CN103409482B - 柠檬酸配伍十二烷基硫酸钠辅助预处理玉米秸秆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明柠檬酸配伍十二烷基硫酸钠辅助预处理玉米秸秆的方法，属于化学工程领域。按照如下步骤进行：NMMO-柠檬酸-SDS-水预处理体系中，在95-130 °C下对玉米秸秆进行溶解预处理0.5-2 h后，加入去离子水洗涤再生得到纤维素原料；再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液形成混合体系，然后用纤维素酶进行酶解，在50 °C和160 rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解玉米秸秆的目的。利用柠檬酸配伍SDS辅助NMMO预处理玉米秸秆，实现了玉米秸秆的高值化利用，还原糖产率>63%。本发明工艺简单，具有效率高、过程经济、三废少等优点。

Description

柠檬酸配伍十二烷基硫酸钠辅助预处理玉米秸秆的方法

技术领域

本发明公开了一种利用柠檬酸配伍表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)辅助N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)预处理玉米秸秆的方法，属于化学工程领域。

背景技术

随着化石资源的逐渐枯竭，利用纤维素等可再生资源生产生物能源的研究越来越受到国内外研究者的关注。地球上的纤维素资源非常丰富，有效地利用纤维素资源对人类面临的能源危机有现实意义。纤维素结构复杂、具有较高的结晶度、纤维素内部存在大量的结晶结构以及分子间与分子内氢键，导致溶剂和反应试剂对纤维素的可及度很低，这已成为制约纤维素资源化利用的瓶颈。众所周知，木质素可降低纤维素酶的酶解效率：1)木质素可吸附纤维素酶，降低纤维素的酶解效率；2)木质素阻碍了纤维素酶接近纤维素和半纤维素，从而需要较长的反应时间获得高的糖化率。因此需要脱除或者改性木质素可以避免以上问题。然而，预处理技术（例如有机溶剂预处理方法）可以有效地脱除木质素。因此，纤维素原料糖化之前必须经过预处理。现有的预处理方法主要有物理、化学、生物等多种方法，或是上述方法的组合，其中化学法和物理法是各国研究者的研究重点。化学法预处理主要用碱、无机酸、有机溶剂和氧化剂等作为预处理试剂。在有机溶剂预处理过程中，使用有机溶剂或者有机溶剂与无机酸催化剂的混合溶液可破坏纤维原料内部的木质素和半纤维素之间的连接键。

近年来，环胺氧化物尤其是N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)被认为是相对比较有前途的有机溶剂用于纤维素的溶解。NMMO是一种脂肪族的环状叔胺氧化物，N-O键的极性很强，氧原子上的电子云密度很高，N-O之间形成了配价键，可破坏纤维素的氢键网络并且与溶质形成新的氢键，并且NMMO与纤维素不生成纤维素衍生物，因此NMMO作为预处理溶剂具有良好的应用前景。

另外，据报道表面活性剂可辅助脱除木质素，并可改变底物结构，进一步使酶与底物易接触。文献[Qing qing, et al. Bioresource Technology, 2010, 101: 5941–5951]报道了十二烷基硫酸配伍终质量比1%的稀硫酸在140–220 ^oC预处理纤维素原料，然而能耗较高。我们课题组建立了柠檬酸配伍十二烷基硫酸钠(SDS)辅助NMMO预处理技术，预处理温度在95-130 °C，明显提高了玉米秸秆的预处理及糖化效果。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是公开一种柠檬酸配伍表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)辅助N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)预处理玉米秸秆的方法，实现了玉米秸秆的高效酶解。

本发明的一种柠檬酸配伍SDS辅助NMMO预处理玉米秸秆的方法，按照如下步骤进行：

在含有85% (w/w)的NMMO、0.3%-5% (w/w)的SDS、0.3%-5% (w/w)的柠檬酸与5%-14.4% (w/w)的去离子水混合预处理体系中，在95-130 °C下对玉米秸秆进行溶解预处理0.5-2 h后，加入去离子水洗涤再生纤维素原料；再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，玉米秸秆纤维素原料最终质量浓度为2%，然后用终质量浓度为0.2%的纤维素酶进行酶解，在50 °C和160 rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解玉米秸秆的目的。

其中NMMO与玉米秸秆的质量比为20：1。

本发明的有益效果：

本发明的一种柠檬酸配伍表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)辅助N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）预处理玉米秸秆的方法。NMMO预处理体系中添加一定浓度的小分子有机羧酸及表面活性剂，玉米秸秆达到较好的预处理效果。预处理玉米秸秆具有过程经济、三废少等优点。

附图说明

图1 纤维素酶糖化预处理玉米秸秆结果；■ 还原糖；□ 葡萄糖。

图2 预处理前后玉米秸秆SEM图，其中A为未处理，B为NMMO+柠檬酸+SDS预处理。

具体实施方式

还原糖的含量用3,5-二硝基水杨酸（DNS）进行分析。还原糖产率=还原糖浓度×100%/玉米秸秆浓度。

葡萄糖的含量利用液相色谱（HPLC）分析。葡萄糖产率=葡萄糖浓度×100%/玉米秸秆浓度。

实施例1 柠檬酸(0.3%, w/w)配伍SDS (10%, w/w)辅助NMMO预处理玉米秸秆

在85% (w/w) NMMO、5% (w/w)柠檬酸、5% (w/w) SDS和5% (w/w) 去离子水混合预处理体系中，4 g干燥的玉米秸秆(NMMO与玉米秸秆的质量比为20：1)在130 °C下进行溶解预处理0.5 h后，加入去离子水洗涤再生。再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，玉米秸秆纤维素原料最终质量浓度为2%，然后用终质量浓度为0.2%的纤维素酶进行酶解，在50 °C和160 rpm的恒温摇床上振荡反应48 h，还原糖产率为为63.3%。

实施例2 柠檬酸(10%, w/w)配伍SDS (0.3%, w/w)辅助NMMO预处理玉米秸秆

在85% (w/w) NMMO、0.3% (w/w)柠檬酸、0.3% (w/w) SDS和14.4% (w/w) 去离子水混合预处理体系中，4 g干燥的玉米秸秆(NMMO与玉米秸秆的质量比为20：1)在95 °C下进行溶解预处理2 h后，加入去离子水洗涤再生。再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，玉米秸秆纤维素原料最终质量浓度为2%，然后用终质量浓度为0.2%的纤维素酶进行酶解，在50 °C和160 rpm的恒温摇床上振荡反应，糖化结果如图1所示，反应48 h，还原糖产率为68.3%，葡萄糖产率为35.8%。与未处理相比，预处理的玉米秸秆糖化率明显提高。如图2所示，玉米秸秆经SDS配伍柠檬酸辅助NMMO预处理后，结构疏变得更疏松，可能玉米秸秆的高级结构被破坏，使得纤维素表面或内部有更多的接触位点暴露出来，更易于纤维素酶的吸附及酶解，从而提高了玉米秸秆的糖化率。

Claims (1)

1.柠檬酸配伍SDS辅助NMMO预处理玉米秸秆的方法，其特征在于按照如下步骤进行：

在以质量比计含有85% 的NMMO、0.3%-5% 的SDS、0.3%-5%的柠檬酸与5%-14.4% 的去离子水混合预处理体系中，在95-130 °C下对玉米秸秆进行溶解预处理0.5-2 h后，加入去离子水洗涤再生纤维素原料；再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8，浓度为50 mM的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液形成混合体系，玉米秸秆纤维素原料最终质量浓度为2%，然后用终质量浓度为0.2%的纤维素酶进行酶解，在50 °C和160 rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解玉米秸秆的目的；

其中NMMO与玉米秸秆的质量比为20：1。