CN102888433B - 一种提高芦竹秸秆酶解效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高芦竹秸秆酶解效率的方法，先将芦竹秸秆洗净，切短烘干备用；再将芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡进行预处理；接着将预处理后芦竹秸秆过滤洗至中性后烘干，粉碎备用；最后向粉碎后的芦竹秸秆中加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液和纤维素酶对粉碎后的芦竹秸秆进行酶解，酶解结束后将反应液离心分离，取上清液即得到芦竹秸秆酶解产物。本发明通过化学法对木质纤维素原料进行预处理，降解木质素及打开纤维素的结晶结构以增大酶与底物的接触面，较大降低了秸秆中木质素含量，提高了芦竹秸秆的酶解后的还原糖转化率，从而提高酶解效率。
Description
技术领域
本发明涉及芦竹秸秆处理技术的改进，具体涉及一种去除木质素以提高芦竹秸秆酶解效率的方法，属于生命工程技术领域。
背景技术
芦竹是一种湿地生态修复的常用植物，但是随着湿地的长时间运行，污染物的有效去除需要通过定期收割芦竹来实现。由于缺乏有效的资源化利用技术，使收割后的芦竹秸秆不能及时利用，进而造成二次污染。芦竹秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，是一种很好的生物质能，所以利用生物技术将芦竹秸秆进行生物转化具有重要意义。利用酶水解可以将秸秆中的纤维素转化为还原糖，但木质素对纤维素的包埋作用以及纤维素本身的结晶结构使得木质纤维素在酶解糖化中酶的可及度降低，酶解效率很低。
发明内容
针对现有芦竹秸秆酶解糖化效率低下的不足，本发明的目的在于提供一种提高芦竹秸秆酶解效率的方法。
本发明实现上述目的的技术解决方案如下：
一种提高芦竹秸秆酶解效率的方法，其处理步骤为：
（1）原料制备：将芦竹秸秆洗净，切短至4～5cm，烘干备用；
（2）芦竹秸秆预处理：将芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡进行预处理，温和碱反应液为NaOH和H2O2构成的混合水溶液，其中氢氧化钠质量分数为0.25～2%，H2O2体积分数为0.1～0.7%，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃、固液比（g/mL）1:30～1:10、预处理时间4h～32 h；
（3）过滤烘干：将预处理后芦竹秸秆过滤并用水洗至中性后烘干，粉碎至不低于60目备用；
（4）酶解：向粉碎后的芦竹秸秆中加入pH值为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液和纤维素酶对粉碎后的芦竹秸秆进行酶解，粉碎后的芦竹秸秆与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1:24.4 g/mL；粉碎后的芦竹秸秆与纤维素酶的固液比为1:0.6 g/mL；酶解温度40-60℃，酶解时间12-72h，转速150r/min，酶解结束后将反应液离心分离，取上清液即得到芦竹秸秆酶解产物。
作为优选实施例，所述第（2）步预处理参数为：温度为64℃，处理时间26.5h，固液比为1:22.2；温和碱反应液中氢氧化钠质量分数为1.24%，H2O2体积分数为0.3%。
本发明通过化学法对木质纤维素原料进行预处理，降解木质素及打开纤维素的结晶结构以增大酶与底物的接触面，较大降低了秸秆中木质素含量，提高了芦竹秸秆的酶解后的还原糖转化率，从而提高酶解效率。
实验表明，本发明木质素去除率最高可达73.27%，酶解还原糖转化率最高可达77.79%，比未处理的芦竹秸秆纤维素水解提高了6.95倍。本发明使用温和碱处理方法处理芦竹秸秆，能有效去除秸秆中木质素，降低纤维素的结晶度，提高酶解后还原糖转化率，且能耗低，周期短，效率高。
具体实施方式
本发明提高芦竹秸秆酶解效率的方法，其处理步骤为：
（1）原料制备：将芦竹秸秆洗净，切短至4～5cm，烘干备用；
（2）芦竹秸秆预处理：将芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡进行预处理，温和碱反应液为NaOH和H2O2构成的混合水溶液，其中氢氧化钠质量分数为0.25～2%，H2O2体积分数为0.1～0.7%，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃、固液比（g/mL）1:30～1:10、预处理时间4h～32 h；
（3）过滤烘干：将预处理后芦竹秸秆过滤并用水洗至中性后烘干，粉碎至不低于60目备用；
（4）酶解：向粉碎后的芦竹秸秆中同时加入pH值为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液和纤维素酶对粉碎后的芦竹秸秆进行酶解，粉碎后的芦竹秸秆与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1:24.4 g/mL；粉碎后的芦竹秸秆与纤维素酶的固液比为1:0.6 g/mL。酶解温度40-60℃（优选50℃），酶解时间12-72h（优选60h），转速150r/min，酶解结束后将反应液离心分离，取上清液即得到芦竹秸秆酶解产物。
本发明木质素去除率和还原糖转化率按下式计算：
木质素去除率（%）=（未处理秸秆中木质素含量-处理后秸秆中木质素含量）/未处理秸秆中木质素含量*100%；
还原糖转化率（%）=（酶解后还原糖总量*0.9*100%）/底物中纤维素和半纤维素总量；
下面结合实施例对本发明作进一步说明并验证本方法的效果。
以下实施例所用的纤维素酶（滤纸酶活60U/g）制剂购自宁夏和氏璧生物技术有限公司，芦竹秸秆取自重庆市万州区。
对比例（传统处理方法）：
（1）芦竹秸秆洗净，经自然风干后，粉碎至60目备用。
（2）测定芦竹秸秆中木质素组分含量，计算出原料秸秆中木质素所占百分数为15.00%。
（3）称取1.000g芦竹秸秆，加pH为4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液24.4ml和0.6ml纤维素酶，酶解温度50℃，酶解时间60h，转速150r/min，酶解结束后将反应液离心分离，取上清液用DNS法测定其总还原糖含量，通过计算公式得出还原糖转化率为11.2%。
实施例一：
（1）原料制备：芦竹秸秆洗净，切短至4-5cm，烘干备用。
（2）预处理工艺：芦竹秸秆加入氢氧化钠质量分数为1%、H2O2体积分数为0.5%反应液中、温度60℃、固液比（g/mL）1:20、预处理时间分别为4、8、16、24、32 h 。
（3）预处理结束后，水洗至中性烘干，粉碎至60目，测定预处理芦竹秸秆中木质素含量，通过计算公式得出木质素去除率分别为34.11%、50.00%、62.21%、70.20%、70.22%。
实施例二：
（1）原料制备：芦竹秸秆洗净，切短至4-5cm，烘干备用。
（2）预处理工艺：芦竹秸秆加入氢氧化钠质量分数为1%、H2O2体积分数为0.5%反应液中、温度60℃、预处理时间24 h 、固液比（g/mL）1:30、1:25、1:20、1:15、1:10。
（3）预处理结束后，水洗至中性烘干，粉碎至60目，测定预处理芦竹秸秆中木质素含量，通过计算公式得出木质素去除率分别为31.67%、54.45%、70.21%、70.47%、71.36%。
实施例三：
（1）原料制备：芦竹秸秆洗净，切短至4-5cm，烘干备用。
（2）预处理工艺：芦竹秸秆加入氢氧化钠质量分数分别为0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%，H2O2体积分数为0.5%反应液中、温度60℃、固液比（g/mL）1:20、预处理时间24 h 。
（3）预处理结束后，水洗至中性烘干，粉碎至60目，测定预处理芦竹秸秆中木质素含量，通过计算公式得出木质素去除率分别为0.41%、7.08%、19.11%、70.21%、71.03%、71.98%。
实施例四：
（1）原料制备：芦竹秸秆洗净，切短至4-5cm，烘干备用。
（2）预处理工艺：芦竹秸秆加入氢氧化钠质量分数为1%、H2O2体积分数为0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%反应液中、温度60℃、固液比（g/mL）1:20、预处理时间24 h。
（3）预处理结束后，水洗至中性烘干，粉碎至60目，测定预处理芦竹秸秆中木质素含量，通过计算公式得出木质素去除率分别为62.71%、53.54%、70.05%、70.21%、70.22%。
实施例五：
（1）原料制备：芦竹秸秆洗净，切短至4-5cm，烘干备用。
（2）预处理工艺：芦竹秸秆加入氢氧化钠质量分数为1%、H2O2体积分数为0.3%反应液中、固液比（g/mL）1:20、预处理时间24 h、温度分别为30、40、50、60、70、80℃。
（3）预处理结束后，水洗至中性烘干，粉碎至60目，测定预处理芦竹秸秆中木质素含量，通过计算公式得出木质素去除率分别为52.25%、56.22%、59.86%、70.07%、71.17%、72.89%。
实施例六：
（1）原料制备：芦竹秸秆洗净，切短至4-5cm，烘干备用。
（2）通过响应面试验优化分析，确定去除木质素最优条件：温度为64℃，处理时间为26.5h，固液比为1:22.2，氢氧化钠质量分数为1.24%，其中H2O2体积分数为0.3%，在该条件下处理秸秆，结束后水洗至中性烘干，粉碎至60目，测定芦竹秸秆中木质素含量，通过计算公式得出木质素去除率为73.27%。
实施例七：
（1）将实施例六预处理后的原料秸秆水洗至中性烘干，粉碎至60目备用。
（2）称取1.000g芦竹秸秆，加pH为4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液24.4ml和0.6ml纤维素酶，酶解温度50℃，酶解时间60h，转速150r/min，酶解结束后将反应液离心分离，取上清液用DNS法测定其总还原糖含量，通过计算公式得出还原糖转化率为77.79%。比未处理的芦竹秸秆纤维素水解提高了6.95倍。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种提高芦竹秸秆酶解效率的方法，其特征在于，其处理步骤为：
（1）原料制备：将芦竹秸秆洗净，切短至4～5cm，烘干备用；
（2）芦竹秸秆预处理：将芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡进行预处理，温和碱反应液为NaOH和H2O2构成的混合水溶液，其中氢氧化钠质量分数为1.24%，H2O2体积分数为0.3%，余量为水；预处理参数为：温度64℃；固液比1:22.2；预处理时间26.5h；
（3）过滤烘干：将预处理后芦竹秸秆过滤并用水洗至中性后烘干，粉碎至不低于60目备用；
（4）酶解：向粉碎后的芦竹秸秆中加入pH值为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液和纤维素酶对粉碎后的芦竹秸秆进行酶解，粉碎后的芦竹秸秆与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1:24.4 g/mL；粉碎后的芦竹秸秆与纤维素酶的固液比为1:0.6 g/mL；酶解温度40-60℃，酶解时间12-72h，转速150r/min，酶解结束后将反应液离心分离，取上清液即得到芦竹秸秆酶解产物。
2.根据权利要求1所述的提高芦竹秸秆酶解效率的方法，其特征在于：所述第（4）步酶解温度为50℃，酶解时间60h。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SOUTHWEST UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: CHONGQING UNIVERSITY Effective date: 20140305 Owner name: CHONGQING WATER GROUP CO., LTD. Effective date: 20140305 |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Huang Lei Inventor after: Gao Xu Inventor after: Chen Yucheng Inventor after: Yang Zhimin Inventor after: Zhang Shaobo Inventor after: Xiao Guangquan Inventor after: Guan Hongyou Inventor before: Huang Lei Inventor before: Gao Xu Inventor before: Liu Ming Inventor before: Li Zhe Inventor before: Guo Jinsong Inventor before: Du Gang Inventor before: Lu Yanyan |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 400044 SHAPINGBA, CHONGQING TO: 400715 BEIPEI, CHONGQING Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: HUANG LEI GAO XU LIU MING LI ZHE GUO JINSONG DU GANG LU YANYAN TO: HUANG LEI GAO XU CHEN YUCHENG YANG ZHIMIN ZHANG SHAOBO XIAO GUANGQUAN GUAN HONGYOU |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140305 Address after: 400715 Chongqing Road, Beibei District No. 1 Applicant after: Southwest University Applicant after: Chongqing Water Group Co., Ltd. Address before: 400044 Shapingba District Sha Street, No. 174, Chongqing Applicant before: Chongqing University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140409 Termination date: 20151030 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |