CN103421863B - 一种提高生物质酶解糖化效果的预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种提高生物质酶解糖化效果的预处理方法，该方法利用过氧化物预处理使木质素发生降解或从生物质原料中剥离下来，保留绝大部分纤维素和半纤维素，然后利用钢铁酸洗废液预处理使固体原料中的半纤维素充分水解，剩余为高纤维素含量的残渣，其中的纤维素具有极好的酶解性能，可有效减少纤维素酶的用量，且能大大缩短酶解时间，从而降低了酶解糖化的成本；同时，预处理过程中可以得到高产率的半纤维素转化的可溶性糖，可以用于能源或化工产品的生产等用途，进而提高了生物质的转化和综合利用率。
Description
技术领域
本发明涉及生物质预处理，具体涉及一种生物质酶解糖化或其它生物炼制预处理方法。
背景技术
在国际原油价格不断上调、国内对石油需求量日益大增的情况下，生物乙醇作为可再生能源成为政府重点推广的新型能源。由于木质纤维素类生物质中富含纤维素和半纤维素，并可降解成可发酵的葡萄糖和木糖等，如果以来源丰富，价格低廉，再生性强的生物质为原料进行生物乙醇的生产，不但避免了由粮食乙醇所带来的“与人争粮”的问题，同时还还为木纤维素类废弃物提供了很好的利用途径。因此，农作物秸秆等木质纤维素类废弃物被认为生物乙醇生产最具潜力的原料，受到世界各国相关专家学者的广泛关注。
由于木质纤维素的结构具有复杂稳定的特点，在利用其为原料生产乙醇的工艺中，预处理是提高原料酶解性能的先决条件，而且由于预处理能够影响到整个生物转化过程的各个工段(包括原料前处理、酶解、发酵、产物分离、废物处理和副产物的生成等)而被认为是木质纤维素乙醇生产过程的最关键步骤。因此，寻求高效、低成本的预处理技术就成为秸秆产业化生产生物乙醇的关键。
目前的预处理工艺多使用单一的技术，如酸预处理或蒸汽爆破仅去除半纤维素，碱预处理去除木质素和部分半纤维素，无法同时实现纤维素与半纤维素和木质素的有效分离，预处理后的纤维素固体部分在后续酶解糖化时纤维素酶的使用量大，糖化效率低，致使生产木质纤维素乙醇的成本居高不下，且无法实现木质纤维素资源的充分有效利用等缺陷。因此，如何有效将木质纤维素中的半纤维素和木质素与纤维素有效分离，降低预处理过程能耗，减少抑制物的产生，对于提高预处理过程的经济性，降低木质纤维素乙醇的生产成本，推动木质纤维素乙醇的工业化生产具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能提高生物质酶解糖化效果的预处理方法。该方法采用过氧化物与钢铁酸洗废液联合预处理的方法，分步破坏木质素和半纤维素的结构，然后进行酶解糖化，通过对糖化液中的还原糖的分析测定，发现在较少纤维素酶用量的情况下，预处理后的纤维素糖化率高。本预处理方法可有效提高木质纤维素的酶解糖化效果，且减少了纤维素酶的用量，从而提高用木质纤维素生物质原料生产木质纤维素乙醇的效率，降低生产成本。
本发明的技术方案为：
一种提高生物质酶解糖化效果的预处理方法，包括以下步骤：
（1）低温预处理：向含水量为0-6%的木质纤维素类生物质加入过氧化物溶液，在20-80℃下浸泡10～300min，过滤分离，得到水解液A和湿渣A；其中，木质纤维素类生物质与过氧化物溶液质量比为1:7～30；
（2）钢铁酸洗废液处理：将步骤（1）过滤分离得到的湿渣A在80～150℃下，加入经过稀释3-10倍的钢铁酸洗废液浸泡，时间为2～120min，固液分离，得到水解液B和湿渣B；其中，湿渣A与经过稀释的钢铁酸洗废液的质量比为1:5-20；
（3）洗涤：将步骤（2）得到的湿渣B用常温去离子水洗涤，其中，去离子水与湿渣B的质量比为30-50:1，洗涤后过滤分离，共洗涤3次，得到洗涤液和湿渣C，完成生物质的预处理。
所述的过氧化物为H2O2、Na2O2或CaO2。
所述的过氧化物溶液的质量百分比浓度为0.5-20%。
所述的钢铁酸洗废液为经过过滤后的盐酸酸洗废液、硫酸酸洗废液和硝酸酸洗废液中的任一种，所述的钢铁酸洗废液主要包含有0.05-5g/L H+、60-250g/L Fe2+和1.5-5.0g/L Fe3+。
所述的木质纤维素类生物质为农作物秸秆、木屑、甘蔗渣或禾草。
经过本发明的预处理方法得到的水解液A、B和洗涤液中含有单糖或低聚糖，可用于生物炼制；得到的的湿渣C以纤维素为主要成分，可直接用于分别糖化与发酵工艺、同步糖化发酵工艺、同步糖化共发酵和直接微生物转化工艺这四种常用的木质纤维素乙醇生产工艺流程，生产木质纤维素乙醇或其它生物基产品。
本发明所述预处理方法基于木质纤维素类生物质中半纤维素、纤维素、木质素三组分的不同物理化学特性及结构特点，利用过氧化物预处理使木质素发生降解或从生物质原料中剥离下来，保留绝大部分纤维素和半纤维素，然后利用钢铁酸洗废液预处理使固体原料中的半纤维素充分水解，剩余为高纤维素含量的残渣，其中的纤维素具有极好的酶解性能，可有效减少纤维素酶的用量，且能大大缩短酶解时间，从而降低了酶解糖化的成本；同时，预处理过程中可以得到高产率的半纤维素转化的可溶性糖，可以用于能源或化工产品的生产等用途，进而提高了生物质的转化和综合利用率。
与现有技术相比，本发明提供的方法具有以下优点：
（1）通过过氧化物溶液和钢铁酸洗废液对秸秆中的木质素和半纤维素分步去除，固体中纤维素回收率在90%以上，且在提高剩余固体中纤维素含量的同时，也有效改善了纤维素的酶解性能，与传统稀酸法相比，经本法预处理的纤维素酶解糖化液中还原糖浓度可提高20%左右，而纤维素的酶解率可高达95%。
（2）由于钢铁酸洗废液对半纤维素的水解效果很好，可以降低反应条件，在较低的温度下可实现半纤维素100%水解去除，且溶液中的半纤维素糖回收率可高达96%。
（3）实现了钢铁酸洗废液的有效利用，在降低预处理试剂成本的同时也实现了废液的有效利用。
（4）相对于高温或高压预处理，本发明预处理条件较为温和，所需能耗低，且预处理过程中可溶性糖降糖较少或几乎不产生糠醛等发酵抑制剂。
（5）以该处理方法为基础建立的工艺路线具有很高的灵活性，可实现乙醇和木糖联产，与生产单一燃料乙醇产品相比，经济效益显著增加。
具体实施方式
本发明所述方法首先将木质纤维素类生物质粉碎至40目，然后利用过氧化物溶液进行第一步预处理，主要去除木质素，固液分离后收集的固体部分以纤维素和半纤维素为主要成分；第一步处理得到的固体部分利用钢铁酸洗废液进行二次处理，固液分离，水解液主要含有戊糖及低聚戊糖等半纤维素水解产物，固体部分主要成分为纤维素；预处理所得水解液中的可溶性糖，可用于能源或化工产品的生产等用途；第二步水解得到的固体残渣经洗涤后进行酶解糖化得到糖化液，糖化液添加营养成分后即可用于乙醇发酵。
下面结合实施例对本发明进一步说明。但本发明的保护范围不能认为仅局限于下述具体实施方式。在不脱离本发明构思的基础上所作的任何改进、简单推演或同等替换方案，均属本发明的保护范围。
实施例中采用的钢铁酸洗废液来自某钢铁企业不锈钢毛坯原件酸洗过程产生的盐酸酸洗废液（主要含有0.45g/L H+、196.9g/L Cl-、150.0g/L Fe2+、1.5g/L Fe3+及2.8g/L Ni2+）、硝酸酸洗废液（主要含有4.20g/L H+、450.9g/L NO3 -、79.6g/L Fe2+、3.20g/L Fe3+及1.3g/L Ni2+）或硫酸酸洗废液（主要含有2.50g/L H+、368.9g/L SO4 2-、193.6g/L Fe2+、4.60g/L Fe3+及2.2g/L Ni2+），取来钢铁酸洗废液均经过快速滤纸过滤后用于预处理过程。
实施例：1
本发明提出了一种提供生物质酶解性能的预处理方法——两步变温处理法，本发明可通过如下方法实施：
将粉碎至40目的玉米秸秆粉（含水率为3.2%）作为原料，称取200.00g H2O2溶液（质量百分比浓度为3%）加入到装有20.00玉米秸秆粉的具塞螺口瓶内，密闭后，在恒温振荡器内(转速度为100r/min，温度为60℃)反应4h，对反应后的混合物进行固液分离，得到水解液A和湿渣A，完成第一步预处理；称取稀释6倍后的盐酸酸洗废液90.00g加入到装有10.00g湿渣A的具塞螺口瓶内，密闭后，在高压蒸汽灭菌锅中，130℃下蒸煮60min，冷却后对混合物进行固液分离，得到水解液B和湿渣B，完成第二步预处理；将第二步处理后得到的8.72g湿渣B每次用300.00g的常温去离子水洗涤5min，将洗涤后的残渣用滤布与洗涤液分离，共洗涤3次，洗去湿渣B中的可溶性水解产物，得到洗涤液和湿渣C；利用LabAlliance高效液相色谱仪（色谱柱为BioRad Aminex HPX-87H，柱温65℃，流动相为5mmol/LH2SO4溶液，流速为0.60ml/min进样量为20μL）测得水解液A、B和洗涤液中总的可溶性半纤维素糖的产率为92%，糠醛浓度为0.02g/L；称取洗涤后得到的湿渣C8.00g在150mL的锥形瓶中进行酶水解，采用的纤维素酶制剂由纤维素酶和β-葡聚糖酶酶组成（其比例为11:5），纤维素酶制剂的用量为18FPU/（g湿渣），用去离子水和醋酸/醋酸钠缓冲溶液（醋酸：冰醋酸6ml，定容至1000ml；醋酸钠：称取8.2g醋酸钠，溶解后定容至1000ml，然后按体积比4:6混合得到）调节至固液质量比为1:8，并使初始酶解液的pH为4.8，将锥形瓶具塞后于48℃恒温振荡器（HNY-2102C）内酶解48h，酶解完成后，采用H1650台式高速离心机将酶解液进行离心分离，取其上清液利用Lab Alliance高效液相色谱仪（色谱柱为BioRad Aminex HPX-87H，柱温65℃，流动相为5mmol/L H2SO4溶液，流速为0.60ml/min进样量为20μL）进行定量分析，测得糖化液中还原糖浓度为79.8g/L，纤维素酶解率为95%。
通过本实施例的实施，预处理过程中半纤维素转化率高，得到了含有高浓度可溶性糖的水解液，可用于能源或化工产品的生产等用途，酶解糖化得到的糖化液中还原糖浓度高，糖化液在后续乙醇发酵时可以获得高浓度的乙醇，有利于降低乙醇蒸馏的成本。
实施例2：
将碎至40目的甘蔗渣粉（含水率为3.1%）作为原料，称取180.00g Na2O2溶液（质量百分比浓度为10%）加入到装有20.00木薯渣粉的具塞螺口瓶内，密闭后，在恒温振荡器内(转速度为100r/min，温度为80℃)反应6h，对反应后的混合物进行固液分离，得到水解液A和湿渣A，完成第一步预处理；称取稀释8倍后的硫酸酸洗废液90.00g加入到装有10.00g湿渣A的反应器（PCF02-10/TA2磁力搅拌反应釜，搅拌速度为300r/min）内，密闭后，在150℃下反应10min，反应完毕后取出反应器在冰水浴中进行冷却，冷却后对反应后的混合物进行固液分离，得到水解液B和湿渣B，完成第二步预处理；将第二步处理后得到的8.86g湿渣每次用300.00g的常温去离子水洗涤5min，将洗涤后的残渣用滤布与洗涤液分离，洗涤三次，洗去湿渣B中的可溶性水解产物，得到洗涤液和湿渣C；利用Lab Alliance高效液相色谱仪（色谱柱为BioRad Aminex HPX-87H，柱温65℃，流动相为5mmol/L H2SO4溶液，流速为0.60ml/min进样量为20μL）测得水解液A、B和洗涤液中总的可溶性半纤维素糖的产率为94%，糠醛浓度为0.07g/L；称取洗涤后得到的湿渣C8.00g在150mL的锥形瓶中进行酶水解，采用的纤维素酶制剂由纤维素酶和β-葡聚糖酶酶组成（其比例为11:5），纤维素酶制剂的用量为20FPU/（g湿渣），用去离子水醋酸/醋酸钠缓冲溶液（醋酸：冰醋酸6.00ml，定容至1000ml；醋酸钠：称取8.20g醋酸钠，溶解后定容至1000ml，然后按体积比4:6混合得到）调节至固液质量比为1:10，并使初始酶解液的pH为4.8，将锥形瓶具塞后于48℃恒温振荡器（HNY-2102C）内酶解36h。酶解完成后，采用H1650台式高速离心机将酶解液进行离心分离，取其上清液利用Lab Alliance高效液相色谱仪（色谱柱为BioRad AminexHPX-87H，柱温65℃，流动相为5mmol/L H2SO4溶液，流速为0.60ml/min进样量为20μL）进行定量分析，测得糖化液中还原糖浓度为52.8g/L，纤维素酶解率为95%。
实施例3
将粉碎至40目的油菜秆粉（含水率为3.5%）作为原料，称取200.00g H2O2溶液（质量百分比浓度为2%）加入到装有20.00油菜秆粉的具塞螺口瓶内，密闭后，在恒温振荡器内(转速度为100r/min，温度为80℃)反应4h，对反应后的混合物进行固液分离，得到水解液A和湿渣A，完成第一步预处理；称取稀释10倍后的硝酸酸洗废液90.00g加入到装有10.00g湿渣A的具塞螺口瓶内，密闭后，在高压蒸汽灭菌锅中，110℃下蒸煮60min，冷却后对混合物进行固液分离，得到水解液B和湿渣B，完成第二步预处理；将第二步处理后得到的8.26g湿渣B每次用300.00g的常温去离子水洗涤5min，将洗涤后的残渣用滤布与洗涤液分离，共洗涤3次，洗去湿渣B中的可溶性水解产物，得到洗涤液和湿渣C；利用Lab Alliance高效液相色谱仪（色谱柱为BioRad Aminex HPX-87H，柱温65℃，流动相为5mmol/L H2SO4溶液，流速为0.60ml/min进样量为20μL）测得水解液A、B和洗涤液中总的可溶性半纤维素糖的产率为94%，糠醛未检测到；称取洗涤后得到的湿渣C7.50g在150mL的锥形瓶中进行酶水解，采用的纤维素酶制剂由纤维素酶和β-葡聚糖酶酶组成（其比例为11:5），纤维素酶制剂的用量为15FPU/（g湿渣），用去离子水和醋酸/醋酸钠缓冲溶液（醋酸：冰醋酸6ml，定容至1000ml；醋酸钠：称取8.2g醋酸钠，溶解后定容至1000ml，然后按体积比4:6混合得到）调节至固液质量比为1:8，并使初始酶解液的pH为4.8，将锥形瓶具塞后于48℃恒温振荡器（HNY-2102C）内酶解48h，酶解完成后，采用H1650台式高速离心机将酶解液进行离心分离，取其上清液利用Lab Alliance高效液相色谱仪（色谱柱为BioRad AminexHPX-87H，柱温65℃，流动相为5mmol/L H2SO4溶液，流速为0.60ml/min进样量为20μL）进行定量分析，测得糖化液中还原糖浓度为78.2g/L，纤维素酶解率为94%。
实施例4：
本实施例采用粉碎至40目的桉木木屑（含水率为4.3%）作为原料，采用15%的过氧化钙溶液进行第一步预处理，其它条件同实施例1，经过两步预处理，并对洗涤后得到的湿渣C进行酶解糖化，得到的糖化液中还原糖浓度为50.2g/L，纤维素酶解率为74%。
实施例5:
本实例采用小粉碎至40目的小麦秸秆粉（含水率为3.7%）作为原料，采用5%的H2O2进行第一步预处理，其它条件同实施例2，经过两步预处理，并对洗涤后得到的湿渣C进行酶解糖化，得到的糖化液中还原糖浓度为70.6g/L，纤维素酶解率为94%。
Claims (3)
1.一种提高生物质酶解糖化效果的预处理方法，其特征为包括以下步骤：
(1)低温预处理：向含水量为0-6％的木质纤维素类生物质加入过氧化物溶液，在20-80℃浸泡10～300min，过滤分离，得到水解液A和湿渣A；其中，木质纤维素类生物质与过氧化物溶液质量比为1:7～30；
(2)钢铁酸洗废液处理：将步骤(1)过滤分离得到的湿渣A在80～150℃下，加入经过稀释3-10倍的钢铁酸洗废液浸泡，时间为2～120min，固液分离，得到水解液B和湿渣B；其中，湿渣A与经过稀释的钢铁酸洗废液的质量比为1:5-20；
(3)洗涤：将步骤(2)得到的湿渣B用常温去离子水洗涤，其中，去离子水与湿渣B的质量比为30-50:1，洗涤后过滤分离，共洗涤3次，得到洗涤液和湿渣C，完成生物质的预处理；
所述的过氧化物为H2O2、Na2O2或CaO2；
所述的钢铁酸洗废液为经过过滤后的盐酸酸洗废液、硫酸酸洗废液和硝酸酸洗废液中的任一种，所述的钢铁酸洗废液主要包含有0.05-5g/L H+、60-250g/L Fe2+和1.5-5.0g/L Fe3+。
2.如权利要求1所述的提高生物质酶解糖化效果的预处理方法，其特征为所述的过氧化物溶液的质量百分比浓度为0.5-20％。
3.如权利要求1所述的提高生物质酶解糖化效果的预处理方法，其特征为所述的木质纤维素类生物质为农作物秸秆、木屑、甘蔗渣或禾草。
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| 无机金属盐和过氧化物对酸处理玉米秸秆纤维素和半纤维素降解的影响;贾飞等;《食品工业科技》;20111231;第32卷(第10期);349-352 * |
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