CN103243139A - 一种高效降解木质纤维素原料的方法 - Google Patents

一种高效降解木质纤维素原料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效降解木质纤维素原料的方法，包括原料简单粉碎，常压微波联合碱液和阳离子表面活性剂处理原料，以及非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解步骤，将粗粉碎后的木质纤维素物质原料与阳离子表面活性剂、碱液混合，常压下进行微波处理后固液分离，进一步添加非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解固体可得糖液。本发明使物理和化学预处理方法优点得到互补，有效地降低纤维素原料的结晶度，缩短预处理时间，提高预处理效果；同时低浓度的碱液有利于工业生产时的有效回收，常压下进行木质纤维素原料的预处理也可以明显地降低预处理过程的能量消耗；利用非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解，可以在较短的水解时间内获得较高浓度的糖液。

Description

一种高效降解木质纤维素原料的方法
技术领域
本发明属于木质纤维素物质预处理技术及其应用领域和新能源开发领域，具体涉及到一种高效降解木质纤维素原料的方法。
背景技术
我国是世界上经济发展最为迅速的国家之一，对能源的需求量长期持续高速增长，随着世界能源缺口不断加剧，化石能源等不可再生能源日益枯竭以及环境压力与日俱增，世界各国也加快了寻找可代替能源的步伐，其中生物乙醇以其资源可持续性、技术可行性以及环境友好性吸引了全球各国的关注。木质纤维素经过糖化可得到发酵糖液，然后利用发酵糖液发酵生产燃料酒精、单细胞蛋白、糠醛等工业产品。
但是利用木质纤维素原料的局限之处在于原料预处理技术不够成熟、酶解效率较低、高效纤维素酶研发缓慢和发酵对微生物要求较高。在这样的背景情况下，研究木质纤维素物质的原料预处理技术以及高效的酶解技术对我国不仅具有非常重要的现实意义，同时还具有非常重要的战略意义。
目前木质纤维素原料的主要预处理方法有物理法、化学法和生物法。物理法可以有效地改变木质纤维素原料的结构，但是耗能较大且水解率很低；化学法可以提高木质纤维素原料的水解率，但是对反映容器的耐腐蚀性能要求较高且预处理时间长，成本较高；生物法耗能少，但是水解率很低，在降解过程中有废弃物产生。
单纯利用微波辅助碱溶液或者超声波辅助稀酸溶液进行预处理的物理-化学方法，耗时较长而且糖产率较低，成本较高且能耗较大，应用于工业化大规模生产存在着局限。中国专利CN101255479公开了一种将木质纤维素高效糖化的预处理方法，将木质纤维素原料进行粗粉碎，将粗粉碎后的原料与一价金属碱液溶液混合，常温下对其进行湿磨粉碎1h～4h，然后将改性木质纤维素与酶混合，加入缓冲液，调整缓冲液的pH值，酶解时间为96～120小时，制得糖液。但是，这个方法的预处理时间长，而且之后的水解时间也很长，所以会导致预处理能量消耗增大，成本增加，而且预处理工艺较为复杂繁琐；中国专利CN102220384公开了一种加压微波预处理木质纤维素的方法，将粉碎后的木质纤维素粉末与蒸馏水混合，然后在加压的情况下对原料进行微波处理，然后将处理后的物料进行酶解和发酵。但是，压力的增大意味着预处理对生产设备要求较高，且会增加能量消耗，增大生产成本。
发明内容
本发明的目的正是针对目前木质纤维素物质预处理技术的预处理时间长、生产成本高和能量消耗大的局限以及酶解效率低下的情况，而提供的一种高效降解木质纤维素原料的方法，在预处理的过程中，辅助以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，显著地提高了预处理效率，缩短了预处理的时间，降低了生产成本和能量消耗，并有效地降低纤维素原料的结晶度，在木质纤维素原料酶解过程中加入非离子表面活性剂，可以显著地提高纤维素酶的酶解效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种常压微波辅助阳离子表面活性剂和低浓度碱液预处理木质纤维素原料的物理-化学方法及利用非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解糖化木质纤维素原料的方法。其特征在于包括原料简单粉碎，常压微波联合碱液和阳离子表面活性剂处理原料，以及非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解步骤，将粗粉碎后的木质纤维素物质原料与阳离子表面活性剂、碱液混合，常压下进行微波处理后固液分离，进一步添加非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解固体可得糖液；
其具体步骤如下：
S1、选用干燥的木质纤维素原料，过40-60目筛，作为原料备用；
S2、配制质量分数为0.5％～2.5％的NaOH溶液；
S3、将上述一定浓度的NaOH溶液与过筛后的木质纤维素原料和一定量的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵混合，通过常压微波加热处理，然后固液分离；
S4、将固液分离后的残渣冲洗至滤液呈中性，烘干；
S5、将烘干后的木质纤维素原料与一定量的非离子表面活性剂以及一定量的酶混合，加入一定量的缓冲液，水解，得到糖液，灭酶、离心测定糖含量。
本发明中，在步骤S1中，所述的木质纤维素原料，是直接将干燥的木质纤维素原料碎过筛得到。
在步骤S2中，所述的NaOH溶液是低浓度的，有利于工业回收再利用，药品来源广泛，价格低廉。
在步骤S3中，所述NaOH溶液的添加量为15mL～45mL/每克底物，十六烷基三甲基溴化铵的添加比例为0.04～0.12/每克底物。所述的常压微波加热，压力为一个标准大气压，即常压，微波频率2450MHz，功率160～800W，时间4～22min；所述的固液分离是使用过滤分离的方法。
在步骤S4中，采用自来水将滤渣冲洗至滤液呈中性，在65℃条件下烘干至恒重。
在步骤S5中，称取商品纤维素酶0.5％～2.5％/每克底物，非离子表面活性剂PEG60000.5％～2.0％/每克底物，以及pH为4.8～6的0.1mol柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液20～50mL，在水浴温度40℃～50℃和振荡转速为140r/min～160r/min的条件下水解24h～48h。然后通过离心分离法得到上清液中的还原糖，离心转速为4000r/min～5000r/min，时间为10～15min。
各类类似的木质纤维素物质，如小麦秸秆、稻草秸秆、棉籽壳、花生壳、林业剩余物、工业有机废弃物或城市有机垃圾，都可以应用于本发明。
本发明与现有技术相比所具备的优点在于：
(1)利用添加阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵进行预处理，联合物理和化学预处理木质纤维素原料的方法，充分使物理和化学预处理方法优点得到互补，并在一定程度上克服了物理和化学预处理方法的缺陷之处，能够有效地降低纤维素原料的结晶度，缩短木质纤维素原料的预处理时间(仅需5min～20min)，可以在低浓度的NaOH溶液中和较短时间内得到较多的糖液，提高了预处理效果，低浓度的碱液有利于进一步的回收利用，常压下进行木质纤维素原料的预处理也可以明显地降低预处理过程的能量消耗，降低了生产成本；利用非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解，可以在较短的水解时间内获得较高浓度的糖液。
(2)表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵价格便宜，其来源广泛，经济性能、市场性能也更好，同时表面活性剂还是一种清洁的、环保的生物能源，具有优良的可再生性和降解性；
(3)在此过程中，辅助以常压微波，显著地提高预处理效率，节省时间，同时降低能量消耗，在处理过程中对环境无污染，达到了节能、环保的目的；
(4)在酶解过程中添加非离子表面活性剂PEG6000，不但提高了纤维素酶的酶解效果，而且有效地缩短了水解时间。
(5)本发明以废弃的木质纤维素为原料，不仅缓解了环境压力，而且合理利用资源是一条变废为宝的途径；
(6)本发明研究的木质纤维素物质的预处理技术和酶解工艺，其生产流程简便，有利于工业操作。
附图说明
图1为同时利用表面活性剂辅助木质纤维素原料预处理和水解流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明中原材料的选择：各种类似的木质纤维素物质，如小麦秸秆、稻草秸秆、棉籽壳、花生壳、林业剩余物、工业有机废弃物或城市有机垃圾，都可以应用于本发明。应用范围很广泛。下面使用花生壳作为优选实施例，来介绍本发明的实施步骤。
本发明的操作步骤如下：首先称取一定量木质纤维素原料和十六烷基三甲基溴化铵，再将NaOH溶液加入其中，混合均匀，通过常压微波加热处理，然后将处理后的木质纤维素原料水洗至滤液呈中性，烘干，然后将烘干的木质纤维素原料与PEG6000和纤维素酶混合，在缓冲液中酶解，得到糖液。
实施例1
取0.08g十六烷基三甲基溴化铵，加入25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，搅拌至完全溶解，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理19min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和5mg PEG6000，然后加入pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解36h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
实施例2
取0.10g十六烷基三甲基溴化铵，加入25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，搅拌至完全溶解，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理22min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和10mg PEG6000，加入pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解48h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
实施例3
取0.08g十六烷基三甲基溴化铵，加入25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，搅拌至完全溶解，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理22min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和10mg PEG6000，加入pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解48h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
实施例4
取0.10g十六烷基三甲基溴化铵，加入25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，搅拌至完全溶解，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理19min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和10mg PEG6000，加入pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解36h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
比较例1
取25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理22min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解48h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
比较例2
取0.08g十六烷基三甲基溴化铵，加入25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，搅拌至完全溶解，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理22min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解36h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
比较例3
取25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理22min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和5mgPEG6000，加入pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解48h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
比较例4
取0.09g十六烷基三甲基溴化铵，加入25mL质量分数为1.75％的NaOH溶液，搅拌至完全溶解，加入1g花生壳粉原料，然后在常压下，微波功率为640W条件下，加热处理19min，然后过滤分离，将滤渣用自来水洗至滤液呈中性，65℃下烘干；取0.5g残渣，加入10mg纤维素酶和5mgPEG6000，加入pH为4.8的0.1mol/L柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液25mL，在水浴温度45℃，转速为160r/min条件下，水解36h，然后在转速为5000r/min的条件下离心10min，采用3，5-二硝基水杨酸法测定上清液中还原糖含量。结果如表1
表1降解效果比较
Figure BSA00000898207400081
由表1可知，花生壳粉原料(即木质纤维素原料)的降解效果与预处理阶段的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的添加量以及酶解阶段的非离子表面活性剂PEG6000的添加量紧密有关，随着两个阶段中表面活性剂的用量增加，还原糖含量随着升高，降解效果越好。表面活性剂用量相同时，随着预处理时间和水解时间的延长，还原糖含量也随之升高，降解效果越好。同时，根据还原糖含量可以看出此方法可以明显地缩短预处理时间和水解时间，降低能耗，而且还降低了生产成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，将粗粉碎后的木质纤维素原料与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、NaOH碱液混合，常压下进行微波处理后固液分离，进一步添加非离子表面活性剂辅助纤维素酶酶解固体可得糖液，所述方法具体包括如下步骤：
S1、选用干燥的木质纤维素原料，过40-60目筛，作为原料备用；
S2、配制质量分数为0.5％～2.5％的NaOH溶液；
S3、将上述NaOH溶液与过筛后的木质纤维素原料和一定量的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵混合，其中NaOH溶液的添加量为15mL～45mL/每克木质纤维素原料，阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的添加量为0.04～0.12克/每克木质纤维素原料，通过常压下微波加热处理，微波频率2450MHz，功率160～800W，时间4～22min；然后固液分离；
S4、将固液分离后的木质纤维素残渣冲洗至滤液呈中性，在65℃条件下烘干至恒重；
S5、将S4中烘干后的木质纤维素原料和非离子表面活性剂聚乙二醇6000(PEG6000)以及一定量的纤维素酶混合，并加入一定量的缓冲液，其中非离子表面活性剂PEG6000的添加量为木质纤维素原料的0.5～2.0(重量份)％，纤维素酶的添加量为木质纤维素原料的0.5～2.5(重量份)％，缓冲液的添加量为20～50mL/每克木质纤维素原料，在水浴温度40℃～50℃和振荡转速为140r/min～160r/min的条件下水解24h～48h，然后离心分离得到还原糖，离心转速为4000r/min～5000r/min，时间为10～15min。
2.根据权利要求1所述的高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的木质纤维素原料，是直接将干燥的木质纤维素原料粉碎过筛得到。
3.根据上述任一项权利要求所述的高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述的NaOH溶液是低浓度的，有利于工业回收再利用，药品来源广泛，价格低廉。
4.根据上述任一项权利要求所述的高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述NaOH溶液的添加量为15mL～45mL/每克木质纤维素原料，十六烷基三甲基溴化铵的添加比例为0.04～0.12克/每克木质纤维素原料。所述的常压微波加热，压力为一个标准大气压，即常压，微波频率2450MHz，功率160～800W，时间4～22min；所述的固液分离是使用过滤分离的方法。
5.根据上述任一项权利要求所述的高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，在步骤S4中，采用自来水将滤渣冲洗至滤液呈中性，在65℃条件下烘干至恒重。
6.根据上述任一项权利要求所述的高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，在步骤S5中，称取商品纤维素酶0.5％～2.5％/每克木质纤维素原料，非离子表面活性剂PEG60000.5％～2.0％/每克木质纤维素原料，以及pH为4.8～6的0.1mol柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液20～50mL，在水浴温度40℃～50℃和振荡转速为140r/min～160r/min的条件下水解24h～48h。然后通过离心分离法得到上清液中的还原糖，离心转速为4000r/min～5000r/min，时间为10～15min。
7.根据上述任一项权利要求所述的高效降解木质纤维素原料的方法，其特征在于，所述木质纤维素原料可以为各种类似的木质纤维素物质，如小麦秸秆、稻草秸秆、棉籽壳、花生壳、林业剩余物、工业有机废弃物或城市有机垃圾。
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