CN102399843A

CN102399843A - 一种生物质酶解糖化预处理方法

Info

Publication number: CN102399843A
Application number: CN2011103705138A
Authority: CN
Inventors: 武书彬; 尉慰奇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2012-04-04

Abstract

本发明涉及一种生物质酶解糖化预处理方法。是将风干后的木质纤维生物质原料与弱碱性溶液混合进行预浸渍，再进行蒸煮，蒸煮温度为160~190℃，保温时间为120~240min，升温时间为30~60min；然后将蒸煮后浆液进行两段磨浆，一段磨盘间隙为0.3~0.4mm，二段磨盘间隙为0.1~0.15mm；最后再向磨后浆料中加入纤维素酶进行酶解，得到酶解糖化液。本发明采用热化学与机械相结合的预处理方对生物质原料进行预处理，然后再酶解糖化，通过对酶解液成分分析发现酶解液中不但糖得率高，并且不会产生糠醛、乙酸等后续发酵抑制剂。

Description

一种生物质酶解糖化预处理方法

技术领域

本发明涉及生物质预处理，具体涉及一种生物质酶解糖化预处理方法。

背景技术

木质生物质资源是植物通过光合作用生成的有机资源，主要由纤维素、半纤维素和木质素3种高分子物质构成，如树木、农作物秸秆等，是世界上最丰富的碳水化合物资源。随着地球上不可再生资源的日益枯竭，利用生物技术将木质生物质进行生物转化具有重大意义。利用酶水解可以将其中的纤维素和半纤维素转化为单糖、低聚糖、有机酸等高附加值产品，提高利用率，这是目前生物质科学领域的研究热点。但由于天然纤维的表面对生物酶具有阻抗作用，致使直接酶处理效率低下，要实现高的酶解效率，则必须进行一定的预处理，以增加其表面与酶的结合。目前常见的预处理方法主要有以下几种：碱性亚硫酸盐预处理、热水预提取、蒸汽爆破预处理、稀酸预处理、氨水及有机溶剂预处理等。其中，碱性亚硫酸盐预处理与其它的预处理相比具有以下优点：（1）相对于酸性预处理对设备的腐蚀较少，并且在预处理过程中不会产生糠醛等发酵抑制剂；（2）碱性亚硫酸盐预处理过程中木质素的部分磺化可增强其与亲水性纤维素酶的结合，从而有利于提高后续纤维素酶的酶解效率。

发明内容

本发明针对天然木质纤维原料直接酶解糖化效率低下的现状，提供一种生物质酶解糖化预处理方法，先将木质纤维生物质在弱碱性溶液中浸渍后进行蒸煮预处理，然后再磨浆，磨后浆料再酶解。该方法可有效提高木质纤维原料的酶解糖化效果。

本发明目的通过如下技术方案实现：

（1）预浸渍工艺：将木质纤维生物质风干后，在室温条件下与浸渍液弱碱性溶液混合，进行预浸渍处理；

（2）蒸煮工艺：预浸渍结束后，将浸渍后的木质纤维生物质与浸渍液进行蒸煮预处理；蒸煮温度为160~190℃，保温时间为120~240min，升温时间为30~60min；

（3）磨浆工艺：将蒸煮后浆液进行两段磨浆，磨后浆料经水洗涤后，冷藏备用；一段磨盘间隙为0.3~0.4mm，二段磨盘间隙为0.1~0.15mm；

（4）酶解工艺：将磨后浆料进行纤维酶解，得到酶解糖化液；纤维素酶相对于磨后浆料绝干质量的用量为15~20FPU/g，酶解液固比为15:1~20:1ml/g，即1g绝干浆料酶解时需要大约15~20ml的液相，这里的液相既包括酶解时加入的液体酶，又包括后来加入的水和pH调节剂。

作为优选的，步骤（1）所述弱碱性溶液为NaOH和Na₂SO₃的混合溶液，其中NaOH和Na₂SO₃的用量分别为木质纤维生物质绝干质量的1~3%、8~12%。

进一步的，所述弱碱性溶液与木质纤维生物质的液固比为3:1~5:1ml/g，预浸渍时间为8~12h。

步骤（3）所述分段磨浆采用两段盘磨，一段磨盘间隙0.3~0.4mm，二段盘磨间隙0.1~0.15mm。

步骤（4）所述酶解工艺具体条件如下：酶解温度45~50℃，酶解时间48~60h，酶解液初始pH4.5~5.0。

所述木质纤维生物质为针叶木、阔叶木、草类原料等，比如桉木或蔗渣。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）、经本发明预处理后再进行酶解糖化，酶解液中不但糖得率高，并且相对于酸法预处理，本发明采用弱碱性溶液预处理，对设备的腐蚀较少，并且在预处理过程中不会产生糠醛、乙酸等发酵抑制剂；

（2）、相对于蒸汽爆破预处理，本发明的酶解糖得率高，有利于后续发酵；并且实验过程无需加压操作，因此实验安全可靠，易于控制；

（3）、相对于高温热水预处理，本发明预处理方法工艺简单，条件较为温和，所需能耗低，利于推广；

（4）、相对于氨水及其他有机溶剂预处理，本发明预处理后不会产生有毒的废弃物，对环境的影响较小。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。其他任何在未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、结合、简化，均为等效形式，同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

（1）精确量取水697ml于烧杯中，依次加入2.5gNaOH和20gNa₂SO₃，不断搅拌使其充分溶解，即可得弱碱性溶液。将上述弱碱性溶液加入到装有250g绝干桉木片的水桶中，充分搅拌使木片全部润湿，在室温条件下浸渍12h；

（2）预浸渍到达规定时间后，将上述木片与浸渍液一起转移至电加热回转式蒸煮锅中进行蒸煮预处理，，设定蒸煮温度180℃、升温时间60min、保温时间120min，收集蒸煮后木片进行下一步处理；

（3）蒸煮后所得木片采用常压高浓磨浆机进行两段磨浆，其中一段磨盘间隙0.4mm，二段磨盘间隙0.1mm。磨后浆料经洗涤、甩干后冷藏备用；

（4）精确称取磨后浆料80g（绝干），进行纤维素酶酶解。酶解具体条件如下：温度46±1℃，酶用量16FPU/g（以每克固体浆料计），调节酶解液固比20:1（ml/g），酶解时间60h，酶解液初始pH4.8。酶解完成后，离心取其上清液用Dionex ICS-3000型高效阴离子交换色谱（CarboPACTM PA1阴离子交换柱，ED检测器，柱温30℃，流速0.650ml/min）分析酶解液中的葡萄糖、木糖含量。

由离子色谱定量分析可知：酶解液中葡萄糖对桉木原料中的葡萄糖的转化率为86.32%，酶解液中木糖对桉木原料中的木糖的转化率为51.66%。

实施例2

（1）精确量取水697ml于烧杯中，依次加入5.0gNaOH和25gNa₂SO₃，不断搅拌使其充分溶解，即可得弱碱性溶液。将上述弱碱性溶液加入到装有250g 绝干桉木的水桶中，充分搅拌使木片全部润湿，在室温条件下浸渍10h；

（2）预浸渍到达规定时间后，将上述木片与浸渍液一起转移至电加热回转式蒸煮锅中，设定蒸煮温度170℃、升温时间45min、保温时间180min，进行蒸煮预处理。预处理结束后，收集样品进行下一步处理；

（3）蒸煮后所得木片通过常压高浓磨浆机进行两段磨浆，其中一段磨盘间隙0.3 mm，二段磨盘间隙0.15mm。磨后浆料经洗涤、甩干后冷藏备用；

（4）精确称取预处理后浆料80g（绝干），进行纤维素酶酶解。酶解具体条件如下：温度47±1℃，酶用量18FPU/g（以每克固体浆料计），酶解液固比18:1（ml/g），酶解时间60 h，酶解液初始pH 4.8。酶解完成后，离心取其上清液用Dionex ICS-3000型高效阴离子交换色谱（CarboPACTM PA1阴离子交换柱，ED检测器，柱温30 ℃，流速0.650 ml/min）分析酶解液中的葡萄糖、木糖含量。

由离子色谱定量分析可知：酶解液中葡萄糖对桉木原料中的葡萄糖的转化率为85.20 %，酶解液中木糖对桉木原料中的木糖的转化率为59.18 %。

实施例3

（1）精确量取水697ml于烧杯中，依次加入7.5gNaOH和30gNa₂SO₃，不断搅拌使其充分溶解，即可得弱碱性溶液。将上述弱碱性溶液加入到装有250g绝干桉木的水桶中，充分搅拌使木片全部润湿，在室温条件下浸渍8h。

（2）预浸渍到达规定时间后，将上述木片与浸渍液一起转移至电加热回转式蒸煮锅中，设定蒸煮温度160℃、升温时间30min、保温时间240min，进行蒸煮预处理。预处理结束后，收集样品进行下一步处理；

（3）蒸煮后所得木片通过常压高浓磨浆机进行两段磨浆，其中一段磨盘间隙0.4mm，二段磨盘间隙0.1mm。磨后浆料经洗涤、甩干后冷藏备用；

（4）精确称取预处理后浆料80g（绝干），在恒温振荡器内进行纤维素酶酶解。酶解具体条件如下：温度48±1℃，酶用量20FPU/g（以每克固体浆料计），调节酶解液固比15:1（ml/g），酶解时间54h，酶解液初始pH4.6。酶解完成后，离心取其上清液用Dionex ICS-3000型高效阴离子交换色谱（CarboPACTM PA1阴离子交换柱，ED检测器，柱温30℃，流速0.650ml/min）分析酶解液中的葡萄糖、木糖含量。

由离子色谱定量分析可知：酶解液中葡萄糖对桉木原料中的葡萄糖的转化率为92.75%，酶解液中木糖对桉木原料中的木糖的转化率为70.87%。

实施例4

（1）精确量取水697ml于烧杯中，依次加入7.5gNaOH和25gNa₂SO₃，不断搅拌使其充分溶解，即可得弱碱性溶液。将上述弱碱性溶液加入到装有250g 绝干桉木的水桶中，充分搅拌使木片全部润湿，在室温条件下浸渍12h；

（2）预浸渍到达规定时间后，将上述木片与浸渍液一起转移至电加热回转式蒸煮锅中，设定蒸煮温度190℃、升温时间60min、保温时间180min，进行蒸煮预处理。预处理结束后，收集样品进行下一步处理；

（4）精确称取预处理后浆料80g（绝干），进行纤维素酶酶解。酶解具体条件如下：温度49±1℃，酶用量20FPU/g（以每克固体浆料计），调节酶解液固比20:1（ml/g），酶解时间48h，酶解液初始pH5.0。酶解完成后，离心取其上清液用Dionex ICS-3000型高效阴离子交换色谱（CarboPACTM PA1阴离子交换柱，ED检测器，柱温30℃，流速0.650 ml/min）分析酶解液中的葡萄糖、木糖含量。

由离子色谱定量分析可知：酶解液中葡萄糖对桉木原料中的葡萄糖的转化率为89.42%，酶解液中木糖对桉木原料中的木糖的转化率为58.93%。

实施例5

（1）精确量取水697ml于烧杯中，依次加入7.5gNaOH和30gNa₂SO₃，不断搅拌使其充分溶解，即可得弱碱性溶液。将上述弱碱性溶液加入到装有250g绝干蔗渣的水桶中，充分搅拌使蔗渣全部润湿，在室温条件下浸渍10h；

（2）预浸渍到达规定时间后，将上述蔗渣与浸渍液一起转移至电加热回转式蒸煮锅中，设定蒸煮温度170℃、升温时间60min、保温时间180min，进行蒸煮预处理。预处理结束后，收集样品进行下一步处理；

（3）蒸煮后所得蔗渣通过常压高浓磨浆机进行两段磨浆，其中一段磨盘间隙0.4mm，二段磨盘间隙0.1mm。磨后浆料经洗涤、甩干后冷藏备用；

（4）精确称取预处理后浆料80g（绝干），在恒温振荡器内进行纤维素酶酶解。酶解具体条件如下：温度48±1℃，酶用量20FPU/g（以每克固体浆料计），调节酶解液固比15:1（ml/g），酶解时间48h，酶解液初始pH4.8。酶解完成后，离心取其上清液用Dionex ICS-3000型高效阴离子交换色谱（CarboPACTM PA1阴离子交换柱，ED检测器，柱温30℃，流速0.650ml/min）分析酶解液中的葡萄糖、木糖含量。

由离子色谱定量分析可知：酶解液中葡萄糖对蔗渣原料中的葡萄糖的转化率为83.19%，酶解液中木糖对蔗渣原料中的木糖的转化率为65.84%。

Claims

1.一种生物质酶解糖化预处理方法，其特征在于步骤如下：

（4）酶解工艺：将磨后浆料进行纤维素酶酶解，加水调节，使得酶解液固比为15:1~20:1ml/g，得到酶解糖化液；纤维素酶相对于磨后浆料绝干质量的用量为15~20FPU/g。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）所述弱碱性溶液为NaOH和Na₂SO₃的混合溶液，其中NaOH和Na₂SO₃的用量分别为木质纤维生物质绝干质量的1~3%、8~12%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述弱碱性溶液与木质纤维生物质绝干质量的液固比为2.5:1~5:1ml/g，预浸渍时间为8~12h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（4）所述酶解工艺具体条件如下：酶解温度45~50℃，酶解时间48~60h，酶解液初始pH4.5~5.0。

5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于所述木质纤维生物质为桉木或蔗渣。