CN103555792A - 一种利用自由基预处理藻类的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，利用自由基预处理藻类的方法为将藻类进行干燥、粉碎、过筛、称重、醋酸～醋酸钠缓冲液浸泡以及向藻类浸泡液中加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液，最终获得所述藻类的混合处理液；其中，所述醋酸～醋酸钠缓冲液pH=4～6，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为2～40mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.003～0.06％。本发明所述整个预处理过程具有用时短、能耗低、操作简单、无抑制物、无腐蚀性物质、环境友好、对预处理设备要求低等优势，适用于藻类物质的大规模预处理。

Description

一种利用自由基预处理藻类的方法
技术领域
本发明涉及藻类加工领域，特别涉及一种利用自由基预处理藻类的方法，所述藻类预处理后可用于发酵燃料乙醇。
背景技术
藻类物质具有生长速度快，产量高，不依赖农业化肥农药，耕种土地等优势。藻类作为含有丰富的碳水化合物和微量的木质素的可再生资源，已经被认为第三代生物能源作物。利用藻类生产高附加产品及替代能源成为了未来研究的重点。
藻类的结构虽然相对疏松，但是藻类原料还是需要一个适当的预处理方式，使得其结构彻底瓦解，有利于纤维素和半纤维素充分暴露出来，更好地转化为替代能源。现有的针对藻类的预处理方式普遍采用稀酸高温处理，存在作用方式过于强烈，碳水化合物回收率低，副产物多，能耗大等诸多弊端。
鉴于上述描述，亟待有一种条件温和、环境友好、能源节约并且与藻类成分结构相适应的新型预处理方式的出现，从而可以实现藻类低成本、高效转化。
自然界中，生物体在利用木质纤维素的过程中已经形成了巧妙的类似于预处理的方式，如白腐菌，褐腐菌等木材降解菌和白蚁以纤维素类物质为食的动物体内，都存在非酶氧化机制，通过产生的羟自由基(·OH)攻击木质纤维素的抗降解屏障。本发明人基于生物仿生的原理，利用Fenton试剂模拟自由基产生，第一次运用到生物质预处理过程中。该新型预处理方式能够为实现藻类低成本，高效转化提供了一条全新的途径。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种利用自由基预处理藻类的方法，本发明方法反应条件温和，并且实现了对藻类低成本和高效率的转化处理。
本发明解决上述问题的技术方案是，一种利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，利用自由基预处理藻类的方法为将藻类进行干燥、粉碎、过筛、称重、醋酸～醋酸钠缓冲液浸泡以及向藻类浸泡液中加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液，最终获得所述藻类的混合处理液；
其中，所述醋酸～醋酸钠缓冲液pH=4～6，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为2～40mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.003～0.06％。
优选的是，所述利用自由基预处理藻类的方法包括以下步骤：
步骤一：将藻类干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述藻类使用10-100目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述藻类和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中藻类浸泡液中所述藻类的质量体积浓度为20～200g/L，备用；
步骤三：向所述藻类浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得藻类的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为2～40mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.003～0.06％。
优选的是，所述步骤一将粉碎后的所述藻类使用80-100目的标准筛子进行过筛处理。
优选的是，所述步骤二中所述容器中所述藻类的质量体积浓度为50～100g/L。
优选的是，所述步骤三中所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为5～20mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.005～0.05％。
优选的是，所述步骤三所述混合处理液可以直接加入纤维素酶或者酵母发酵液用于纤维素酶糖化或者同步糖化发酵。
优选的是，所述藻类为绿藻、红藻、褐藻和微藻中的一种或一种以上的组合物。
本发明的有益效果是本发明方法采用通过采用低浓度的FeSO4和H2O2混合反应产生的羟基自由基，利用自由基攻击破坏木质纤维素的氢键结构和木素结构，从而有选择性的破坏植物细胞壁，最大程度的保留了纤维素和半纤维素的含量，使得藻类纤维素的结晶度和氢键强度大幅降低，藻类中的碳水化合物回收率达到100％，藻类物质预处理后可及性提高，纤维素的转化率可以达到76.3％。本发明所述预处理方法用时短，条件温和，对设备无要求，无抑制物产生，可及度提高，纤维素的转化率可以达到。整个预处理过程快速，操作简单，适用于藻类物质的大规模预处理过程。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的利用自由基预处理藻类的方法进行详细描述，但不能将他们理解为对本发明保护范围的限定。
对比例
现有藻类预处理方法：
酸预处理：以巨藻为研究对象，取巨藻在65℃烘箱干燥24h，然后用粉碎机粉碎，使用100目标准筛子筛选获得小于100目的藻类样品。取2.5g藻类(干重)加入三角瓶中，加入50ml0.5％硫酸浸泡样品，100℃加热30min，取出并放置至室温、加入氢氧化钠中和至pH5.0。加入商业纤维素酶(T.reesei26921)，纤维素酶酶用量为15FPU/g底物，纤维素酶糖化实验在50℃，反应72h。
本发明所述藻类预处理的实施例：
实施例1
步骤一：将绿藻(如浒苔)干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述绿藻(如浒苔)使用40目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述绿藻(如浒苔)和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中绿藻(如浒苔)浸泡液中所述绿藻(如浒苔)的质量体积浓度为20g/L，备用；
步骤三：向所述绿藻(如浒苔)浸泡液依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得绿藻(如浒苔)的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为2mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.003％。
实施例2
步骤一：将红藻(如紫菜)干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述红藻(如紫菜)过筛，将粉碎后的所述红藻(如紫菜)使用60目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述红藻(如紫菜)和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中红藻(如紫菜)浸泡液中所述红藻(如紫菜)的质量体积浓度为50g/L，备用；
步骤三：向所述红藻(如紫菜)浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得红藻(如紫菜)的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为5mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.01％。
实施例3
步骤一：将褐藻(如巨藻)干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述褐藻(如巨藻)过筛，将粉碎后的所述褐藻(如巨藻)使用80目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述褐藻(如巨藻)和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中褐藻(如巨藻)浸泡液中所述褐藻(如巨藻)的质量体积浓度为80g/L，备用；
步骤三：向所述褐藻(如巨藻)浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得褐藻(如巨藻)的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为10mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.03％。
实施例4
步骤一：将微藻(如小球藻)干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述微藻(如小球藻)过筛，将粉碎后的所述微藻(如小球藻)使用100目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述微藻(如小球藻)和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中微藻(如小球藻)浸泡液中所述微藻(如小球藻)的质量体积浓度为100g/L，备用；
步骤三：向所述微藻(如小球藻)浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得微藻(如小球藻)的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为15mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.05％。
实施例5
步骤一：将等量的绿藻(如浒苔)和红藻(如紫菜)混合干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述绿藻(如浒苔)和红藻(如紫菜)的混合藻使用20目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述混合燥和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中混合燥浸泡液中所述混合燥的质量体积浓度为150g/L，备用；
步骤三：向所述混合燥浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得混合燥的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为30mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.06％。
实施例6
步骤一：将微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)按3∶7比例混合并干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)的混合藻使用10目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)浸泡液中所述微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)的质量体积浓度为200g/L，备用；
步骤三：向所述微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得微藻(如小球藻)和褐藻(如巨藻)的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为40mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.06％。
上述本发明所述实施例在结束预处理后的分别向所述混合处理液中加入15FPU/g底物的商业纤维素酶，在50℃水浴72h完成纤维素酶的糖化实验。
实验结果见表1：
实施例 葡萄糖的得率 藻类中纤维素的转化率
单位 g/g底物 ％
现有技术酸预处理 0.046 71.3％
本发明实施例1 0.089 52.6％
本发明实施例2 0.027 69.8％
本发明实施例3 0.049 76.3％
本发明实施例4 0.011 72.9％
本发明实施例5 0.059 57.1％
本发明实施例6 0.030 61.5％
根据表1中数据可得出：
实施例3和实施例4效果比较好，是优选条件，既本发明所述预处理方法的优选条件主要为：
所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为7.9～15.8mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.012～0.024％。
且本发明所述预处理方法反应条件温和、节能环保，在优选条件范围内预处理结果优于酸预处理方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，利用自由基预处理藻类的方法为将藻类进行干燥、粉碎、过筛、称重、醋酸～醋酸钠缓冲液浸泡以及向藻类浸泡液中加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液，最终获得所述藻类的混合处理液；
其中，所述醋酸～醋酸钠缓冲液pH=4～6，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为2～40mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.003～0.06％。
2.如权利要求1所述利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将藻类干燥至恒重，之后用粉碎机粉碎，将粉碎后的所述藻类使用10-100目的标准筛子进行过筛处理，备用；
步骤二：向容器中分别加入过筛后的所述藻类和醋酸～醋酸钠缓冲液，使所述容器中藻类浸泡液中所述藻类的质量体积浓度为20～200g/L，备用；
步骤三：向所述藻类浸泡液中依次加入硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液并不断进行常规搅拌，制得藻类的混合处理液，其中，所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为2～40mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.003～0.06％。
3.如权利要求2所述的利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，所述步骤一将粉碎后的所述藻类使用80-100目的标准筛子进行过筛处理。
4.如权利要求2所述的利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，所述步骤二中所述容器中所述藻类的质量体积浓度为50～100g/L。
5.如权利要求2所述的利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，所述步骤三中所述硫酸亚铁的添加量为使所述混合处理液中硫酸亚铁物质的量浓度为5～20mM，所述过氧化氢溶液的添加量为使所述混合处理液中过氧化氢的质量百分比浓度为0.005～0.05％。
6.如权利要求2所述的利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，所述步骤三所述混合处理液可以直接加入纤维素酶或者酵母发酵液用于纤维素酶糖化或者同步糖化发酵。
7.权利要求1～5任一项所述的利用自由基预处理藻类的方法，其特征在于，所述藻类为绿藻、红藻、褐藻和微藻中的一种或一种以上的组合物。
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