CN103031344A - 将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法 - Google Patents

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朱静
长浜宪孜
长浜义典
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Abstract

将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，本发明涉及一种使紫茎泽兰变害为利的方法。本发明的目的是提供一种用较少量的稀酸和较少量的纤维素酶将秸秆类纤维素降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：先向紫茎泽兰中加入缓冲液；再以缓冲液的用量为基准，按每50ml缓冲液中加入1～7ml浓度为0.005～0.10mol/L的HCl溶液预处理5～180min，得到处理反应液；最后向所述处理反应液中加入纤维素酶进行降解。用本方法处理得到的还原糖不需任何处理可直接用于乙醇的发酵生产。

Description

将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法
技术领域
本发明涉及一种使紫茎泽兰变废为宝的方法，具体来说是将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法。
背景技术
鉴于石油资源不足、能源供应短缺、燃料安全和环境污染压力等问题的存在，发展新型的可再生原料和能源成为趋势，燃料乙醇以其可再生、无环境污染、可作为机动车燃料使用等优点备受政府和社会重视。然而，传统的燃料乙醇的生产主要采用淀粉质原料如小麦、玉米、薯干等，或者糖质原料如甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜等，需要消耗大量的农作物，生产成本较高。
紫茎泽兰(Crofton Weed)，多年生草本或亚灌木。植物界里的“杀手”，所到之处寸草不生，牛羊中毒。可进行有性繁殖和无性繁殖，对环境的适应性极强，无论在干旱贫瘠的荒坡隙地、墙头、岩坎，在石缝里也能生长。为危害极大的外来入侵种，对生物多样性的破坏极大，在2010年中国西南大旱后疯长蔓延，威胁到农作物的生长，严重影响我国的自然生态和社会经济安全。至目前为止，在云南省分布面积高达2580万公顷，80％面积的土地都有紫茎泽兰分布，其产量高达1亿吨以上。而紫茎泽兰的综合纤维素含量为51.81％，其碳水化合物含量较高。利用紫茎泽兰转化为糖继而生产多种化工产品，尤其是生产燃料乙醇，是将其变废为宝，化害为利的一个良好途径。
紫茎泽兰中的纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，纤维素、半纤维素降解成可还原糖；木质素转化为化工原料和能源是高值化利用植物秸秆的理想途径之一。而且，若想利用植物秸秆为原料来生产燃料乙醇，必然需要将秸秆中的木质纤维素、尤其是其中的纤维素降解为可用来生产乙醇的还原糖。
现有技术中未见有关将紫茎泽兰等综合纤维素含量较高的材料降解成可发酵还原糖的方法的报道。传统的例如稻草、麦秆等木质纤维素降解工艺和缺点在：崔永强等，木质纤维素为原料的燃料乙醇发酵技术研究进展[J].化工进展，2010年第29卷第10期：1868-1875页，有较为详尽的分析和对比。大体可分为两种：一种是将木质纤维素经过浓酸、浓碱或稀酸、稀碱，经高温、高压、微波、超声波和蒸汽爆破等预处理后再经水解或酶解得到还原糖，该方法存在着酸碱用量大而回收率低、回收装置价格昂贵、环境污染严重、能耗高、操作工艺安全性差等缺点；另一种是直接用纤维素酶制剂降解成还原糖，此法存在着纤维素酶的用量大、成本高、酶解效率低等缺点。除此之外，经过这些传统方法处理得到的还原糖不能直接用于乙醇的发酵生产，还需要对处理液进行沉淀，萃取等方法处理后才能继续后续的糖化发酵生产乙醇的工序。
也就是说：现有技术中也没有适当的工艺技术可供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种用较少量的稀酸和较少量的纤维素酶将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，用本方法处理得到的还原糖不需任何处理可直接用于乙醇的发酵生产。
为实现上述目的，本发明提供了将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：先向紫茎泽兰中加入缓冲液；再以缓冲液的用量为基准，按每50ml缓冲液中加入1～7ml浓度为0.005～0.10mol/L的Hcl溶液预处理5～180min，得到处理反应液；最后向所述处理反应液中加入纤维素酶进行降解。
优选地，所述缓冲液的用量与秸秆重量的液固比为6～20∶1。
更优选地，所述缓冲液的用量与秸秆重量的液固比为10～20∶1。
优选地，所述缓冲液为磷酸、醋酸、柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，所述缓冲液的pH值为4.5～5.5。
优选地，所述纤维素酶的用量为1.5～4.5FPU/g秸秆重量。因为商品酶的活性不一致，所以所加入的商品酶的重量则没有固定参数。
优选地，所述降解过程的温度为28～45℃，降解时间为6～72h。
更优选地，所述降解时间为12～60h。
优选地，所述预处理时间为60～180min。
为了使紫茎泽兰中的木质纤维素降解得更充分，优选先将紫茎泽兰晒干到恒重并经机械粉碎到30-100目的细度。干燥恒重是便于更粉碎也是便于与其它物料配比，细度只要达到30目就能保证降解的效率和速度，理论上来说越细越好，但从经济性考虑，在30-100目较佳。
为了使预处理和降解反应更充分、更均匀，优选保持整个反应过程在摇床中进行，所述摇床的转速为50～135r/min。
本发明的有益效果：
1、实现了将对生物多样性造成危害、严重影响生态安全和社会经济的外来有害入侵物种紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的目的，使其能够成为生物乙醇制备中的有用原料，使其在生物燃料等多领域实现科学利用。
2、本发明提供的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法虽然本质上也是将木质纤维素降解成可发酵还原糖，但其与现有技术中的降解木质纤维素的方法相比，使用了较少量的稀酸和较少量的纤维素酶，纤维素酶的用量最低至1.5FPU/g底物，低于实施工业化估算的酶最低用量标准。
3、经实验证明：采用本发明提供的方法降解紫茎泽兰后得到的糖化液中可发酵还原糖重量占紫茎泽兰总重量的40％左右，而紫茎泽兰中的总纤维素含量占总质量的理论值为50％左右，由此可知，紫茎泽兰中总纤维素的糖化率达到了80％左右，说明糖化充分，并且该糖化率明显高于现有技术的纤维素糖化率。
4、用本发明提供的方法处理得到的还原糖不需任何处理可直接用于乙醇的发酵生产，而无需传统预处理后的后续工序，减少了工序，缩短了时间，能大大降低成本。
5、综上：本发明提供的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法较现有技术中的降解木质纤维素的方法更简单、更环保、更有效、更降低能耗、更节约能源、更省时间、成本更低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，本发明并不局限于以下实施例。
实施例
将紫茎泽兰晒干后称重，并经机械粉碎成30目的紫茎泽兰粉，无需过筛，向上述紫茎泽兰粉中按固液比为1∶6～20的配比加入磷酸缓冲液，再以缓冲液的用量为基准，按每50ml缓冲液中加入1～7ml浓度为0.10mol/L的HCl溶液预处理5～180min，得到处理反应液；纤维素酶选用市售商品酶，纤维素酶按1.5～4.5FPU/g紫茎泽兰重量加入上述处理反应液中进行降解，保持降解过程的温度为28～45℃，降解时间为6～72h。预处理和降解的整个反应过程在摇床中进行，保持摇床的转速为100r/min。实施例的具体实验数据见表1：
表1
Figure BDA0000140631360000041
注：表中的总还原糖产量用DNS法测定。
表中的总糖化率＝总还原糖产量/底物。
表中的木质纤维素糖化率＝总还原糖产量/(底物*50％)。
可见，采用本发明提供的方法降解紫茎泽兰后得到的糖化液中可发酵还原糖重量占紫茎泽兰总重量的40％左右，而紫茎泽兰中的总纤维素含量占总质量的理论值为50％左右，由此可知，紫茎泽兰中总纤维素的糖化率达到了80％左右，说明糖化充分，并且该糖化率明显高于现有技术的纤维素糖化率。并且用酸浓度低，耗费少，能耗低，清洁环保，操作工艺简单，便于管理和工业生产。

Claims (10)

1.一种将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：先向紫茎泽兰中加入缓冲液；再以缓冲液的用量为基准，按每50ml缓冲液中加入1～7ml浓度为0.005～0.10mol/L的HCl溶液预处理5～180min，得到处理反应液；最后向所述处理反应液中加入纤维素酶进行降解。
2.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述缓冲液的用量与紫茎泽兰重量的液固比为6～20∶1。
3.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述缓冲液的用量与紫茎泽兰重量的液固比为10～20∶1。
4.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述缓冲液为磷酸、醋酸、柠檬酸钠或柠檬酸缓冲液，所述缓冲液的pH值为4.5～5.5。
5.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述纤维素酶的用量为1.5～4.5FPU/g秸秆重量。
6.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述降解过程的温度为28～45℃，降解时间为6～72h。
7.根据权利要求6述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述降解时间为12～60h。
8.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述预处理时间为60～180min。
9.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述紫茎泽兰在加入缓冲液前先晒干并粉碎到30-100目的细度。
10.根据权利要求1所述的将紫茎泽兰降解成可发酵还原糖的方法，其特征在于：所述预处理和所述降解的反应过程在摇床中进行，所述摇床的转速为50～135r/min。
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