
34.(3)在富含纤维素的固体部分进行乙醇发酵时，采用商业化的安琪酵母等安全的非基因工程菌株，避免了基因安全带来的问题。
35.(4)本发明所用的溶剂均为绿色环保且价格低廉、容易获得的原料，工艺过程无毒无害。
附图说明
36.为使本发明容易理解，下面将结合附图来详细说明本发明。
37.图1为生物质全组分绿色高效精炼工艺流程示意图。
38.图2为生物质绿色高效精炼系统示意图。
39.图3为生物质绿色高效精炼系统示意图。
40.图2和图3中的附图标记说明如下：1物料混合罐；2高温反应釜；3固液残渣分离装置；4有机酸基des溶液储罐；5第ⅰ供水管道(简称为pⅰ水)； 6第ⅱ供水管道(简称为pⅱ水)；7第ⅲ供水管道(简称为pⅲ水)；10固液残渣储罐；11酶解罐；12酶解液储罐；13酶解液发酵装置；14第ⅰ发酵产品分离装置；15第ⅰ发酵产品储罐；20有机酸基des悬浊液储罐；21木质素分离装置；22des水溶液储罐；23低有机酸浓度溶液储罐；24低有机酸浓度溶液发酵罐；25第ⅱ发酵产品分离装置；26第ⅱ发酵产品储罐；27高有机酸浓度溶液三通阀；28高有机酸浓度溶液管道；29高有机酸浓度溶液储罐；30木质素储罐。
具体实施方式
41.为使本发明容易理解，下面将结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。
42.在提供了数值范围的情况下，应当理解所述范围的上限和下限和所述规定范围中的任何其他规定或居间数值之间的每个居间数值均涵盖在本发明内。这些较小范围的上限和下限可以独立包括在较小的范围中，并且也涵盖在本发明内，服从规定范围中任何明确排除的限度。在规定的范围包含一个或两个限度的情况下，排除那些包括的限度之任一或两者的范围也包含在本发明中。
43.除非另有定义，本文中使用的所有术语与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解具有相同的意义。虽然与本文中描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料也可以在本发明的实施或测试中使用，但现在描述了优选的方法和材料。
[0044]ⅰ.术语
[0045]
本发明中所述用语“生物质绿色高效精炼方法”具体是指生物质经过预处理后实现木质素、纤维素和半纤维素的有效分离，经加工后分别获得高附加值的产品，木质纤维素的全部组分得到有效利用的一种方法，而且预处理过程使用到的溶剂等经加工后同样获得高附加值的产品，整个过程无废物排放，符合绿色加工的理念。
[0046]
本发明中所述用语“生物质全组分绿色高效精炼工艺”具体是指实现“生物质绿色高效精炼方法”的具体手段和工艺路线，涉及每个加工环节的衔接及先后顺序，增加溶剂循环、水资源回用、热量回收等步骤，具体可参考工艺流程图。
[0047]
本发明中所述用语“生物质”主要是指以植物类木质纤维素为主的生物质，其主要的有效成分为纤维素、半纤维素和木质素以及其它组分。
[0048]
本发明中所述全组分高值化利用中的用语“全组分”是生物质原料中所含木质素、纤维素和半纤维素三种生物质组分的总和，不包括生物质中的其他组分，如灰分、油脂等。
[0049]
本发明中所述用语“生物质原料”是指包含生物质组分的植物原料，其包括秸秆、能源草和林木等。
[0050]
本发明中所述“水”一词在没有特别限定或说明的情况下，是指自来水、去离子水或蒸馏水。
[0051]ⅱ.实施方案
[0052]
如前所述，当前符合绿色加工理念的纤维素、半纤维素、木质素综合利用方案不尽如人意，总是存在这样或那样一些问题。例如，以纤维素利用为主的燃料乙醇生产工艺虽然部分已经进入产业化阶段，但是仍然存在五碳糖和六碳糖协同利用效率低、酶用量大、过程废水难以治理等问题，导致资源浪费，制约了工业化的应用。尤其是当前为了实现五碳糖和六碳糖的协同利用，大多采用基因工程菌株，不仅会带来基因安全问题，同时限制了在其它领域的应用；又例如，虽然新一代的绿色溶剂-低共熔溶剂(des)，在优先提取木质素的同时，预处理后的木质纤维素酶解效率得到了很大的提高，但是目前已有的研究鲜有关注预处理后的des废液如何处理等问题。
[0053]
针对现有技术中存在的上述问题，本发明人对于不依赖于基因工程菌的纤维素和半纤维素的资源化综合利用技术进行了大量深入的研究，本发明人研究并设计了一种不依赖于基因工程菌的纤维素和半纤维素等生物质的资源化绿色高效精炼方法，其工艺流程示意图如图1所示。经试验验证，本技术提出的生物质精炼方法，不仅实现了秸秆、能源草、林木等生物质原料的全组分高值化利用，又能克服提取溶剂回收处理困难、成本高的缺陷，因此极具大规模工业化生产及实际应用之价值。
[0054]
为实现本发明上述技术方案，本发明第一方面提供了一种生物质预处理剂，其为有机酸基低共熔溶剂，其具体包括有机酸、氯化胆碱和路易斯酸，其中，有机酸包括甲酸、乙酸和乳酸中的一种或几种，优选为乙酸，路易斯酸包括氯化铝、氯化铁和氯化锰中的一种或几种，优选为氯化铁。
[0055]
在本发明的一些优选的实施例中，以预处理剂总质量计，所述预处理剂的包括：
[0056]
有机酸40％-75％，优选为60％-75％，更优选为60％；
[0057]
氯化胆碱20％-40％，优选的为20-36％，更优选为36％；
[0058]
路易斯酸1％-20％，优选的为4％-16％，更优选为4％。
[0059]
在本发明的一些具体优选的实施例中，以预处理剂总质量计，所述预处理剂的组
成为：乙机酸60％，氯化胆碱36％，氯化铁4％。
[0060]
本发明第二方面提供了一种生物质绿色高效精炼系统，该系统可以理解为基于有机酸基低共熔溶剂预处理生物质的绿色高效精炼系统，其工艺流程示意图如图2所示。从图2可以看出，所述生物质绿色高效精炼系统包括依次相连的物料混合罐1、高温反应釜2、固体残渣分离装置3、有机酸基des溶液储罐4、木质素分离装置21、des溶液储罐22、低有机酸浓度溶液储罐23、低有机酸浓度溶液发酵罐24、第ⅱ发酵产品分离装置25和第ⅱ发酵产品储罐26；
[0061]
所述精炼系统还包括与有机酸基des溶液储罐4相连的第ⅰ供水管道5，用于向有机酸基des溶液储罐供水；
[0062]
所述精炼系统还包括与低有机酸浓度溶液储罐23相连的第ⅱ供水管道6，用于向低有机酸浓度溶液储罐供水；
[0063]
所述精炼系统还包括木质素储罐30，其进料口与木质素分离装置21的木质素出料口相连。
[0064]
所述精炼系统还包括高有机酸浓度溶液管道28，其一端通过高有机酸浓度溶液三通阀27与des水溶液储罐22出料口相连，另一端与低有机酸浓度溶液发酵罐24进料口相连。
[0065]
根据本发明的一些实施方式，所述系统还包括依次与固体残渣分离装置3的固体残渣出料口相连的酶解罐11、酶解液发酵罐13、第ⅰ发酵产品分离装置14 和第ⅰ发酵产品储罐15。
[0066]
本领域技术人员应该了解的是，在上述图2所示的工艺流程中，有机酸基 des溶液储罐4的作用包括：(1)在加水前，用作有机酸基des溶液储罐；(2) 加水混合过程中，用作有机酸基des溶液与水的混合罐；(3)加水混合并形成有机酸基des悬浊液后，用作有机酸基des悬浊液储罐。
[0067]
优选地，分别在上述图2所示的工艺流程中的固液残渣分离装置3和酶解罐 11之间增设固液残渣储罐10；在酶解罐11和酶解液发酵装置13之间增设酶解液储罐12；在有机基des溶液储罐4和木质素分离装置21之间增设有机基des 悬浊液储罐20，并相应地将第ⅰ供水管道5改为与有机酸基des悬浊液储罐20 进料口相连，用于向有机酸基des悬浊液储罐20供水；在三通阀27和低有机酸浓度溶液发酵罐24之间增设高有机酸浓度溶液储罐29；分别将固液残渣储罐10、酶解液储罐12、有机基des悬浊液储罐20和高有机酸浓度溶液储罐29用作相应物料的缓冲储罐，以提高操作弹性和灵活性，如图3所示。
[0068]
进一步优选地，在上述图3所示的工艺流程中的高有机酸浓度溶液储罐29 上接入第ⅲ供水管道7，用于向高有机酸浓度溶液储罐29供水。
[0069]
本领域技术人员应该了解的是，在上述图3所示的工艺流程中，有机酸基 des悬浊液储罐20的作用包括：(1)加水混合过程中，用作有机酸基des溶液与水的混合罐；(2)加水混合并形成有机酸基des悬浊液后，用作有机酸基 des悬浊液储罐。
[0070]
本领域技术人员还应该了解的是，在上述图3所示的工艺流程中，高有机酸浓度溶液储罐29的作用包括：(1)高有机酸浓度溶液储罐；(2)用于通过第ⅲ供水管道7加水将高有机酸浓度溶液中的高有机酸浓度控制在合适的范围。
[0071]
本发明第三方面提供了一种利用本发明第二方面所述的生物质绿色高效精炼系统进行生物质绿色高效精炼方法，可以理解为一种利用本发明第二方面所述的生物质绿色
高效精炼系统进行生物质素绿色高效精炼工艺，如图1所示，其包括：
[0072]
步骤a，在物料混合罐1中将预处理剂与生物质原料(即为木质纤维素)混合后，送入高温反应釜2进行高温预处理，获得高温预处理产物；
[0073]
步骤b，通过固体残渣分离装置3对高温预处理产物进行分离处理，获得有机酸基des溶液和固体残渣；
[0074]
步骤c，向有机酸基des溶液中加入水，混合均匀后获得有机酸基des悬浊液，通过木质素分离装置21对有机酸基des悬浊液进行分离处理，获得des 水溶液和木质素；
[0075]
步骤d，将一部分des水溶液加水稀释灭菌后获得低有机酸浓度溶液，并通过低有机酸浓度溶液发酵罐24对低有机酸浓度溶液进行发酵处理，获得des发酵培养产物，通过第ⅱ发酵产品分离装置25对des发酵培养产物进行分离，获得第ⅱ发酵产品；
[0076]
其中，所述预处理剂为本发明第一方面所述的生物质预处理剂。
[0077]
根据本发明，在步骤d中，另一部分des水溶液作为高有机酸浓度溶液不经过灭菌直接用于调节低有机酸浓度溶液的ph值。
[0078]
在本发明的一些实施方式中，所述生物质绿色高效精炼方法还包括步骤e，通过酶解罐11对固体残渣进行酶解，并通过酶解液发酵罐13对所获得的酶解液进行糖液发酵处理，然后通过第ⅰ发酵产品分离装置14对糖液发酵产物进行分离处理，获得第ⅰ发酵产品。
[0079]
容易理解，上述工艺是基于本发明第一方面所述的生物质预处理剂(即有机酸基低共熔溶剂)和第二方面所述的生物质绿色高效精炼系统实现的，因此本发明所提供的生物质素绿色高效精炼系统和方法可以理解为基于有机酸基低共熔溶剂的生物质绿色高效精炼系统及方法。
[0080]
从上述可以看出，本发明上述生物质绿色高效精炼系统及方法提供了一种生物质(包括纤维素、半纤维素和木质素)有效分离的手段，实现每个组分的分别利用。尤其是实现不依赖于可同时利用五、六碳糖的基因工程菌的纤维素单独发酵，以普通的商业化酿酒酵母菌剂(如：安琪酵母)等即可实现纤维素乙醇的生产；半纤维素可经其它的微生物转化为高附加值产品，如微生物油脂。
[0081]
进一步地，本发明上述生物质绿色高效精炼系统及方法还提供了一种以有机酸为碳源的高浓度补料发酵制备微生物油脂的生产工艺。基于发酵罐的ph调节系统，以高浓度有机酸为调节ph的溶液，微生物消耗有机酸根后引起ph上升，激发ph调节系统不停的补入高浓度有机酸，从而实现高浓度的有机酸利用。
[0082]
更进一步地，本发明上述生物质绿色高效精炼系统及方法还提供了一种木质纤维素生物炼制过程资源化利用的方案，除了木质纤维素本身以外，生产过程用到的其它溶剂等，均被资源化利用。以木质纤维素类生物质为原料，首先经有机酸基的低共熔溶剂进行高温预处理实现木质素、半纤维素和纤维素的分离，其中木质素作为产品出售或进一步高值化利用、半纤维素和有机酸基的低共熔溶剂一起经粘红酵母发酵制备微生物油脂，纤维素经酶解后利用商业化酿酒酵母菌剂发酵生产乙醇。
[0083]
在本发明的一些具体的实施例中，所述生物质绿色高效精炼方法具体包括如下步骤：
[0084]
(1)原料粉碎及除杂
[0085]
本发明涉及的生产工艺适用于大多数的木质纤维素类的生物质，具体的粉碎及除
杂工艺随原料的不同略有不同，根据原料选用不同的粉碎机以及粉碎过程。原料包括但不限于林木、草类、农作物、工业废弃木质纤维素等。
[0086]
(2)有机酸基低共熔溶剂的制备
[0087]
本发明涉及的有机酸基低共熔溶剂主要包含3类有效组分，包括有机酸(甲酸、乙酸、乳酸，优选为乙酸)、氯化胆碱和路易斯酸(氯化铝、氯化铁、氯化锰等，优选为氯化铁)。3种组分按照一定的比例混合，在90℃下形成均一的透明液体。
[0088]
(3)生物质(木质纤维素)预处理
[0089]
将制备好的原料和步骤(2)中制备的有机酸基低共熔溶剂按照一定的比例混合均匀，然后在反应釜中反应，反应需要高温。反应结束后进行离心或者过滤，实现固液分离。分别得到富含纤维素的固体部分(固体残渣)和溶有木质素的液体部分(有机酸基des溶液)。
[0090]
(4)木质素提取
[0091]
向步骤(3)得到的溶有木质素的液体部分(有机酸基des溶液)加入一定量的水，无需调节ph，静置后形成沉淀，沉淀即为木质素固体，然后通过离心或者过滤的方式获得木质素固体和提取完木质素的溶液(des水溶液)。木质素经干燥后得到木质素产品(木质素)，提取完木质素的溶液(des水溶液)用于后续的微生物发酵。
[0092]
(5)木质素提取液(des水溶液)发酵
[0093]
向步骤(4)得到的提取完木质素后的溶液(des水溶液)稀释后获得的低有机酸浓度溶液中加入微生物生长必须的氮源、无机盐等，配制得到微生物发酵的培养基，并根据不同的微生物需要将ph调至5-7之间。加入粘红酵母(cgmccno.2258)进行发酵。
[0094]
(6)纤维素乙醇发酵
[0095]
对步骤(3)得到的富含纤维素的固体部分(固体残渣)进行酶解或酸解得到酶解液，然后加入商业化的安琪酒精酵母进行发酵，生产乙醇。
[0096]
本发明优选的技术方案中，步骤(2)中用到的有机酸主要包括甲酸、乙酸或乳酸，路易斯酸主要包括氯化铝、氯化铁或氯化锰中的一种或几种。进一步优选的组合方式为乙酸、氯化胆碱和氯化铁。优选的，所述可有机酸基低共熔溶剂组分比例为：乙酸40％-75％，氯化胆碱20％-40％，氯化铁1％-20％。更优选的各组分含量为：乙酸60％-75％，氯化胆碱20-36％，氯化铁4％-16％。更进一步优选的，所述可发酵溶剂体系的组成为含量为：乙酸(60％)：氯化胆碱(36％)：氯化铁(4％)。
[0097]
优选的，步骤(3)反应温度为100℃-300℃，进一步优选的提取温度为 140-160℃。步骤(3)所述高温提取时间为10min-10h，优选的提取时间为 50min-70min。步骤(3)所述液体(预处理剂)和固体(生物质原料)的比例为 1:(4-20)，优选为1:(5-10)，进一步优选为1:5。
[0098]
优选的，步骤(4)中的加水量为有机酸基des溶液的1-5倍，优选为1-3 倍，进一步优选为3倍。
[0099]
步骤(5)所用的微生物必须为至少能够以甲酸、乙酸或者乳酸为碳源的微生物，而且该微生物还能以五碳糖为碳源进行发酵。优选的微生物为产油酵母 rhodotorula glutinis，产物为微生物油脂和胡萝卜素。优选的，为了降低高浓度酸对微生物的抑制和调节ph用碱量大的问题，需要配制两种不同浓度有机酸的溶液，一种为低乙酸浓度溶液，另一种为高乙酸浓度的溶液。其中初始低乙酸浓度溶液的浓度在20g/l以下，而所配制的高有机
酸浓度的溶液作为调节ph用的酸溶液，利用微生物消耗有机酸根后引起ph上升的特点，激发ph调节系统不停的补入高浓度有机酸，实现高浓度的有机酸利用。优选的将得到的提取完木质素后的溶液(des水溶液)稀释至乙酸浓度为10-15g/l，获得低有机酸浓度溶液，然后加入氮源等营养物质得到初始低浓度培养基；而将不稀释的提取完木质素后的溶液直接灭菌得到用于调节ph的高乙酸浓度溶液，其有机酸浓度依据初始des 中乙酸的不同比例，为80-400g/l不等。
[0100]
发明人研究发现，由于每次预处理的结果根据初始的乙酸浓度(高有机酸浓度的溶液中的乙酸浓度)不同会有差异，为了保证发酵之间的稳定，优选将高有机酸浓度溶液的乙酸浓度控制在合适的范围，更有利于发酵。
[0101]
例如，对于粘红酵母发酵，由于每次预处理的结果根据初始的乙酸浓度(高有机酸浓度的溶液中的乙酸浓度)不同会有差异，为了保证发酵之间的稳定，最好是加一部分水来调节高有机酸浓度溶液的乙酸浓度，以将高有机酸浓度的溶液中的乙酸浓度调节至150-180g/l，更利于发酵。
[0102]
具体的工艺流程图见图1，其中，第ⅰ发酵产品包括但不限于油脂，第ⅰ发酵产品包括但不限于丙酮、丁醇、乙醇，第ⅱ发酵产品包括但不限于油脂。
[0103]
上述优选的实施方案为发明人针对生物质全组分绿色高效精炼工艺提出的优化方案，通过模拟实验进行工艺的放大和优化，提出上述优选的工艺条件。工艺方案根据化工安全要求，整个工艺未涉及有毒有害溶剂，过程绿色环保符合相应的法律法规。
[0104]ⅲ.实施例
[0105]
为使本发明更加容易理解，下面将结合附图和实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法获得。
[0106]
本发明实施例中使用的生产微生物油脂的菌株为粘红酵母(cgmccno.2258)，生产乙醇的酵母为酿酒酵母活性干酵母菌剂，购自安琪酵母(安琪酒精专用酵母x1)。
[0107]
油脂初始发酵培养基：提取玩木质素后的乙酸基des加水稀释调整乙酸浓度至15g/l，1g/l尿素，2g/l酵母粉，5g/l磷酸氢二钾。
[0108]
乙酸基des补料培养基(用于调节ph)，加适量的水调整乙酸的浓度为 150g/l-180g/l。
[0109]
以下实施例中主要使用的生物质原料为狼尾草、杨木和玉米秸秆。
[0110]
实施例1：狼尾草、杨木和玉米秸秆主要成分的测定
[0111]
采用两步硫酸法进行各原料的组分测定。首先，分别准确称取0.2g的杨木、玉米秸秆、狼尾草(过40目筛)置于耐压管中，加入3ml预先配置好的72％的浓h2so4溶液并立刻在30℃水浴1h。结束后，将去离子水加入耐压管，使耐硫酸浓度稀释至4％，然后121℃水解1h。结束后冷却1h左右，取上清液过0.22 μl滤膜置于样品瓶中，利用hplc分析。最后，将耐压试管中水解后的体系进行过滤，得到的固体残渣放入烘箱进行烘干，并测定其烘干后质量。
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表1各类生物质原料组分测定
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实施例2：
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以乙酸、氯化胆碱和氯化铁按照乙酸(60％)：氯化胆碱(36％)：氯化铁 (4％)的比例制备预处理溶剂500g，称取杨木100g在140℃下反应3h，抽滤干燥后得到富含纤维素的固体44.9g，液体部分加水定容至1.5l，沉淀处理后得到木质素13.5g。经测定残渣中纤维素含量为83.1％，半纤维素含量为1.8％，木质素含量为4.4％。富含纤维素的固体按照固含量6％的浓度进行酶解，得到葡萄糖浓度为42.4g/l的酶解液。酶解液按葡萄糖浓度的千分之一加入安琪酵母菌剂进行乙醇发酵，最终获得乙醇浓度为20.6g/l。其中提取完木质素后的液体部分经测定，乙酸的浓度为198g/l，氯化胆碱的浓度为114g/l，葡萄糖浓度为4.3g/l，木糖浓度为10.3g/l。分别将该溶液稀释至乙酸浓度为10g/l、15g/l、20g/l、30g/l、 50g/l，然后按照油脂发酵的培养基配方配制培养基，灭菌后进行摇瓶发酵培养，培养温度为30℃。发酵结束后测定菌体量和油脂量。当乙酸的浓度超过20g/l时微生物几乎没有生长，因此进行批次发酵，配制初始的培养基乙酸的浓度应当低于20g/l。具体结果如下：
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表2乙酸为碳源油脂发酵结果
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实施例3：
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以乙酸、氯化胆碱和氯化铁按照乙酸(60％)：氯化胆碱(36％)：氯化铁 (4％)的比例制备预处理溶剂500g，称取狼尾草100g在160℃下反应80min，抽滤干燥后得到富含纤维素的固体38.2g，液体部分加水定容至2l，沉淀处理后得到木质素14.5g。经测定残渣中纤维素含量为87.1％，半纤维素含量为0.8％，木质素含量为3.4％。富含纤维素的固体按照固含量6％的浓度进行酶解，得到葡萄糖浓度为49.4g/l的酶解液。酶解液按葡萄糖浓度的千分之0.5加入安琪酵母菌剂进行乙醇发酵，最终获得乙醇浓度为24.6g/l。其中提取完木质素后的液体部分经测定，乙酸的浓度为146g/l，氯化胆碱的浓度为88.2g/l，葡萄糖浓度为2.3g/l，木糖浓度为9.3g/l。将该溶液稀释至乙酸浓度为15g/l，然后按照油脂发酵的培养基配方配制培养基，作为发酵罐的初始培养基，发酵罐体总体积5l，初始装液培养基为2l,灭菌后进行发酵培养。提取玩木质素后的溶液经灭菌后直接作为调节ph用的溶液，发酵过程控制ph为6.5，最终发酵液体积达到3l时结束发酵。培养温度为30℃。发酵结束后测定菌体量为33.2g/l，油脂量为7.1g/l。
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实施例4：
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以甲酸、氯化胆碱和氯化铁按照甲酸(60％)：氯化胆碱(36％)：氯化铁 (4％)的比例制备预处理溶剂500g，称取秸秆100g在160℃下反应90min，抽滤干燥后得到富含纤维素的固体40.2g，液体部分加水定容至2l，沉淀处理后得到木质素16.5g。经测定残渣中纤维素含量为80.1％，半纤维素含量为1.6％，木质素含量为2.4％。富含纤维素的固体按照固含量6％的浓度进行酶解，得到葡萄糖浓度为45.4g/l的酶解液。酶解液按葡萄糖浓度的千分之一加入安琪酵母菌剂进行乙醇发酵，最终获得乙醇浓度为21.3g/l。其中提取完木质素后的液体部分经测定，甲酸的浓度为144g/l，氯化胆碱的浓度为87.7g/l，葡萄糖浓度为1.1g/l，木糖浓度为8.3g/l。分别将该溶液稀释至甲酸浓度为10g/l、15g/l、20g/l、30g/l、 50g/l，然后按照油脂发酵的培养基配方配制培养基，灭菌后进行摇瓶发酵培养，培养温度为30℃。发酵结束后测定菌体量和油脂量。具体结果如下：
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表3甲酸为碳源油脂发酵结果
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实施例5：
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以乙酸、氯化胆碱和氯化铁按照乙酸(60％)：氯化胆碱(36％)：氯化铁(4％)的比例制备预处理溶剂500g，称秸秆100g在160℃下反应60min，抽滤干燥后得到富含纤维素的固体39.1g，液体部分加水定容至2l，沉淀处理后得到木质素14.1g。经测定残渣中纤维素含量为80.1％，半纤维素含量为2.8％，木质素含量为4.9％。富含纤维素的固体按照固含量6％的浓度进行酶解，得到葡萄糖浓度为45.1g/l的酶解液。酶解液按葡萄糖浓度的千分之一加入安琪酵母菌剂进行乙醇发酵，最终获得乙醇浓度为21.6g/l。其中提取完木质素后的液体部分经测定，乙酸的浓度为144g/l，氯化胆碱的浓度为86.2g/l，葡萄糖浓度为1.3g/l，木糖浓度为8.3g/l。将该溶液稀释至乙酸浓度为15g/l，然后按照油脂发酵的培养基配方配制培养基，作为发酵罐的初始培养基，发酵罐体总体积5l，初始装液培养基为1l,灭菌后进行发酵培养。提取玩木质素后的溶液经灭菌后直接作为调节 ph用的溶液，发酵过程控制ph为6.5，最终发酵液体积达到3l时结束发酵。培养温度为30℃。发酵结束后测定菌体量为41.2g/l，油脂量为10.3g/l。
[0126]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明做出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
技术特征：1.一种生物质预处理剂，其为有机酸基低共熔溶剂，其包括有机酸、氯化胆碱和路易斯酸，其中，有机酸包括甲酸、乙酸和乳酸中的一种或几种，优选为乙酸，路易斯酸包括氯化铝、氯化铁和氯化锰中的一种或几种，优选为氯化铁。2.根据权利要求1所述的生物质预处理剂，其特征在于，以预处理剂总质量计，所述预处理剂的包括：有机酸40％-75％，优选为60％-75％，更优选为60％；氯化胆碱20％-40％，优选的为20-36％，更优选为36％；路易斯酸1％-20％，优选的为4％-16％，更优选为4％。3.一种生物质绿色高效精炼系统，其包括依次相连的物料混合罐、高温反应釜、固体残渣分离装置、有机酸基des溶液储罐、木质素分离装置、des溶液储罐、低有机酸浓度溶液储罐、低有机酸浓度溶液发酵罐、第ⅱ发酵产品分离装置和第ⅱ发酵产品储罐；所述精炼系统还包括与有机酸基des溶液储罐相连的第ⅰ供水管道；所述精炼系统还包括与低有机酸浓度溶液储罐相连的第ⅱ供水管道；所述精炼系统还包括木质素储罐，其进料口与木质素分离装置的木质素出料口相连；所述精炼系统还包括高有机酸浓度溶液管道，其一端与des水溶液储罐出料口相连，另一端与低有机酸浓度溶液发酵罐进料口相连。4.根据权利要求3所述的生物质绿色高效精炼系统，其特征在于，所述系统还包括与固体残渣分离装置的固体残渣出料口相连的酶解罐、酶解液发酵罐、第ⅰ发酵产品分离装置和第ⅰ发酵产品储罐。5.一种利用权利要求3或4所述的生物质绿色高效精炼系统进行生物质绿色高效精炼方法，其包括：步骤a，在物料混合罐中将预处理剂与生物质原料混合后，送入高温反应釜进行高温预处理，获得高温预处理产物；步骤b，通过固体残渣分离装置对高温预处理产物进行分离处理，获得有机酸基des溶液和固体残渣；步骤c，向有机酸基des溶液中加入水，混合均匀后获得有机酸基des悬浊液，通过木质素分离装置对有机酸基des悬浊液进行分离处理，获得des水溶液和木质素；步骤d，将一部分des水溶液稀释灭菌后获得低有机酸浓度溶液，并通过低有机酸浓度溶液发酵罐对低有机酸浓度溶液进行发酵处理，获得des发酵培养产物，通过第ⅱ发酵产品分离装置对des发酵培养产物进行分离，获得第ⅱ发酵产品；其中，所述预处理剂为权利要求1或2所述的生物质预处理剂。6.根据权利要求5所述的生物质绿色高效精炼方法，其特征在于，在步骤d中，将另一部分des水溶液作为高有机酸浓度溶液不经过灭菌直接用于调节低有机酸浓度溶液的ph值；优选地，所述高有机酸浓度中有机酸含量为80-400g/l。7.根据权利要求5或6所述的生物质绿色高效精炼方法，其特征在于，在步骤c中，水的用量与有机酸基des溶液体积的1-5倍，优选为1-3倍，更优选为3倍。8.根据权利要求5-7中任意一项所述的生物质绿色高效精炼方法，其特征在于，在步骤a中，所述反应的温度为100-300℃，优选为140-160℃；和/或，所述反应的温度为10min-10h，优选为50-70min；和/或，预处理剂与生物质原料的质量为1:(4-20)，优选为1:(5-10)，
更优选为1:5。9.根据权利要求5-8中任意一项所述的生物质绿色高效精炼方法，其特征在于，在步骤d中，所述低有机酸浓度溶液中有机酸含量为10-15g/l。10.根据权利要求5-9中任意一项所述的生物质绿色高效精炼方法，其特征在于，所述生物质绿色高效精炼方法包括步骤e，通过酶解罐对固体残渣进行酶解，并通过酶解液发酵罐对所获得还的酶解液进行糖液发酵处理，然后通过第ⅰ发酵产品分离装置对糖液发酵产物进行分离处理，获得第ⅰ发酵产品。
技术总结本发明涉及一种生物质预处理剂，其为有机酸基低共熔溶剂，其包括有机酸、氯化胆碱和路易斯酸。本发明还涉及一种基于有机酸基低共熔溶剂预处理生物质的绿色高效精炼系统及方法。该系统及方法包含了生物质的资源化利用方案，实现了生物质的全组分绿色高效精炼，提出了一种生物质资源化绿色高效利用的新思路。经试验验证，本申请提出的生物质精炼方法，不仅实现了秸秆、能源草、林木等生物质原料的全组分高值化利用，又能克服提取溶剂回收处理困难、成本高的缺陷，因此极具大规模工业化生产及实际应用之价值。应用之价值。应用之价值。
技术研发人员：张栩 张立鹤 陈琳 李晨曦
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/11/1
