CN101613728A - 一种使草浆类纤维高效糖化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使草浆类纤维高效糖化的方法，该方法包括对草浆类纤维进行预处理，然后进行酶解；所述预处理采用将草浆类纤维和浓度为0.1wt％～50wt％的碱溶液混合在一起，在70℃～140℃下处理10～400分钟；所述草浆类纤维和碱溶液的重量比是1∶1～20。本发明使草浆类纤维高效糖化的方法，不产生对酶解和发酵有害物质，能减少生物质中碳水化合物的降解损失，提高原料酶解得率，有效降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及生物化工技术领域，具体涉及一种使草浆类纤维高效糖化的方法。
背景技术
作为世界经济支柱的石油资源预计在数十年左右将会枯竭，因此，石油替代品的开发研究迫在眉睫。目前有很多国家在研究以木质生物资源为原料用生物转化法制备燃料乙醇，以替代或部分替代储量有限的石油。
木质生物资源的主要成分是纤维素、半纤维素和木素。其中，纤维素、半纤维素是可发酵糖的来源，含量占66～75％(纤维质原料的绝干重量)。由己糖通过酿酒酵母发酵生成乙醇是很成熟的工艺，当采用纤维素酶水解木质生物资源制造乙醇时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物上才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。
木素的存在阻碍了纤维素对酶的可及性，且纤维素的结晶结构以及木质生物资源的表面状态、木质生物资源的多组分结构、木素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素致使木质生物资源难以水解。
预处理方法的选择主要从提高效率、降低成本、缩短处理时间和简化工序等方面考虑。理想的预处理应能满足下列要求：产生活性较高的纤维，其中戊糖较少降解；反应产物对发酵无明显抑制作用；分离出的木素纯度较高，可以制备相应的其他化学品，实现生物质的全利用。
目前，木质纤维原料预处理的方法主要有物理法，化学法，物理化学法，生物法等。
剪切和研磨
可有效破坏纤维素与木质素和半纤维素的物理、化学结合，并显著降低纤维素大分子的结晶度，提高比表面积。研磨的方法有球磨、锤磨等，比较有效的是球磨。1946年有人用球磨制得了完全无定形结构的纤维素，但这种结构很不稳定，很快又重新形成晶态结构，这也是机械物理方法常有的弊端。球磨可使纤维素的结构松散和使微纤中和微纤间晶区间存在的氢键断裂。使用三轮球磨处理木质纤维素，对糖化反应极为有效。但存在的问题是，机械处理方法的能耗很高，这无疑增加了生产成本。
微波处理
微波是频率在300MHz到300GHz的电磁波(波长1m～1mm)。微波处理能使纤维素的分子间氢键发生变化，处理后的粉末纤维素类物质没有胀润性，能提高纤维素的可及性和反应活性，可以提高基质浓度，得到较高浓度的糖化液，处理时间短，操作简单，但由于处理费用较高而难以得到工业化应用。
汽爆法
汽爆法是最常见的用于处理纤维素的方法，蒸汽将物料快速加热到预定温度，高压下的水蒸汽通过扩散作用，渗透进入木质纤维细胞壁内，然后冷凝为液态水，因而使细胞壁受到润湿，渗透进入木质纤维素的水蒸汽使部分半纤维素的乙酰基团水解，生成有机酸，如乙酸和糠醛酸。生成的酸作为催化剂又加速了半纤维素的分解，生成木糖和少量的葡萄糖，在极端的情况下，会导致纤维素的无定型区某种程度的水解，并导致糠醛的产生。汽爆过程中加入硫酸和二氧化碳可以有效促进酶水解，减少抑制产物的生成，使半纤维素去除量增多。经这种爆破器爆破的玉米秸秆，纤维素水解转化率可达70％以上。
但汽爆法也有一定的局限性，它破坏了木聚糖的结构，还使木质素-碳水化合物基块不完全分裂，还可能积累对微生物组织生长起抑制作用的物质，而这些微生物是下面的糖化发酵步骤所必须的。在降解产物的过程中可能产生对微生物生长，酶催化水解和发酵起抑制作用的物质，所以要大量的水洗预处理。
酸水解
主要有浓酸水解和稀酸水解两种。稀酸处理的优点在于半纤维素水解得到的糖量大，催化剂成本低，易于中和。但半纤维素水解产物五碳糖易在催化下进一步降解(糠醛)。稀酸水解过程为多相水解反应，硫酸浓度一般0.5～2，温度为180～240℃，时间为几分钟到几小时。第一步，把半纤维素解聚为木糖和其他糖类。第二步，把纤维素解聚为葡萄糖。由于酸的浓度低，可以不必进行酸的回收。但葡萄糖的最大产率仅占纤维素的55，并且有较多的解聚产物会阻止酵母发酵生成乙醇。
浓酸水解过程为单相水解反应，纤维素在浓酸作用下首先溶解，然后在溶液中进行水解反应。浓酸能够迅速溶解纤维素，但并不是发生了水解反应。浓酸处理后成为纤维素糊精，变得易于水解，(纤维素经浓酸溶液生成单糖，由于水分不足，浓酸吸收水分，单糖又生成为多糖，但这时的多糖不同于纤维素，它比纤维素易于水解)但水解在浓酸中进行得很慢，一般是在浓酸处理之后再与酸分离，使用稀酸进行水解。
酸解法已有近一百年的历史，发展至今，仍存在许多问题，如酸回收问题、设备腐蚀、工程造价等。另外，酸水解产生大量的副产物如甲酸、乙酸、糠醛、5-HMF(5-羧甲基糠醛)和苯系化合物，对后续发酵有相当的抑制作用。使得乙醇的产量和产率都不是太理想，因此酸法水解正逐渐被生物法所取代。
碱水解
某些碱可以用来预处理木质纤维原料，处理效果主要取决于原料中的木素含量。碱水解的机理是基于连接木聚糖半纤维素和其他组分内部分子之间(比如木素和其他半纤维素之间)酯键的皂化作用。连接键的脱除增加了木质纤维原料的多孔性。稀NaOH处理引起木质纤维原料润胀，结果导致内部表面积增加，聚合度降低，结晶度下降，木素和碳水化合物之间化学键断裂，木素结构受到破坏，形成碱木素并溶出；碱处理后的物料由于纤维素表面积增大，结晶度降低，木素含量减少，因而纤维素酶解得率高，纤维素得糖率达到85％以上，糖液质量好，不生产对发酵有害的物质。
发明内容
本发明的目的是提供一种使草浆类纤维高效糖化的方法，以解决现有技术存在的上述不足。
本发明提供一种使草浆类纤维高效糖化的方法，包括对草浆类纤维进行预处理，然后进行酶解；所述预处理包括把草浆类纤维和浓度为0.1wt％～50％的碱溶液混合在一起，在70℃～140℃下，优选95℃～115℃，处理10～400分钟，优选30～120分钟；所述草浆类纤维和碱溶液的重量比是1∶1～20。
优选地，所述草浆类纤维和碱溶液的重量比是1∶4～8；所述碱溶液浓度为1wt％～3wt％；所述碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾。
所述草浆类纤维包括玉米秸秆、油菜秸秆、高梁秸秆、小麦秸秆和稻草秸秆。
所述草浆类纤维一般选用切好的干燥的纤维。切碎粒度为0.01～50mm，优选切碎粒度为1～20mm。
其中，预处理过程采用过热蒸汽或饱和蒸汽控温。
预处理分离得到固体和液体两种产物后，用水洗涤固体产物，再用酶催化水解固体产物生成主要由葡萄糖及木糖构成的混合糖，然后由混合糖发酵生成酒精、丁二酸等发酵产品；分离后的液体，经膜分离后以回收其中的碱液；经膜浓缩分离后的黑液，加入相应量的甲醛及亚硫酸钠，在一定的温度下与木质素反应生成磺化木素成品。
预处理后固体进行酶解；酶解时所用的酶为纤维素酶，其加入量为10～30FPIU/克底物，pH在4.5～5.2，温度在46～50℃，酶解时间在48～72小时。
本发明使草浆类纤维高效糖化的方法具有以下有益效果：
1)用碱量低，现有的碱处理技术用碱量大，碱用量占所处理物料干物重量的16～20％，本发明用碱量只占所处理干物重量的10％；
2)温度低，干物收率高，现有碱处理技术处理温度在170℃，需压力容器，设备投资大，且处理后的物料干物收率低，仅在45％，而本发明碱处理温度低于100℃，不需要压力容器，设备投资小，且处理后的物料干物收率高，达到60％以上；
3)在物料总量不变的情况下，现有碱处理技术后的绝干物料吨产糖仅能达到400公斤，而本发明碱处理技术后的绝干物料吨产糖仅能达到500公斤以上；
4)在常压下对物质进行预处理，不产生对酶解和发酵有害物质，能减少物质中碳水化合物的降解损失，提高原料得率，综纤维素得率在60％以上，同时综纤维素酶解得率高，总纤维素酶解得糖率达到85％以上，糖液质量好，不生产对发酵有害的物质，有效降低生产成本。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下述实施例中所用的纤维素酶均为无锡杰能科生物工程有限公司生产的商品纤维素酶。
实施例1
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶7(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在85℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为59.4％，酶解总还原糖得率72.5％。
实施例2
在一个适当的反应釜内，加入400克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶7(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在90℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为57.4％，酶解总还原糖得率88％。
实施例3
在一个适当的反应釜内，加入1200克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶7(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在95℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为66.5％，酶解总还原糖得率90％。
实施例4
在一个适当的反应釜，加入1500克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶4(重量比)的比例加入热的氢氧化钾溶液，碱液浓度5.0％，封好口后，在170℃条件下加热60分钟进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到46℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为20FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为45.5％，酶解总还原糖得率91.5％。
实施例5
在一个适当的反应釜，加入1500克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶4(重量比)的比例加入热的氢氧化钾溶液，碱液浓度4.5％，封好口后，在170℃条件下加热60分钟进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到46℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为20FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为46.2％，酶解总还原糖得率91.5％。
实施例6预处理固液比对秸秆预处理效果的影响
在一个适当的反应釜内，加入1600克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶4(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在95℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为66.01％，酶解总还原糖得率81.6％。
实施例7预处理固液比对秸秆预处理效果的影响
在一个适当的反应釜内，加入1600克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶5(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在95℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为64.97％，酶解总还原糖得率84.6％。
实施例8预处理固液比对秸秆预处理效果的影响
在一个适当的反应釜内，加入2800克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶5(重量比)(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液(氢氧化钾溶液)浓度2％，封好口后，在95℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为60.76％，酶解总还原糖得率85.5％。
实施例9酶解底物浓度对秸秆预处理效果的影响
在一个适当的反应釜内，加入1400克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶5(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在95℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到10％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为62.3％，酶解总还原糖得率76.5％。
实施例10酶解底物浓度对秸秆预处理效果的影响
在一个适当的反应釜内，加入3200克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶5(重量比)的比例加入热的氢氧化钠溶液，碱液浓度2％，封好口后，在95℃条件下加热1.5小时进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到11％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为25FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为61.26％，酶解总还原糖得率78.0％。
实施例11
在一个适当的反应釜内，加入1200克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶20(重量比)的比例加入热的氢氧化钾溶液，碱液浓度1.0％，封好口后，在85℃条件下加热60分钟进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到8％，用酸调节pH到4.8，调节温度到50℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为15FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在48小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为62.5％，酶解总还原糖得率80.6％。
实施例12
在一个适当的反应釜，加入1500克切碎后的风干玉米秸秆，然后按固液比1∶4(重量比)的比例加入热的氢氧化钾溶液，碱液浓度2.5％，封好口后，在140℃条件下加热30分钟进行预处理，得到的浆液在2000rpm离心机内离心，离心后的黑液经膜处理以回收其中的碱；所得固相加入容器中，加水调节浓度到9％，用酸调节pH到4.8，调节温度到46℃，向料液中加入纤维素酶，用酶量为30FPIU/克底物(以干基计)，搅拌转速100rpm/min，酶解时间控制在72小时，每24小时取样一次，利用DNS法测酶解液在的总糖浓度，利用高效液相色谱法测酶解液中的葡萄糖及木糖浓度；得到预处理后固体收率为56.5％，酶解总还原糖得率87.5％。
与现有技术相比，本发明的使草浆类纤维高效糖化的方法(实施例1-12)具有以下有益效果：
1)用碱量低，现有的碱处理技术用碱量大，碱用量占所处理物料干物重量的16～20％，本发明用碱量只占所处理干物重量的10％；
2)温度低，干物收率高，现有碱处理技术处理温度在170℃，需压力容器，设备投资大，且处理后的物料干物收率低，仅在45％，而本发明碱处理温度低于100℃，不需要压力容器，设备投资小，且处理后的物料干物收率高，达到60％以上；
3)在物料总量不变的情况下，现有碱处理技术后的绝干物料吨产糖仅能达到400公斤，而本发明碱处理技术后的绝干物料吨产糖仅能达到500公斤以上；
4)在常压下对物质进行预处理，不产生对酶解和发酵有害物质，能减少物质中碳水化合物的降解损失，提高原料得率，综纤维素得率在60％以上，同时综纤维素酶解得率高，总纤维素酶解得糖率达到85％以上，糖液质量好，不生产对发酵有害的物质，有效降低生产成本。
Claims (8)
1、一种使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，该方法包括对草浆类纤维进行预处理，然后进行酶解；所述预处理采用将草浆类纤维和浓度为0.1wt％～50wt％的碱溶液混合在一起，在70℃～140℃下处理10～400分钟；所述草浆类纤维和碱溶液的重量比是1∶1～20。
2、如权利要求1所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，所述草浆类纤维和碱溶液的重量比是1∶4～8；所述碱溶液浓度为1wt％～3wt％；所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
3、如权利要求1所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，所述草浆类纤维包括玉米秸秆、油菜秸秆、高梁秸秆、小麦秸秆和稻草秸秆，切碎粒度为0.01～50mm。
4、如权利要求3所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，所述的切碎粒度为1～20mm。
5、如权利要求1所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，预处理温度为95℃～115℃。
6、如权利要求5所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，预处理时间为30～120分钟。
7、如权利要求1所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，预处理采用过热蒸汽或饱和蒸汽控温。
8、如权利要求1所述的使草浆类纤维高效糖化的方法，其特征在于，使用纤维素酶进行酶解，其加入量为10～30FPIU/克底物，pH在4.5～5.2，温度在46～50℃，酶解时间在48～72小时。
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