CN102174751A

CN102174751A - 一种促进秸秆木质纤维素分解的方法

Info

Publication number: CN102174751A
Application number: CN 201110051106
Authority: CN
Inventors: 张全国; 杨群发; 胡建军; 周雪花; 冯宜鹏
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明涉及一种促进秸秆木质纤维素分解的方法，其包括以下步骤：将秸秆切碎后在烘箱中于55～65℃放置5～7h，先用粉碎机粉碎至160～200目，再用纳米球磨机粉碎2～8h即可。本发明方法能够较彻底的打破秸秆木质纤维素结构，使秸秆的粒度在纳米级以上，从而利于之后进行的酶解反应，使酶解反应中的还原糖浓度显著提高，高达16mg·ml^-1。

Description

一种促进秸秆木质纤维素分解的方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种能够促进秸秆木质纤维素分解的方法。

背景技术

天然纤维素原料的结晶性和木质化两大特征使木质纤维素转化为高品位能源（例如乙醇和氢气）受到阻碍，所以纤维素水解之前必须进行预处理。常用的预处理方式有酸碱预处理、机械预处理和生物预处理。酸碱预处理的效果较好，但是处理之后酸碱的分离比较困难，而且成本也太高，不利于大批量应用。传统的机械预处理仅仅是颗粒上的变化，不能打破秸秆木质纤维素结构，一般的粉碎上限是300目，对于木质纤维素的打破效果并不大，因而不能更好的促进木质纤维素进一步的分解，不能充分的利用秸秆资源。而直接进行生物预处理的效果并不好，需要消耗大量纤维素酶，成本很高。本发明方法能够完全打破木质纤维素的结构组成，使其晶体结构发生变化，进而促进下一步木质纤维素的分解。

发明内容

根据上述情况，本发明目的在于提供一种能够促进秸秆木质纤维素分解的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种促进秸秆木质纤维素分解的方法，其包括以下步骤：将秸秆切碎烘干后，先粗粉碎至160～200目，再用纳米球磨机超微粉碎2～8h即可。烘干的目的主要是用于除去秸秆中的水分。

进一步的，上述促进秸秆木质纤维素分解的方法可以为：将秸秆切碎后在烘箱中于55～65℃放置5～7h，然后再粉碎。

纳米球磨机粉碎可以选用垂吊式纳米球磨机，粉碎时间5～6h。

所述秸秆可以为高粱秸秆或玉米秸秆，本发明以高粱秸秆为例，进行试验。本发明中粉碎机由天津泰斯特仪器有限公司生产，型号FY130 ；垂吊式纳米球磨机由秦皇岛太极纳米有限公司生产，型号 MY-SQ-B。

传统的机械方法不能打破秸秆木质纤维素结构，因而不能更好的促进木质纤维素进一步的分解，不能充分的利用秸秆资源。本方法能够完全打破木质纤维素的结构组成，使其晶体结构发生变化，进而促进下一步木质纤维素的分解。本发明方法所利用的原理是：从宏观角度上看，固体物料的粉碎似乎仅仅是颗粒上的变化，但从微观角度上看，是机械能转化为过剩自由能和弹性应力，弹性应力发生迟豫，引起晶格畸变、晶格缺陷、无定形化、表面自由能增大、生成自由基等机械力化学效应，所以当粒度粒径变化到某一范围时，必将伴随有从量变到质变的过程，尤其在超微粉碎阶段表现的更为突出。使用本发明方法在对秸秆进行机械粉碎到纳米级别后，秸秆的晶体结构发生变化（粉碎后秸秆的SEM图见图1），这样就打破了秸秆木质纤维素的结构，更有利于之后进行的酶解反应。

和现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明方法采用先粗粉碎再进行超微粉碎，能够较彻底的打破秸秆木质纤维素结构，使秸秆的粒度在纳米级以上（见图1至4，由图1至4可以看出对秸秆进行不同程度粉碎时纤维素晶体的变化，当粉碎达到纳米级时秸秆木质纤维素的结构已经被完全打破），从而利于之后进行的酶解反应，使酶解反应中的还原糖浓度显著提高（见图5），高达16mg·ml^-1。

附图说明

图1是被粉碎为粒径范围在300－450μm的高粱秸秆颗粒的SEM图；

图2是被粉碎为粒径范围在125－150μm的高粱秸秆颗粒的SEM图；

图3是被粉碎为粒径范围在97－105μm的高粱秸秆颗粒的SEM图；

图4是被粉碎为粒径范围在330－420 nm的高粱秸秆颗粒的SEM图；

图5是不同粒径范围的高粱秸秆颗粒在酶解反应中生成的还原糖浓度。

具体实施方式

以下以高粱秸秆为例，对本发明方法进行详细说明，但本发明方法的保护范围不限于此。

实施例1

一种促进秸秆木质纤维素分解的方法：将高粱秸秆切碎后在烘箱中于55℃放置7h，先用粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司生产，型号FY130 ）粗粉碎至160目，再用垂吊式纳米球磨机（秦皇岛太极纳米有限公司生产，型号 MY-SQ-B）超微粉碎4h即可，所得秸秆粒径范围在330~420nm。

实施例2

一种促进秸秆木质纤维素分解的方法：将秸秆切碎后在烘箱中于62℃放置5h，先用粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司生产，型号FY130 ）粗粉碎至200目，再用垂吊式纳米球磨机（秦皇岛太极纳米有限公司生产，型号 MY-SQ-B）进行超微粉碎6h即可，所得秸秆粒径范围在330~420nm。

上述实施例所得的高粱秸秆粒径范围均达到纳米级(330~420nm)，用其进行酶解反应时，所生成的还原糖浓度详见图5。酶解反应条件：按照每100mL、p H 4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液加入120mg纤维素酶(Trichoderma viride,酶活为3×10⁴U·g^-1,由郑州博兴生物科技有限公司提供）的比例配置酶液，然后在每220mL酶液中加入2g实施例2粉碎所得高粱秸秆颗粒，在50℃温度条件下振荡反应，振荡速度150rpm，用3-5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量。同时，对其它粒径范围的高粱秸秆颗粒也进行了酶解试验，结果见图5。

本文的酶对秸秆分解的作用程度分析主要通过酶水解后反应物中的还原糖浓度来间接反映。由图5可以看出，在开始酶解的24h内，各不同粒径范围的高粱秸秆酶解糖化得到的还原糖浓度差别不大，但是当反应进行到72h后，还原糖浓度随着秸秆粉碎度的增大而明显递增（即粒径范围越小，还原糖浓度越高）。此外，除了粒径范围330~420nm的高粱秸秆在反应180h还原糖浓度依然有较大提高外，其他三种粒度秸秆还原糖浓度增幅均有所减小。分析认为由于纤维素酶是具有纤维素降解能力酶的总称，它们是通过协同作用分解纤维素，主要是和纤维素类底物的酶解作用点结合发生反应，随着粉碎程度的增大，纤维素的结晶度降低，导致更多的非晶区可以和酶发生反应，同时超细粉碎使部分木质素的包围被打破，包埋的酶作用部位裸露出来，使纤维素水解酶的作用点大大增加，从而增大了酶水解反应，得到高的还原糖浓度。反应72h后粒径范围在300~450μm 、125~150μm和97~105μm秸秆的酶作用部位已经大多被利用，所以速度减缓。根据Fengel理论，当粉碎至330~420nm，导致更多的木质素包裹被打开，更多的原微细纤维和聚糖直接与酶接触，从而使酶水解反应加剧，生成更多的还原糖。

Claims

1.一种促进秸秆木质纤维素分解的方法，其特征在于，包括以下步骤：将秸秆切碎烘干后，粉碎至160～200目，再用纳米球磨机粉碎2～8h即可。

2.如权利要求1所述促进秸秆木质纤维素分解的方法，其特征在于，将秸秆切碎后先在烘箱中于55～65℃放置5～7h，然后粉碎。

3.如权利要求1或2所述促进秸秆木质纤维素分解的方法，其特征在于，纳米球磨机粉碎选用垂吊式纳米球磨机，粉碎时间5～6h。

4.如权利要求3所述促进秸秆木质纤维素分解的方法，其特征在于，所述秸秆为高粱秸秆或玉米秸秆。