CN103589762A - 一种提高油菜秸秆糖化效率的预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及木质纤维素原料的预处理方法，具体说是一种提高油菜秸秆糖化率的预处理方法，其包括将油菜秸秆粉碎成粗粉、对粗粉采用射线进行辐照处理、将辐照处理后的粗粉加入硫酸溶液中干燥、将干燥后的残渣酶解的步骤。本发明的方法充分利用了我国丰富的废弃油菜秆资源，为油菜资源的综合利用和可再生能源的开发提供了新的途径，不仅污染少、酶解效率高；而且糖化效果好、成本低、操作简单。

Description

一种提高油菜秸秆糖化效率的预处理方法
技术领域
本发明涉及木质纤维素原料的预处理方法，具体说是提高油菜秸秆糖化率的预处理方法。
背景技术
    油菜是一种纤维素含量丰富的木质纤维素材料，属于一年生草本植物，在我国南北方广为栽培，产量高。油菜秸秆可以代替传统的淀粉类和糖类作为发酵原料制备乙醇，同时在建筑、饲养、改土还田等领域都有广泛用途，其生态学价值和经济价值越来越受到科技工作者们的关注和重视。但作为木质纤维素原料制备燃料乙醇，其降解面临着一个难题，即油菜等天然植物纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，结构非常复杂。纤维素不仅被半纤维素和木质素所包裹，且其本身存在的高度结晶性使酶制剂很难与纤维素接触，直接影响后续的水解和发酵过程。因此，必须借助化学和物理的方法进行预处理，破坏纤维素—木质素—半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松性，以增加纤维素酶系与纤维素的接触面积，从而提高酶效率。预处理是最昂贵的步骤之一，而且对前面(如尺寸缩减) 和后续 (酶解和发酵 ) 处理所需的费用影响很大，一种好的预处理方法可以减少昂贵的酶的使用。
目前，预处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。物理法具有污染小、操作简单等优点，但能耗大，成本高，且效果欠佳。化学法是使用酸，碱，有机溶剂，氧化剂等一些化学试剂处理纤维素的一种方法。此方法所用酸碱用量大而回收率低，对环境污染严重，对设备要求高，通常产生大量副产物，对后续发酵过程产生影响。生物法设备简单、能耗低、无污染、条件温和，但微生物处理方法的一个最大缺点是处理周期长，而且许多微生物在分解木质素的同时也消耗部分纤维素和半纤维素。因此，迫切需要寻求一种更为经济有效、低污染的处理方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种可降低生产成本、减少环境污染且可提高糖化率的油菜秸秆预处理方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为： 一种提高油菜秸秆糖化率的预处理方法，其包括以下步骤：
    （1）将油菜秸秆粉碎成粗粉；
    （2）对上述粗粉采用射线进行辐照处理；
    （3）将辐照处理后的粗粉加入硫酸溶液中，并搅拌均匀，再进行水浴处理，冷却过滤，残渣水洗至中性后干燥；
（4）将干燥后的残渣加入柠檬酸—柠檬酸钠缓冲溶液中，然后加入纤维素酶，再在振荡的条件下酶解，最后收集滤液。
作为优选，步骤（1）中，首先将油菜秸秆清洗干净，在45—65℃条件下烘干3—7天，然后将秸秆长度粗切至0.5—10cm之间，再粉碎成20—40目的粗粉。
    作为优选，步骤（2）中的粗粉先装入白色玻璃瓶中，然后在自然室温条件下经60Co-γ射线辐照。   
作为优选，所述辐照剂量为200kGy—1000 kGy，辐射钴源强度为9.99×1015Bq，剂量率为2kGy/h。
作为优选，步骤（3）中，首先将辐照处理后的粗粉与0.1—4.5%的硫酸溶液按1：10—1：20的固液比混合，并搅拌均匀，然后于60—100℃水浴处理1.0—5.0小时，再冷却过滤，残渣水洗至中性后在45—65℃条件下干燥。
作为优选，步骤（4）中，首先将干燥后的残渣以1:20—1:30的固液比加入pH4.5—5.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，然后加入200-250FPU/g的纤维素酶，再在50℃—55℃、140 rpm—150rpm振荡的条件下酶解48—96小时，最后收集滤液。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
    1、本发明的方法充分利用了我国丰富的废弃油菜秆资源，为油菜资源的综合利用和可再生能源的开发提供了新的途径。
    2、污染少。因60Co-γ射线辐照处理属于物理预处理法，具有污染小的优点，且酸处理采用的浓度低，对环境污染少，对设备要求低，易于实现工业化生产。
    3、酶解效率高。采用辐照处理，可以降低纤维素结晶度，破坏纤维素、半纤维素和木质素结合层，再协同后续的酸处理，可通过改变基质的物理结构来增加基质与酶的接触面积，从而大大提高酶解效率，使酶解后还原糖含量高。
    4、糖化效果好。本发明酶解产物主要为葡萄糖和木糖，副产物少，对后续发酵过程抑制小。
    5、成本低。通过前面的预处理步骤，可以有效降低酶的用量，且无需另外添加其他辅助酶。
    6、操作简单。酸处理反应温度低，对设备要求低，易于实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的方法作进一步地详细说明：
本发明的方法包括以下步骤：
（1）将油菜秸秆粉碎成粗粉。通过粉碎可增加表面积，使物料颗粒大小均匀，有利于提高降解效率；
    （2）对上述粗粉采用射线进行辐照处理。利用适当剂量的60Co-γ射线辐照处理油菜秸秆，使得秸秆的表面结构受到破坏，木质纤维素之间的交联结构被打断，纤维素的聚合度下降，结晶度下降，增加其反应活性。
（3）将辐照处理后的粗粉加入硫酸溶液中，并搅拌均匀，再进行水浴处理，冷却过滤，残渣水洗至中性后干燥。本发明通过辅助温和的低温稀酸处理，使辐照和稀酸发生协同作用，进一步加快木质纤维素的降解。
（4）将干燥后的残渣加入柠檬酸—柠檬酸钠缓冲溶液中，然后加入纤维素酶，再在振荡的条件下酶解，最后收集滤液。结合纤维素酶的作用，使木质纤维素进一步被充分降解成为可发酵性糖，从而提高糖化率。详见具体实施例：
实施例1 
将风干的油菜秸秆粗切后粉碎至30目粉末，装入1000mL的白色玻璃瓶中，经60Co-γ射线辐照，剂量为800kGy，在自然室温条件下照射，辐射钴源强度为9.99×1015Bq，剂量率2kGy/h。所有辐照预处理实验均在湖南省辐照中心的60Co-γ射线辐照装置中完成。取上述经辐照后的粉末1克，按1:20的固液比加入0.5%的硫酸溶液，搅拌均匀，于80℃水浴处理1.5小时，冷却过滤，残渣水洗至中性后50℃干燥；取干燥后残渣1 克以1:25的固液比加入pH5.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入诺维信纤维素酶225FPU/g，50℃，150rpm振荡，酶解72小时，测得还原糖含量达401.44mg/g，葡萄糖含量达195.21mg/g,木糖含量达124.38 mg/g,纤维素降解率达51.78%，半纤维素的降解率达61.21%。
实施例2
将风干的油菜秸秆粗切后粉碎至20目粉末，装入1000mL的白色玻璃瓶中，经60Co-γ射线辐照，剂量为1000kGy，在自然室温条件下照射，辐射钴源强度为9.99×1015Bq，剂量率2kGy/h。所有辐照预处理实验均在湖南省辐照中心的60Co-γ射线辐照装置中完成。取上述经辐照后的粉末1克，按1:15的固液比加入1.1%的硫酸溶液，搅拌均匀，于90℃水浴处理2.0小时，冷却过滤，残渣水洗至中性后60℃干燥；取干燥后残渣1 克以1:30的固液比加入pH4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入诺维信纤维素酶250FPU/g，55℃，140rpm振荡，酶解96小时，测得还原糖含量达465.89mg/g，葡萄糖含量达227.27 mg/g,木糖含量达152.30 mg/g,纤维素降解率达60.24%，半纤维素的降解率达73.99%。
实施例3
将风干的油菜秸秆粗切后粉碎至40目粉末，装入1000mL的白色玻璃瓶中，经60Co-γ射线辐照，剂量为600kGy，在自然室温条件下照射，辐射钴源强度为9.99×1015Bq，剂量率2kGy/h。所有辐照预处理实验均在湖南省辐照中心的60Co-γ射线辐照装置中完成。取上述经辐照后的粉末1克，按1:10的固液比加入2.1%的硫酸溶液，搅拌均匀，于70℃水浴处理1.0小时，冷却过滤，残渣水洗至中性后45℃干燥；取干燥后残渣1 克以1:20的固液比加入pH4.5的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，再加入诺维信纤维素酶200FPU/g，50℃，145rpm振荡，酶解48小时，测得还原糖含量可达373.29mg/g，葡萄糖含量达171.34 mg/g,木糖含量达109.83 mg/g,纤维素降解率达47.34%，半纤维素的降解率达56.03%。
上述实施方式仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以作出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴。

Claims (6)

1.一种提高油菜秸秆糖化率的预处理方法，其包括以下步骤：
（1）将油菜秸秆粉碎成粗粉；
（2）对上述粗粉采用射线进行辐照处理；
（3）将辐照处理后的粗粉加入硫酸溶液中，并搅拌均匀，再进行水浴处理，冷却过滤，残渣水洗至中性后干燥；
    （4）将干燥后的残渣加入柠檬酸—柠檬酸钠缓冲溶液中，然后加入纤维素酶，再在振荡的条件下酶解，最后收集滤液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，首先将油菜秸秆清洗干净，在45—65℃条件下烘干3—7天，然后将秸秆长度粗切至0.5—10cm之间，再粉碎成20—40目的粗粉。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中的粗粉先装入白色玻璃瓶中，然后在自然室温条件下经60Co-γ射线辐照。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述辐照剂量为200kGy—1000 kGy，辐射钴源强度为9.99×1015Bq，剂量率为2kGy/h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，首先将辐照处理后的粗粉与0.1—4.5%的硫酸溶液按1：10— 1：20的固液比混合，并搅拌均匀，然后于60—100℃水浴处理1.0—5.0小时，再冷却过滤，残渣水洗至中性后在45—65℃条件下干燥。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中，首先将干燥后的残渣以1:20—1:30的固液比加入pH4.5—5.0的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，然后加入200—250FPU/g的纤维素酶，再在50℃—55℃、140 rpm—150rpm振荡的条件下酶解48—96小时，最后收集滤液。
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