CN103266148B - 一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法 - Google Patents

一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法 Download PDF

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CN103266148B CN 201310221519 CN201310221519A CN103266148B CN 103266148 B CN103266148 B CN 103266148B CN 201310221519 CN201310221519 CN 201310221519 CN 201310221519 A CN201310221519 A CN 201310221519A CN 103266148 B CN103266148 B CN 103266148B
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罗小林
黄六莲
陈礼辉
曹石林
张亮华
Original Assignee
福建农林大学
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Abstract

本发明公开了一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,其步骤为:备料;酸催化的高沸点醇预处理;预处理所得固体基质的洗涤;固体基质的盘磨处理;酶水解。本发明所用酸催化的高沸点醇预处理可同步高效移除竹材纤维原料中的半纤维素和木素,同时可有效去除竹材外壁竹青中的抽出物和其表面的蜡质,经高沸点醇预处理后竹材中纤维素经酶水解所得可发酵葡萄糖的回收率比以往酸性化学法预处理提高了36~50%,比低沸点有机溶剂预处理提高了10~15%。利用酸催化且含醇比例低的高沸点醇/水溶剂体系、采用短时间对竹材进行酶水解前的预处理,不仅可提高竹材中纤维素经酶水解转化为可发酵糖的效率、还可避免废液对环境造成污染的缺陷。

Description

一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种竹材的预处理方法,具体地说,是涉及一种可有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法。

背景技术

[0002] 由于化石能源储量有限以及过度使用造成环境污染等原因,世界上大多数国家现已将目光转向天然可再生清洁能源的开发,如纤维素燃料乙醇等。鉴于各国逐步限制以粮食为原料来生产生物乙醇,将具有产量大、分布广且可持续利用的木质纤维原料转变为生物乙醇已成为世界各国最重要的研究重点。然而,我国林木资源较为缺乏,非木材资源较为丰富。例如,我国竹类有40多属500余种,竹林面积484万公顽,竹子种质资源、竹林面积、蓄积和产量均居世界首位。因此,大力开发竹材资源,将其转变为燃料乙醇等可再生能源不仅可为我国生物质能源产业提供原料保障,而且对调整我国农业经济结构和提高农民收入等方面也具有重要的社会经济和生态效益。

[0003] 糖和淀粉基原料(如蔗糖和玉米等)可直接通过糖苷酶和淀粉酶水解为可发酵糖(主要指葡萄糖),经发酵微生物发酵便可获得燃料乙醇。与之不同的是,木质纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,在生长过程中,三者通过共价联接形成异质性高分子聚合物结构,其可有效阻碍纤维素酶对纤维素的水解。为了克服木质纤维原料对纤维素酶天然的抗拒,利用一定条件下的前处理(预处理)来打破其天然结构、提高纤维素酶对纤维素的可及性和酶解效率已成为纤维素燃料乙醇生产过程中必不可少的工艺。

[0004]目前,国内外研究者已开发出多种预处理方法,其主要可分为化学法、物理法和生物法。化学法又主要包括稀酸、稀碱、有机溶剂和酸性亚硫酸盐等,前三者对阔叶木和部分非木材原料较为有效,对针叶木的效果则较差,且酸性预处理液可造成设备腐蚀;后者对针叶木、阔叶木和部分非木材原料均较为有效,但其废液中含有大量残余硫化物和酸,其难以经处理后回收利用,直接排放或简单处理均可对环境造成较大的污染。物理法预处理主要有蒸汽爆破法和研磨法,尽管其环保,但预处理能耗较高、效果较差,纤维素酶解转化率仍然较低;生物法预处理条件温和,对设备和能耗的要求甚低,基本无污染物产生,但其处理周期过长,预处理效果比物理法更低。然而,与常见的木材和其它非木材原料结构不同的是,竹材由外向内主要由竹青、竹肉和竹黄组成;竹青处在竹材细胞壁的外侧,其组织结构比竹肉和竹黄致密,且表面覆盖一层较厚的蜡质,这些因素严重阻碍了预处理化学药品和酶解过程中酶的渗透和传质。因此,部分研究者发现,同等处理条件下,当常规的化学法预处理(如稀酸、稀碱和酸性亚硫酸盐法)使松木、杨木、杉木、龙舌兰和柳絮枝等植纤维原料中纤维素酶解转化率达到80%以上时,竹材中纤维素的转化率不足50%。在一定条件范围内,有机溶剂法预处理虽然能使竹材中纤维素酶解转化率和葡萄糖回收率分别达到70%和65%,但低沸点有机溶剂(如甲酸、乙酸和乙醇等)高温产生较大压力,对设备的耐压性能要求较高,增加了设备的投资成本,且在预处理和回收过程中也易损失;酸性溶剂不仅具有上述缺点,其还对设备产生极大腐蚀。

[0005] 由于高沸点醇溶剂(如1,4- 丁二醇和1,4-戊二醇等)不易挥发、高温下产生的蒸汽压力较小、无设备腐蚀且在预处理和回收过程中损失小等优点,中国专利《高沸醇溶剂制备纤维素及木质素的方法》(申请号02157689.0)、《利用植物废弃物制备高沸醇木质素的方法》(申请号200510018127.7)等采用高沸点醇为溶剂,直接从植物纤维原料或其废弃物中分离出纤维素或木质素;申请号为200710050372.5的中国发明专利《结合生物质炼制的植物纤维原料制浆方法》则利用热水前处理抽提出原料中的半纤维素,然后采用高沸点醇溶剂制备纸浆,进而从废液中回收木质素。但上述专利利用高沸点醇溶剂制备纤维素、木素或者纸浆均是采用醇体积比高于30%以上的髙沸醇/水溶剂对植物纤维原料进行较长时间的处理,为了尽可能移除木素,部分纤维素也不可避免的发生了降解,最终将导致植物纤维原料中纤维素经酶水解获得葡萄糖的回收率必然较低。同时,上述专利均未涉及利用酸催化的、醇体积比低于20%的高沸点醇溶剂对植物纤维原料,特别是竹材,进行短时间的预处理,在尽量减少纤维素损失和降低能耗的前提下提高纤维素酶水解转化为葡萄糖的效率。

[0006] 总之,采用现有方法对竹材进行预处理存在以下不足:

[0007] (I)由于竹材中竹青结构非常致密,且表面含有较多的抽出物和蜡质,现有稀酸、稀碱和酸性亚硫酸盐等化学预处理方法的预处理效果均较差;

[0008] (2)尽管有机溶剂法对竹材的处理效果较好,但甲酸和乙酸等酸性非常高的溶剂对设备产生极大腐蚀,低沸点有机溶剂易于挥发,高温下对设备的耐压性能要求较高,增加设备投资成本,同时在预处理和回收过程中易损失,使过程整体过程的过程能量输出效率较低;

[0009] (3)髙沸醇制浆或髙沸醇溶剂法制备纤维素和木素的目的均是尽可能将植物纤维原料中的木质素与碳水化合物进行分离,为了增加木素在由髙沸醇和水组成的溶剂中的溶解度,通常髙沸醇在反应液中的体积比至少高于30%,处理时间也较长,当达到特定脱木素率时,大量半纤维素和部分纤维素发生不可避免的降解,最终植物纤维原料中纤维素经酶解转化为葡萄糖的回收率仍然较低,如实`施例1的结果所示。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于克服现有预处理方法应用于竹材的缺陷,提供一种可有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法。

[0011] 为实现本发明的目的,采用的技术方案是:

[0012] 本发明所述的一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,包括如下步骤:

[0013] (I)选取竹材,采用削片机获得竹片,将其作为原料;

[0014] (2)酸催化的高沸点醇预处理,将步骤(1)制得的竹片原料放入到置于油浴反应器中的小罐内所装有的高沸点醇预处理液中,其技术条件为:竹片原料质量和高沸点醇预处理液的比值以g:ml计为4~8,高沸点醇预处理液由高沸点醇和水组成,高沸点醇在高沸点醇预处理液中的体积比以ml:ml计为大于5小于等于20%,酸作为催化剂、其在高沸点醇预处理液中的浓度为0.05~1.00mol/L,预处理温度170~210°C,预处理时间15~45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离,得固体基质;

[0015] (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将步骤(2)预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用纯度为88wt%的高沸点醇溶剂对固体基质进行第一段搅拌洗涤,所述的88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值ml:g计为4~8,搅拌速度为80~150r/min,洗涤时间为10~60min,重复洗涤I~3次后,用去离子水进行第二段搅拌洗涤,去离子水与固体基质以体积和质量的比值ml: g计为4~8,搅拌速度为80~200r/min,洗涤时间为10~60min,重复洗漆I~2次;然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗漆液进行分尚;

[0016] (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为5~15wt%,盘磨转速为1800~2600r/min,盘磨机中磨之间的间距为0.8~1.5mm,水温为20°C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0017] (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;纤维束固体基质底物浓度为2~8wt%,缓冲溶液为浓度为30~50mmol/L、pH值范围在4.5~5.5的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为40~50°C,摇动速度分别为150~250r/min,酶采用纤维素酶和纤维二糖酶,纤维素酶和纤维二糖酶用量分别为8~20FPU/g和12~30CBU/g绝干纤维素,所述的纤维素含量是指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比,酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将样品冷却并置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度。

[0018] 所述的步骤(1)所述 的竹材为2~3年生,削片后竹片的三维尺寸为30 X 15 X 5mm。

[0019] 所述高沸点醇为25°C、1个大气压下沸点为210°C以上的醇。

[0020] 所述的步骤(2)所述的酸催化剂选用甲酸、乙酸、柠檬酸、硫酸、盐酸、磷酸或硝酸。

[0021] 所述高沸点醇选用1,4- 丁二醇、丙三醇、1,3-丙二醇、1,4-戊二醇、1,3_戊二醇、1,5-戊二醇或其两两组合。

[0022] 上述任一所述的预处理方法用于处理竹材纤维原料来提高其纤维素酶水解的转化率和经酶水解获得可发酵葡萄糖的回收率。

[0023] 为实现本发明的目的,采用的更具体的技术方案是:

[0024] 本发明所述的一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,包括如下步骤:

[0025] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0026] (2)酸催化的高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为4~8 (高沸点醇预处理液的体积和竹片原料质量的比值,ml:g),高沸点醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为大于5小于等于20% (%指体积百分比,酸作为催化剂在预处理液中的浓度为0.05~1.00mol/L,预处理温度170~210°C,预处理时间15~45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0027] (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为4~8 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的新鲜高沸点醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗涤,搅拌速度为80~150r/min,洗漆时间为10~60min,重复洗漆I~3次后,用液固比为4~8 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为80~200r/min,洗涤时间为10~60min,重复洗涤I~2次;然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0028] (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为5~15% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为1800~2600r/min,盘磨机中磨之间的间距为0.8~1.5mm,水温约为200C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0029] (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:以纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2~8% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为30~50mmol/L的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为40~50°C,摇动速度分别为150~250r/min,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Novozymel88)用量分别为8~20FPU/g和12~30CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,将取出的样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成后迅速测定样品中葡萄糖的浓度。

[0030] 为进一步实现本发明目的,所述高沸点醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为5~20%,即大于5小于等于20%。`

[0031] 所述酸作为催化剂在预处理液中的浓度为0.05~1.0OmoI/Lο

[0032] 所述预处理温度为170~210°C。

[0033] 所述预处理时间为15~45min。

[0034] 所述用新鲜高沸点醇(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行搅拌洗涤的液固比为4~8 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml: g)。

[0035] 所述用水对固体基质进行搅拌洗涤的液固比为4~8(质量和体积的比值,g:ml)。

[0036] 所述固体基质在水中进行盘磨处理的浓度为5~15% (%指质量百分比,g:g)。

[0037] 所述盘磨处理的转速为转速为1800~2600r/min。

[0038] 所述盘磨机中磨之间的间距为0.8~1.5mm。

[0039] 所述酶水解过程中纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NovoZymel88)用量分别为8~20FPU/g和12~30CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比)。[0040] 本发明所述的有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,由上述步骤构成。

[0041] 相对于现有技术,本发明具有如下优点:

[0042] 高沸点醇预处理以高沸点醇/水作为溶剂体系,该溶剂体系可克服水相溶剂体系仅能溶解碳水化合物的水解产物(即低聚糖)得缺陷。当以无机或者有机酸作为催化剂,在一定温度和时间处理下,竹材中的半纤维素酸水解的降解产物直接溶入预处理液中,部分木素发生降解或者通过直接物理溶解而溶出到醇/水体系,从而在增加竹材中纤维素对酶的可及性的同时,防止了木素在酸性水溶液(如稀酸预处理)中通过缩合和反沉积降低竹材中纤维素对酶的可及性。另外,在宏观结构上,竹材外壁由大量的竹青组成,其不仅结构致密,而且表面含有大量的蜡质和抽出物。如果不能通过预处理大量去除竹青中的蜡质和抽出物,其将严重影响竹材预处理后固体基质中纤维素的酶水解转化率。虽然常规的稀酸和酸性亚硫酸盐预处理可大量移除绝大多数木质纤维原料中的半纤维素,稀碱法可大量移除绝大多数木质纤维原料中的木质素,增加固体基质中纤维素对酶的可及性,最终提高纤维素的酶水解转化率;但对于竹材而言,这些预处理的溶剂体系均难以去除竹材外壁竹青中的蜡质和抽出物,由于蜡质和抽出物的存在,最终对提高竹材中纤维素酶水解转化率的作用效果不佳。以高沸点醇/水作为溶剂体系的酸催化高沸点醇预处理不仅可克服低沸醇易挥发、造成设备压力过高和回收易于损失的缺陷,其还可在大量去除竹材中半纤维素和木素的同时,有效地起到抽提竹青中的蜡质和抽出物的作用,最终确保预处理后竹材中纤维素对酶的可及性、提高其酶水解产可发酵葡萄糖的效率。

[0043] 一定的预处理温度和时间,现有技术的稀酸、稀碱和酸性亚硫酸钠法处理竹材所得固体基质中纤维素的转化率均低于41%,葡萄糖的回收率则低于40% ;相同的预处理温度和时间下,经过反应 溶剂为低醇比例的高沸点醇预处理,竹材中纤维素酶水解的转化率可达到78%,葡萄糖的回收率达到64% ;经过10~50mmol/L的酸对髙沸醇预处理进行催化,更低的预处理温度,本发明竹材中纤维素酶水解的转化率可达到83%,葡萄糖的回收率达到74%。

[0044] 本发明所用高沸点醇预处理是从本质上改进髙沸点醇制浆的工艺条件,即将“利用高醇比例的反应溶液、经长时间反应去除木素”改为“利用低醇比例的反应溶液、酸催化短时间去除半纤维素”,以达到提高竹材中纤维素经酶解获得葡萄糖的最终目的。本发明所用高沸点醇预处理可同步高效移除竹材纤维原料中的绝大部分半纤维素和部分木素,同时还可有效去除竹材外壁竹青中的抽出物和其表面的蜡质,经高沸点醇预处理后竹材中纤维素经酶水解所得可发酵葡萄糖的回收率比以往酸性化学法预处理(包括稀酸、稀碱和酸性亚硫酸盐法)提高了 36~50%,比低沸点有机溶剂预处理(如甲酸、乙酸和乙醇/水)提高了10~15%。本发明利用酸催化高沸点醇预处理对竹材进行酶水解前的处理,不仅可提高竹材中纤维素经酶水解转化为可发酵糖的效率、降低预处理对热能的消耗和实现多次高效回收利用,还可避免预处理溶剂对设备的腐蚀、溶剂易于挥发导致反应器压力过高和回收过程发生较大流失、以及废液对环境造成污染的缺陷。

附图说明

[0045] 图1为本发明的实施例2所得高沸点醇预处理过程中1,4- 丁二醇的体积比对竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响图。

[0046] 图2为本发明的实施例4所得高沸点醇预处理温度对竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响图。

[0047] 图3为本发明的实施例5所得高沸点醇预处理时间对竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响图。

具体实施方式

[0048] 一、下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是,本发明的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。

[0049] 实施例1

[0050] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0051] (2)高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为6 (高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),高沸点醇1,4-丁二醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为10% (%指体积百分比,在预处理温度170~210°C区间内选取180°C做实验,其实验结果见表1所示,预处理时间25min,硫酸作为催化剂在预处理液中的浓度数值见表1,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0052] (3)髙沸醇制浆,其技术条件为:液固比为6(高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),高沸点醇1,4- 丁二醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为65% (%指体积百分比,在预处理温度170~210°C区间内选取180°C做实验,其实验结果见表1所示,预处理时间90min,硫酸作为催化剂在预处理液中的浓度数值见表1,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用`自来水冷却,然后300目的尼龙网将浆料和液体分离,然后将固体在疏解机中进行疏解,疏解浓度为10% (绝干浆料与水的质量百分比,g:g),疏解完成后,再次用300目的尼龙网将浆料和液体分离,经脱水后收集浆料于可封口的塑料袋中;

[0053] (4)髙沸醇预处理所得固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml: g)的新鲜高沸点醇1,4- 丁二醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗漆,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次后,用液固比为6 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗涤时间为60min,重复洗涤I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0054] (5)髙沸醇预处理所得固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为10% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为2000r/min,盘磨机中磨之间的间距为1.0mm,水温约为200C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0055] (6)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为50mmol/L、pH值为4.8的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为50°C,摇动速度分别为200rpm,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NOVOZymel88)用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度。

[0056] 实施例2

[0057] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0058] (2)高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为6 (高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),本发明添加的高沸点醇1,4- 丁二醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为O~100% (%指体积百分比,ml:ml)区间内选取0%、10%、20%、35%、40%、50%、65%、80%和100%做实验,其实验结果见图1所示,预处理温度190°C,预处理时间45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0059] (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的新鲜高沸点醇1,4- 丁二醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次后,用液固比为6(去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为lOOr/min,洗涤时间为60min,重复洗涤I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;`

[0060] (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为10% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为2000r/min,盘磨机中磨之间的间距为1.0mm,水温约为20°C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0061] (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为50mmol/L、pH值为4.8的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为50°C,摇动速度分别为200rpm,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NOVOZymel88)用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度,测试结果见图1。

[0062] 实施例3[0063] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0064] (2)高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为6 (高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),高沸点醇1,4-丁二醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为40% (%指体积百分比,在预处理温度170~210°C区间内选取190°C做实验,预处理时间45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0065] (3)稀硫酸、稀碱、酸性亚硫酸盐和乙醇/水预处理,其技术条件为:质量比为98%的浓硫酸在稀硫酸预处理液中的体积比为0.45%,氢氧化钠直接溶于水中作为稀碱预处理的预处理液,氢氧化钠与绝干竹片的质量比为10%,将浓硫酸和亚硫酸氢钠溶于水中作为酸性亚硫酸盐预处理的预处理液,质量比为98%的浓硫酸在酸性亚硫酸盐预处理液中的体积比为0.45%、亚硫酸氢钠与绝干竹片的质量比为8%,将乙醇直接溶于水中作为乙醇/水预处理的预处理液,质量比为95%的乙醇在乙醇/水预处理液中的体积比为40%,这四种预处理的液固比均为6 (预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml: g),在预处理温度170~210°C区间内均选取190°C做实验,预处理时间均为45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0066] (4)高沸点醇预处理所得固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的新鲜高沸点醇1,4- 丁二醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗漆,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次后,用液固比为6 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0067] (5)乙醇/水预处理所得固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (95wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml: g)的新鲜乙醇溶剂(纯度为95%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次后,用液固比为6 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为lOOr/min,洗涤时间为60min,重复洗涤I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0068] (6)稀酸、稀碱和酸性亚硫酸盐法预处理所得固体基质的洗涤,其技术条件为:用液固比为6 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0069] (7)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为10% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为2000r/min,盘磨机中磨之间的间距为1.0mm,水温约为20°C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;[0070] (8)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为50mmol/L、pH值为4.8的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为50°C,摇动速度分别为200rpm,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NOVOZymel88)用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度。

[0071] 实施例4

[0072] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0073] (2)高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为6 (高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),高沸点醇1,4-丁二醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为40%(%指体积百分比,在预处理温度170~210°C区间内选取170°C、180°C、190°C、200°C和210°C做实验,其实验结果见图2所示,预处理时间45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0074] (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的新鲜高沸点醇1,4- 丁二醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次后,用液固比为6 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为lOOr/min,洗涤时间为60min,重复洗涤I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

`[0075] (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为10% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为2000r/min,盘磨机中磨之间的间距为1.0mm,水温约为20°C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0076] (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为50mmol/L、pH值为4.8的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为50°C,摇动速度分别为200rpm,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NOVOZymel88)用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度,其测试结果见图2。[0077] 实施例5

[0078] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0079] (2)高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为6 (高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),高沸点醇1,4-丁二醇在预处理液(由醇和水组成)中的体积比为40% (%指体积百分比,预处理温度190°C,在预处理时间15~120min的区间内选取15min、30min、45min、60min、90min和120min做实验其实验结果见图3所示,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离;

[0080] (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的高沸点醇1,4- 丁二醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗涤,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗漆I次后,用液固比为6 (去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗涤,搅拌速度为lOOr/min,洗涤时间为60min,重复洗涤I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0081] (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为10% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为2000r/min,盘磨机中磨之间的间距为1.0mm,水温约为20°C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0082] (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为50mmol/L、pH值为4.8的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为50°C,摇动速度分别为200rpm,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NOVOZymel88)用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度,其测试结果见图3。

[0083] 实施例6

[0084] (I)选取2~3年生的竹材,采用削片机获得三维尺寸为30X 15X5mm的竹片,将其作为原料;

[0085] (2)酸催化的高沸点醇预处理,其技术条件为:液固比为6 (高沸点醇预处理液体积和竹片原料质量的比值,ml:g),各种酸作为催化剂在预处理液中的浓度数值见表3,高沸点醇种类见表3、其在预处理液(由醇和水组成)中的具体实验体积比(%指体积百分比,ml:ml)也见表3,在同样的预处理温度190°C和预处理时间45min下做实验,当预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离,上述各个实验获得的固体按下述同样的步骤进行;

[0086] (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用液固比为6 (88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的新鲜高沸点醇溶剂(纯度为88%,%指质量比)对固体基质进行第一段搅拌洗涤,搅拌速度为IOOr/min,洗涤时间为60min,重复洗涤I次后,用液固比为6(去离子水与固体基质以体积和质量的比值,ml:g)的去离子水进行第二段搅拌洗漆,搅拌速度为100r/min,洗漆时间为60min,重复洗涤I次,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离;

[0087] (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为10% (%指质量百分比,g:g),盘磨转速为2000r/min,盘磨机中磨之间的间距为1.0mm,水温约为20°C ;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质;

[0088] (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;底物浓度2% (%指质量百分比,g:g),缓冲溶液为50mmol/L、pH值为4.8的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为50°C,摇动速度分别为200rpm,纤维素酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为Celluclastl.5L)和纤维二糖酶(购自中国上海Sigma-Aldrich公司,商品名为NOVOZymel88)用量分别为15FPU/g和22.5CBU/g绝干纤维素(纤维素含量指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比),酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将冷却样品置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度。

[0089] 二、效果测试

[0090] 1、髙沸醇制浆和髙沸醇预处理方法对竹材纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率产生影响的比较

[0091] 对于髙沸醇制浆而`言,如申请号为200710050372.5的中国发明专利《结合生物质炼制的植物纤维原料制浆方法》和申请号为02157689.0的中国发明专利《高沸醇溶剂制备纤维素及木质素的方法》,其主要目的是尽可能将植物纤维原料中的木质素与碳水化合物进行分离的过程。木素可溶于含髙沸醇的溶剂中,醇在水中的比例越高,其溶解木素的溶解度也越大。因此,在髙沸醇制浆过程中,为了尽可能的除去植物纤维原料中的木素,其所使用的蒸煮液中髙沸醇的比例一般较高,通常在50%以上,蒸煮时间也较长。当达到特定脱木素率时,大量半纤维素和少量纤维素发生不可避免的降解,最终溶入到预处理液中。对利用实施例1所得竹材中三大组分保留量、酶水解转化率和葡萄糖回收率进行了测定,结果如表1所示。从中可以看出,在180°C和15mmol/L的硫酸用量下,当1,4-丁二醇在水中的体积比为65%,反应时间长达90min时,脱木素率达到95%,20%左右的纤维素和80%的半纤维素则发生了降解,最终粗浆得率为42.5%。

[0092] 对于髙沸醇预处理而言,其主要目的是在尽可能提高纤维素酶水解转化为可发酵葡萄糖转化率的同时,最大限度的保留纤维素于固体基质中,最终确保经酶水解获得葡萄糖的回收率较高。植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木素组成,三者相互连接而成为三维立体的网状结构,部分移除木素和半纤维素中任意一种、或者部分移除这两种均可打破这种致密的三维网状结构,提高固体基质中纤维素对酶的可及性,最终提高纤维素酶解转化为可发酵糖的转化率。但从髙沸醇制浆的实验结果中可以看出,由于木素较难移除,为了大量移除木素来减少后续漂白过程中污染漂白剂的使用量,髙沸醇蒸煮的时间一般较长,最终纤维素不可避免的发生了大量的降解。即使最终浆料中纤维素酶水解转化率较高,但由于预处理过程中纤维素的损失,最终葡萄糖的回收率较低。如表1所示,如采用髙沸醇制浆的工艺条件来制备可发酵糖,所得浆料中纤维素的酶水解转化率为91.32%,比髙沸醇预处理约高出I个百分点。但由于髙沸醇制浆过程中,纤维素损失了 20%左右,最终葡萄糖的回收率仅为74.5%,比高沸点醇预处理低了约12个百分点。

[0093] 而植物纤维原料中纤维素酶水解转化率的高低主要取决于固体基质中纤维素对酶可及性的高低。从植物纤维原料的天然连接结构出发,纤维素主要直接与半纤维素相连,或者说纤维素与半纤维素形成关联结构的比例比木素更高。与此同时,与木素溶于高沸点醇预处理液的难以程度相比,半纤维素为无定形结构,其非常易于发生酸性水解而断裂,最终也易于溶入含大量水的髙沸醇预处理液中。因此,针对半纤维素和木素在由髙沸醇和水组成的溶剂体系中的反应和溶解特性、以及植物纤维原料中半纤维素或者木素含量与纤维素对酶可及性的关系,髙沸醇预处理的目的则主要是在最大限度减少纤维素降解的同时,尽可能提高半纤维素的移除率来达到提高纤维素对酶的可及性,即达到最终提高经酶水解获得葡萄糖回收率的目的。针对这一目的,髙沸醇预处理则主要应提供半纤维素水解的反应介质和条件,即比髙沸醇制浆稍微高的酸催化剂浓度,但处理时间短。

[0094] 表1髙沸醇制浆和髙沸醇预处理方法对竹材纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响

Figure CN103266148BD00141

[0096] 从生物炼制的角度出发,髙沸醇制浆从废液中回收木素的回收率为58.21% (基于原料中木素含量),髙沸醇预处理则可从酶水解残余固体中回收酶解木素,其回收率可达到74.25% (基于原料中木素含量),比髙沸醇制浆高出16.04%。另外,髙沸醇预处理废液中木糖的回收率也达到54.56%,比髙沸醇制浆高出12.42%。由此可见,髙沸醇预处理对竹材全组分的利用效率更高。

[0097] 总体而言,髙沸醇预处理和髙沸醇制浆的目的和调控方式均不同。从木素和半纤维素在由髙沸醇和水组成的溶剂体系中的反应特性,以及植物纤维原料中木素和半纤维素含量与纤维素对酶可及性之间的关系,本专利通过开发含有低醇比例的髙沸醇/水溶剂体系、短的预处理时间和稍高的酸催化剂浓度对植物纤维原料进行预处理,达到有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率和竹材全组分高效回收利用的目的。

[0098] 2、预处理液中髙沸醇的体积比对竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响

[0099] 在无催化剂存在的情况下,为了进一步验证实施例1通过实验结果所得出的结论,对利用实施例2所得竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率进行了测定,结果如图1所示。可以看出,当固定预处理温度和时间分别为190°C和45min时,增加高沸点醇预处理液中1,4-丁二醇的比例,竹材中纤维素的转化率呈现先上升后下降的变化趋势。当I, 4- 丁二醇的比例从0%增加到10%时,竹材中纤维素的转化率大约从46%提高到78%,葡萄糖的回收率大约从32%提高到64%。

[0100] 但由高体积比1,4- 丁二醇组成的醇/水预处理溶剂体系则不利于半纤维素的酸性水解以及水解后降解产物的溶出性能。理论上讲,高醇比例的髙沸醇预处理溶剂体系应当更促进木素的溶出,但当大量半纤维素未发生降解时,竹材仍然较为致密,木素大分子的断裂反应及小分子碎片经物理溶出过程中的扩散和传质性能均受到较大的影响,最终木素和半纤维素的移除率均较低。因此,当1,4-丁二醇的比例从20%继续增加到100%时,竹材中纤维素的转化率大约从74%降低到6%,葡萄糖的回收率也大约从64%降低到6%。

[0101] 由此可见,如采用髙沸醇制浆的策略,即通过高醇比例的蒸煮液和长时间反应来尽可能去除木素,最终竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率均比低醇比例的预处理液和短时间反应进行处理所得的竹材纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率低。从而,再次证实如下结论:髙沸醇预处理和髙沸醇制浆的目的和调控方式均不同,采用髙沸醇预处理所对应的工艺和控制策略可有效提高竹材纤维素酶水解的效率。

[0102] 3、不同预处理方法对竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响

[0103] 在使用相同预处理温度和预处理时间的情况下,对利用实施例3所得竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率进行了测定,结果如表2所示。实施例3中所选用的预处理温度和时间、化学品用量以及有`机溶剂用量均为稀硫酸、稀碱、酸性亚硫酸盐和乙醇/水预处理应用于木材和部分非木材原料所使用的、可使木材原料纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率分别达到75%和65%以上的典型条件。然而,从表2中可以看出,当稀硫酸、稀碱和酸性亚硫酸盐应用于竹材原料时,竹材中纤维素的酶水解转化率均低于41%,相对应的葡萄糖回收率则均低于39%。虽然乙醇/水预处理可使竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率分别达到45.28%和40.23%,但仍然比髙沸醇预处理分别低了 11.1%和14.75。由此可见,在提高竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率方面,髙沸醇预处理是一种有效的预处理方法。

[0104] 表2不同预处理应用于提高竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率效果的比较

[0105]

Figure CN103266148BD00161

[0106] 这可能主要是由于以下几点原因造成的:(I)竹片从外向内依次为竹青、竹肉和竹黄,竹青表面主要是由木素、抽出物和蜡质等组成,其严重阻碍了化学药品(如酸、碱和离子等)的扩散和传质速率,在一定温度和时间范围内,竹片中纤维素向酶的暴露程度则较低,所以稀酸、稀碱和酸性亚硫酸盐法预处理所得竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率均较低;(2)由水和醇组成的反应溶液一方面可水解半纤维素和溶解木素,另一方面还可起到抽提竹青表面抽出物和蜡质的作用,最终提高了纤维素向酶的暴露程度,所以乙醇/水预处理和髙沸醇预处理所得竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率均比稀酸、稀碱和酸性亚硫酸盐法预处理的高;(3)由于乙醇的沸点较低,在190°C的反应温度下,其部分醇溶剂均蒸发到反应器的气相部分,能起到抽提作用的醇的比例则比髙沸醇预处理过程中醇的比例低,所以髙沸醇预处理所得竹材中纤维素酶水解转化率和葡萄糖回收率又比乙醇/水预处理稍高。

[0107] 因此,综合而言,从各种预处理应用于竹材的不同效果出发,从本质上改进髙沸醇制浆的工艺条件,即将“利用高醇比例的反应溶液、经长时间反应去除木素”改为“利用低醇比例的反应溶液、酸催化短时间去除半纤维素”,以达到提高竹材中纤维素经酶解获得葡萄糖的最终目的。结合实施例1的结果可以看出,髙沸醇预处理不断可将竹材中纤维素转变为比纸浆附加值高的可发酵糖,而且其分离和回收半纤维素和木素的效率也比髙沸醇制浆工艺要高。

[0108] 4、无催化剂高沸点醇预处理温度和时间对竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响`

[0109] 为了充分考察髙沸醇预处理温度对竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响,在此不添加催化剂,对利用实施例4所得竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率进行了测定,结果如图2所示。可以看出,增加高沸点醇预处理的温度,竹材中纤维素的转化率可显著提高。当高沸点醇预处理温度从170°C增加到210°C时,竹材中纤维素的转化率大约从8%提高到71%。但过高的温度会使竹材中部分纤维素在高沸点醇预处理过程中发生水解而降解溶出到预处理液中,导致酶水解产可发酵葡萄糖的回收率并不一定随着预处理温度的提高而一直升高。当高沸点醇预处理温度从170°C增加到190°C时,竹材中纤维素经酶水解产可发酵葡萄糖的回收率大约从8%提高到55% ;当高沸点醇预处理温度继续从190°C增加到210°C时,虽然纤维素转化率一直提高,但葡萄糖回收率基本不变。

[0110] 为了充分考察髙沸醇预处理时间对竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响,在无催化剂存在的情况下,对利用实施例5所得竹材中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率进行了测定,结果如图3所示。可以看出,当预处理温度固定在190°C时,增加高沸点醇预处理的时间,竹材中纤维素的转化率不断提高。当高沸点醇预处理时间从15min增加到120min时,竹材中纤维素的转化率大约从8%提高到80%。但时间过长的高沸点醇预处理会使竹材中部分纤维素在髙沸醇预处理过程中发生水解而降解溶出到预处理液中,导致酶水解产可发酵葡萄糖的回收率并不一定随着预处理温度的提高而一直升高。当高沸点醇预处理时间从15min增加到45min时,竹材中纤维素经酶水解产可发酵葡萄糖的回收率大约从8%提高到55% ;当高沸点醇预处理时间继续从45min延长到120min时,虽然纤维素转化率一直提高,但葡萄糖回收率仅从55%增加到58%。

[0111] 综合可知,在无催化剂的情况下,就预处理的最终目的(即提高竹材纤维素经酶解获得葡萄糖的回收率)而言,髙沸醇预处理较适宜的温度和时间分别为190°c和45min,即一定温度下的短时间处理。从而再次证实,髙沸醇预处理是不同于髙沸醇制浆的工艺、控制策略和最终所需达到的目的。

[0112] 5、酸催化对竹材髙沸醇预处理过程中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响

[0113] 在酸催化剂存在的情况下,对利用实施例6所得各自实验结果中的竹材纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率进行了测定,结果如表3所示。可以看出,当加入甲酸、乙酸、柠檬酸和硫酸作为催化剂时,相比于无催化剂的高沸点醇预处理,竹材中纤维素的酶水解转化率均有所提高;除190°C的甲酸作为催化剂的高沸点醇预处理外,竹材中纤维素经酶水解获得可发酵葡萄糖的回收率也均有所增加。当在预处理液中添加0.10mol/L的甲酸、

1.0moI/L的乙酸、0.05mol/L的柠檬酸和0.05mol/L的硫酸、且预处理温度为170°C时,竹材中纤维素的酶水解转化率从未加酸催化髙沸醇预处理的6.3%分别提高到16.4%、14.9%、36.1%和83.3%,葡萄糖回收率从未加酸催化高沸点醇预处理的6.4%分别提高到17.0%、

17.3%,32.8%和74.2%。这说明,硫酸的确具有显著的催化效果。

[0114] 在相同四种酸用量时,当预处理温度为190°C时,甲酸、乙酸、柠檬酸和硫酸所得竹材中纤维素的酶水解转化率均比170 °C预处理的高,但相对于未处理的竹材,其最高提高30%左右;甲酸催化所得葡萄糖的回收率比未处理低,这可能主要是由于部分纤维素在预处理过程中发生降解;其它酸催化所`得葡萄糖的回收率最高仅提高15%左右。而对于170°C硫酸催化的髙沸醇预处理而言,尽管竹材中纤维素的转化率比190°C硫酸催化高沸点醇预处理低4%,但葡萄糖回收率比其高出14%。这也是由于,酸催化的高温预处理在提高纤维素对酶的可及性方面与低温处理基本相同,但高温酸催化使得纤维素的降解比低温时严重,最终葡萄糖回收率较低。

[0115] 由此可见,相对于未添加酸催化剂的情况,酸(无机酸或有机酸)催化的髙沸醇预处理能在更低的预处理温度下达到有效提高竹材中纤维素酶水解产可发酵糖效率的目的,本发明竹材中纤维素酶水解的转化率可达到83%,葡萄糖的回收率达到74%。

[0116] 表3酸催化对竹材高沸点醇预处理过程中纤维素的酶水解转化率和葡萄糖回收率的影响

[0117]

Figure CN103266148BD00181

[0118] 本发明对于高沸点醇,如I,4- 丁二醇、丙三醇、I,3-丙二醇、I,4-戊二醇、I,3-戊二醇、1,5-戊二醇或两两组合等等同样做了上述实验,从实验结果来看,均获得同样的结论,竹材中纤维素酶水解的转化率`可达到80%以上,葡萄糖的回收率可达到74%以上。

Claims (5)

1.一种有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,包括如下步骤: (1)选取竹材,采用削片机获得竹片,将其作为原料; (2)酸催化的高沸点醇预处理,将步骤(1)制得的竹片原料放入到置于油浴反应器中的小罐内所装有的高沸点醇预处理液中,其技术条件为:竹片原料质量和高沸点醇预处理液的比值以g: ml计为4~8,高沸点醇预处理液由高沸点醇和水组成,高沸点醇在高沸点醇预处理液中的体积比以ml: ml计为大于5%小于等于20%,酸作为催化剂、其在高沸点醇预处理液中的浓度为0.05~1.00mol/L,预处理温度17(T210°C,预处理时间15~45min,预处理完成后,立即将油浴反应器中的小罐取出,用自来水冷却,然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上过滤,将固体和液体分离,得固体基质; (3)固体基质的洗涤,其技术条件为:将步骤(2)预处理后的固体基质置于一个大烧杯中,用纯度为88wt%的高沸点醇溶剂对固体基质进行第一段搅拌洗涤,所述的88wt%的高沸点醇溶剂与固体基质以体积和质量的比值ml: g计为1-8,搅拌速度为8(Tl50r/min,洗涤时间为l(T60min,重复洗涤f 3次后,用去离子水进行第二段搅拌洗涤,去离子水与固体基质以体积和质量的比值ml: g计为4~8,搅拌速度为8(T200r/min,洗漆时间为l(T60min,重复洗涤广2次;然后在垫有双层滤纸的布氏漏斗上将固体基质和洗涤液进行分离; (4)固体基质的盘磨处理,其技术条件为:将洗涤后的固体基质在盘磨机上进行处理,以降低固体基质中纤维束的尺寸,固体基质在水中的浓度为5~15wt%,盘磨转速为180(T2600r/min,盘磨机中磨之间的间距为0.8^1.5mm,水温为20°C;盘磨处理完成后,用一个400目的帆布袋将纤维束和液体进行离心脱水分离,获得较小尺寸的纤维束固体基质; (5)盘磨处理后的纤维束固体基质的酶水解,其技术条件为:将纤维束固体基质作为底物,将其装入带橡皮塞的三角瓶,然后将三角瓶置于恒温摇床中进行酶水解;纤维束固体基质底物浓度为2~8wt%,缓冲溶液为浓度为3(T50mmOl/L、pH值范围在4.5~5.5的醋酸-醋酸钠溶液,摇床中空气温度为4(T50°C,摇动速度为15(T250r/min,酶采用纤维素酶和纤维二糖酶,纤维素酶和纤维二糖酶用量分别为8~20FPU/g和12~30CBU/g绝干纤维素,所述的纤维素含量是指固体基质中纯纤维素的绝干质量百分比,酶水解时间为72h,过程中定时取样,取样量为0.5ml,取出样品迅速置于沸水浴中对纤维素酶和纤维二糖酶进行灭活处理,处理时间15min,然后将样品冷却并置于4°C的冰箱中保存,三天取样完成迅速测定葡萄糖浓度。
2.根据权利要求1所述的有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,其特征在于:步骤(1)所述的竹材为2~3年生,削片后竹片的三维尺寸为30mmX 15mmX5mm。
3.根据权利要求1或2所述的有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,其特征在于:所述高沸点醇为25°C、1个大气压下沸点为210°C以上的醇。
4.根据权利要求1或2所述的有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,其特征在于:步骤(2)所述的酸催化剂选用甲酸、乙酸、柠檬酸、硫酸、盐酸、磷酸或硝酸。
5.根据权利要求1或2所述的有效提高竹材纤维素酶水解产可发酵糖效率的预处理方法,其特征在于:所述高沸点醇选用1,4- 丁二醇、丙三醇、1,3-丙二醇、1,4-戊二醇、`1,3-戊二醇、1,5-戊二醇或其两两组合。
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