CN102115994B - 一种木质纤维素原料的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种木质纤维素原料的处理方法，包括粉碎、高度分散和高压破碎及酶解步骤。经本发明所述方法处理的木质纤维素原料分散至粒径为10-40μm，在混合酶的作用下进行有效的酶解，水解率达95％-98％。利用本发明所述方法处理木质纤维素原料，得到的可发酵糖浓度达到148-155g/L。本发明所述方法酶用量低、糖化率高，且无需额外添加任何化学试剂，成本低，可满足生物化工产品的生产需求，具有工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及生物加工领域，具体涉及一种木质纤维素原料的处理方法。
背景技术
随着石油资源的日益减少，粮食的日益紧张，以及对乙醇、丁醇等为主的液体燃料和其他生物质化工产品如乳酸、丁二酸等的巨大需求，促使以木质纤维素为原料生产可发酵的糖，然后生物转化为生物化工产品的研究与开发成为中国、美国等世界耗能大国的科学界和产业界的热点。
我国是一个农业大国，每年形成的农业废弃物约有7亿t，其中麦草秸秆1.1亿t，稻草秸秆1.8亿t，棉秸1300万t，大豆秸秆1500万t，其中麦草秸秆产量约占秸秆总量的约18％。除少数秸秆被作为牲畜饲料、农家肥和农村燃料外，大多数秸秆被堆放或直接焚烧，不仅造成生物质资源的巨大浪费，也带来严重的环境污染问题。利用这些农村秸秆发展纤维素乙醇和生物化工产品，足以解决我国面临的能源危机，同时可以为生物化工发展提供原料。
但纤维素用酶法进行糖化处理前，由于木质纤维素的特殊结构，需要特殊预处理，将结晶纤维素结构变得疏松，处理方法主要有酸法、碱法、蒸汽爆破法、湿氧化法、有机溶剂法等。
如中国专利CN101348804(北京林业大学)公开了一种低强度蒸汽爆破灌木茎秆分离主要成份的方法。该方法需要蒸汽爆破装置及蒸汽发生器，操作安全要求高。CN1443141(里索国家实验室)报道了温法氧化或蒸汽爆破，存在和专利CN101348804相同的问题，需要爆破专用装置。
中国专利CN101343648(上海交通大学)报道了一种利用纳米粉碎机，可以将秸秆粉碎到10-20μm，提高水解效率，可以替代化学试剂法处理，但纳米尺度的粉碎机在粉碎过程中需要消耗大量的能量，而且干磨容易导致电机温度升高，中间冷却时间长，生产效率低。
CN101285106(南京工业大学)报道利用磷酸水解，然后利用有机溶剂萃取木质素的方法，但酸法水解后还需要中和、过滤等处理过程。
CN101255479(南京工业大学)报道一种将木质素高效糖化的处理方法，采用粗粉碎、碱液湿磨、碱回收和酶解步骤，其处理过程中添加了碱液，并需要利用电渗析方法回收碱液，电耗成本相对较高。
CN101235606(中国石油化工股份有限公司)报道利用循环反应器酸水解木质纤维素的方法，和CN101148458(中国科学院研究生院)报道的利用酸法水解木质纤维素的方法，都需要特殊的预处理设备。
因此，目前急需寻找一种廉价、无环境污染，不需要高温条件的，也无需酸、碱的生产能力大的处理方法。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术副产物复杂、设备要求高、处理温度高的不足，提供一种木质纤维素原料的处理方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种木质纤维素原料的处理方法，包括如下步骤：
步骤(1)：将木质纤维素原料粉碎后过筛，取粒径为0.08mm-0.1mm的颗粒备用；
步骤(2)：将步骤(1)所得颗粒和水混合，经胶体磨分散形成颗粒粒径为40-80μm的悬浮液；
步骤(3)：将步骤(2)所得悬浮液经高压均质至颗粒粒径为10-40μm；
步骤(4)：将步骤(3)所得悬浮液用醋酸钠及醋酸缓冲溶液缓冲，添加纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，酶解36-72小时。
本发明所述方法将木质纤维素原料进行粗粉碎，然后利用胶体磨对粉碎物料进行混合，最后在均质作用下使植物细胞壁在高压下破碎，释放出纤维素，减小纤维素的结晶度，以利于进行酶解，提高纤维素的糖化率。
所述均质是将预混物料在高压下以低流速进入阀区，当物料进入可控制的阀座与阀杆之间的微小缝隙时，流速突然增加，其值可达300米/秒，与此同时，相应的产生巨大的压降，在极短的时间及很小的空间内形成强烈的空穴效应和涡流作用，并与均质环产生高速撞击，对物料颗粒产生强大的剪切和破碎作用。通过上述作用，使原先较粗大的悬浮液加工呈超微细的，均匀的稳定的液—固相分散物。
所述木质纤维素原料包括秸秆类、草类、木材类、玉米芯、水果渣、甘蔗渣。
步骤(2)中优选所述颗粒和水质量比在1∶1-5，分散时间1-2小时，温度为70-90℃。
步骤(3)所述高压优选均质的压力在50-100大气压，处理时间1-2小时，温度为60-85℃。
步骤(4)所述纤维素酶的添加量优选为每克木质纤维素原料10-60个国际单位。
步骤(4)所述β-葡萄糖苷酶的添加量优选为每克木质纤维素原料40-100个国际单位。
步骤(4)所述木聚糖酶的添加量优选为每克木质纤维素原料60-120个国际单位。
步骤(4)所述醋酸钠及醋酸缓冲溶液pH值优选为4.8-5.8。
步骤(4)所述酶解温度优选为40-55℃，转速优选为80-160rpm。
本发明将玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣、水果渣、木屑等农业、工业及生活废弃的生物质资源用叶片式粉碎机粉碎成不同粒度范围的颗粒，将80μm-100μm的部分样品加入一定比例的水，用胶体磨分散，细度控制在40-80μm，粉碎后进入均制机，直接将细胞壁破碎，释放木质素和半纤维素，露出包裹在里面的纤维素晶体颗粒，粒度控制在10-40μm，有利于纤维素酶的直接水解，然后加入醋酸钠-醋酸缓冲溶液样品，pH值控制在4.8-5.5，再加混合纤维素酶和木聚糖酶，进行酶解。
在具体实施方式中样品的粉碎用粉碎机将木质纤维素类样品粉碎成不同粒度范围的颗粒，粉碎后用目筛筛出需要的不同尺寸范围的样品，得到已过目0.08mm-0.1mm目筛80-100μm的部分样品。
在具体实施方式中样品的高度分散是将样品和水按照一定比例混合，输送到分体式胶体磨中，通过剪切、研磨、高频震动获得破碎后的样品，除料粒径在40-80μm。
按照本发明所述方法，木质纤维素原料分散至粒径为10-40μm后，在混合酶的作用下进行有效的酶解，酶解液中可发酵糖浓度可达到148-155g/L，水解率达到95％-98％。
本发明所述方法克服了现有技术的处理方法副产物复杂，设备要求高，温度高，成本大的缺陷，既可减少成本又可避免使用化学试剂或高温环境，避免对环境产生污染或产生副产物，是一种无污染而且高效的处理方法，为燃料乙醇和生物化工产品的商业化生产提供了一种切实可行的途径。
附图说明：
图1为秸秆原料预处理前的电镜扫描图；
图2为秸秆原料经过胶体磨和均质机分散后的电镜扫描图；
图3为不同方法处理后秸秆的糖化曲线。
具体实施方式：
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
具体实施方式对本发明技术方案的实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
在具体实施方式中样品的粉碎用粉碎机将木质纤维素类样品粉碎成不同粒度范围的颗粒，粉碎后用目筛筛出需要的不同尺寸范围的样品，得到已过目0.08mm-0.1mm目筛80-100μm的部分样品。产量每小时两吨，设备功率为15kw。
在具体实施方式中样品的高度分散是将样品和水按照一定比例混合，泵输送到JM系列分体式胶体磨中，通过剪切、研磨、高频震动获得破碎后的样品，除料粒径在40-80μm。要求最大进料颗粒尺寸小于500微米，最高进料温度小于90℃，产量：1吨/小时，设备功率为5.5kw。
高压破碎：将经过胶体磨粉碎后的浆体用泵输送到高压均质机。均质是在均质阀内进行的，未经均质的预混物料，通过往复泵的增加，以高压和低流速进入阀区，当物料进入可控制的阀座与阀杆之间的微小缝隙时，流速突然增加，其值可达300米/秒，与此同时，相应的要产生巨大的压降，在极短的时间及很小的空间内形成强烈的空穴效应和涡流作用，并与均质环产生高速撞击。对物料颗粒产生强大的剪切和破碎作用。通过上述作用，使原先较粗大的悬浮液加工呈超微细的，均匀的稳定的液-固相分散物。除料粒径达到10-40μm，利于酶的糖化过程。最大压力为100大气压，处理量为120L/小时，设备功率为3.0kw。
实施例1：本发明所述方法预处理木质纤维素原料
本实施例使用的木质纤维素原料是从湖北宜昌周边地区采购的玉米秸秆、麦秆、木屑、苹果渣等。将木质纤维素原料晾干震动除泥。
1、粗粉碎
将秸秆分别用粉碎机粉碎，过1mm、0.5mm、0.1mm、0.08mm筛子，收集100-80μm上颗粒物。
2、快速分散
将其中粒径范围为80-100μm的秸秆颗粒加入1∶1的水，搅匀后用泵打入胶体磨，分散时间1小时，处理温度控制在70℃，得到分散均匀的粒度在40-80μm的悬浮液。
3、高压均质
将分散均匀的粒度在40-80μm的悬浮液，利用泵输送到高压均质机中，均质压力在50大气压，处理时间2小时，温度在60℃，实现了秸秆细胞壁的高压破碎。得到分散粒度在10-40μm的悬浮液。待降温至50℃左右，即可加入相应的混合酶，进入酶解阶段。
4、酶解
将分散均匀的粒度在10-40μm的悬浮液，利用泵输送到酶解反应釜中，酶解温度为40℃，转速为80rpm。添加纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，纤维素酶和和β-葡萄糖苷酶，纤维素酶的添加量为每克木质纤维素原料10个国际单位，β-葡萄糖苷酶的添加量为每克木质纤维素原料40个国际单位，木聚糖酶的添加量为每克木质纤维素原料60个国际单位。酶解36小时，用高效液相蒸发光散射法S法测定酶解液中糖的含量，每升酶解液中含150克的可发酵糖，得到纤维素水解率为95％。其计算依据为：
纤维素水解率＝酶解后所得葡萄糖的质量/(木质纤维素原料含有的纤维素质量×1.1)×100％
实施例2：本发明所述方法预处理木质纤维素原料
1、粗粉碎
将苹果渣分别用粉碎机粉碎，过1mm、0.5mm、0.1mm、0.08mm筛子，收集100-80μm上颗粒物。
2、快速分散
将其中粒径范围为80-100μm的秸秆颗粒加入1∶5的水，搅匀后用泵打入胶体磨，分散时间2小时，处理温度控制在90℃，得到分散均匀的粒度在40-80μm的悬浮液。
3、高压均质
将分散均匀的粒度在40-80μm的悬浮液，利用泵输送到高压均质机中，均质压力在100大气压，处理时间1小时，温度在85℃，实现了秸秆细胞壁的高压破碎。得到分散粒度在10-40μm的悬浮液。待降温后，即可加入相应的混合酶，进入酶解阶段。取悬浮液中的颗粒电镜观察，见图2；与图1的秸秆原料预处理前的扫描电镜图形成对比，可看出本发明所述方法处理后秸秆空隙率增加，纤维素结构变得疏松，这种结构改变有利于提高糖化率。
4、酶解
将分散均匀的粒度在10-40μm的悬浮液，利用泵输送到酶解反应釜中，酶解温度为55℃，转速为160rpm。添加纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，纤维素酶和和β-葡萄糖苷酶，纤维素酶的添加量为每克木质纤维素原料60个国际单位，β-葡萄糖苷酶的添加量为每克木质纤维素原料100个国际单位，木聚糖酶的添加量为每克木质纤维素原料120个国际单位，酶解72小时，用高效液相蒸发光散射法S法测定酶解液中糖的含量，每升酶解液中含160克的可发酵糖，得到纤维素水解率为98％。其计算依据为：
纤维素水解率＝酶解后所得葡萄糖的质量/(木质纤维素原料含有的纤维素质量×1.1)×100％
实施例3：本发明所述方法预处理木质纤维素原料与其他方法的比较
方法1：酸法处理
将体积分数为4％的稀硫酸，木质纤维素原料和水的比例为1∶3投入反应釜中，在140-160℃下处理10-30min。然后抽滤，调整pH值为中性，即得到酸法处理的木质纤维素。室温晾干后，采用酶解方法水解。用高效液相蒸发光散射法S法测定酶解液中糖的含量。
方法2：碱法处理
将体积分数为1.0％的氢氧化钠，以木质纤维素原料和水的比例为1∶3比投入反应釜中，在70-90℃下处理2.5h后抽滤。滤液调整pH值为中性。得到碱法处理的木质纤维素。室温晾干后，酶解方法水解。用高效液相蒸发光散射法S法测定酶解液中糖的含量。
方法3：蒸汽爆破法处理
将木质纤维素原料和水按重量比1∶1投入爆破釜中，通入蒸汽，升压至0.8MP097382a-1.8MP097382a，反应8-15min。控制气动阀瞬间泄压，在压差作用下，使原料通过旋风分离进入接收容器中。原料冷却，得到滤渣。室温晾干后，采用实例5的酶解方法水解。用高效液相蒸发光散射法S法测定酶解液中糖的含量。
将实施例1和实施例2处理的秸秆按要求进行糖化，与酸法、碱法、蒸汽爆破法处理后的秸秆糖化效果进行比较，结果见图3。结果显示，本发明所述方法处理后的糖化效果优于其他四种处理方法的糖化效果，糖浓度可以达到150g/L左右。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种木质纤维素原料的处理方法，包括如下步骤：
步骤1：将木质纤维素原料粉碎后过筛，取粒径为0.08mm-0.1mm的颗粒备用；
步骤2：将步骤1所得颗粒和水混合，经胶体磨分散形成颗粒粒径为40-80μm的悬浮液；
步骤3：将步骤2所得悬浮液经高压均质至颗粒粒径为10-40μm；
步骤4：将步骤3所得悬浮液用醋酸钠及醋酸缓冲溶液缓冲，添加纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，酶解36-72小时。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述木质纤维素原料包括秸秆类、草类、木材类、玉米芯、水果渣、甘蔗渣。
3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤2中所述颗粒和水的质量比在1：1-5，分散时间1-2小时，温度为70-90℃。
4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤3所述高压均质的压力在50-100大气压，处理时间1-2小时，温度为60-85℃。
5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤4所述纤维素酶的添加量为每克木质纤维素原料10-60个国际单位。
6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤4所述β-葡萄糖苷酶的添加量为每克木质纤维素原料40-100个国际单位。
7.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤4所述木聚糖酶的添加量为每克木质纤维素原料60-120个国际单位。
8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤4所述醋酸钠及醋酸缓冲溶液pH值为4.8-5.8。
9.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于：步骤4所述酶解温度为40-55℃，转速为80-160rpm。
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