CN103627753A

CN103627753A - 一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法

Info

Publication number: CN103627753A
Application number: CN201310563111.9A
Authority: CN
Inventors: 何玉财; 龚磊; 王茜; 张跃; 王利群; 卿青; 陆婷; 吴殷琦; 吴昊; 张哲蓉
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法，属于微生物技术领域。在1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([Mmim]DMP)-盐酸-水预处理体系中，在110-130℃下对木薯渣厌氧发酵残渣进行溶解预处理15-90min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，加入乙酸-乙酸钠缓冲液形成混合体系，然后用纤维素酶进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解木薯渣厌氧发酵残渣的目的。利用稀盐酸辅助[Mmim]DMP预处理木薯渣厌氧发酵残渣，实现了木薯渣厌氧发酵残渣的高值化利用，还原糖产率>40%。本发明工艺简单，具有效率高、过程经济、三废少等优点。

Description

一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法

技术领域

本发明公开了一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理（盐酸辅助1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐[Mmim]DMP预处理）及糖化方法，属于化学工程领域。

背景技术

木薯是世界3大薯类之一，全球年产量在1.3亿吨以上。木薯经深加工后产生大量富含纤维素的废弃物—木薯渣，其通常用于动物饲料或回田，甚至直接焚烧，这些处理方法不仅浪费木质纤维素资源，还会造成环境的污染问题。厌氧发酵木薯渣生产生物气（例如，甲烷）是高效利用木薯渣的一种途径。然而，形成的残渣仍含有大量的木质纤维素。如不经合理处理，残渣仍会对环境造成污染。因此，对木薯渣生物气残渣的木质纤维素高效糖化可为生物燃料的生产提供廉价的原料。

然而，纤维素的不溶解性和高晶体结构导致其很难被生物体利用。因此，纤维素原料的有效预处理方法越来越受到人们的关注。近年来，木质纤维素预处理技术的研究很多，主要的预处理技术有物理法、化学法、物理化学联合法和生物法，但其总体上存在能耗和成本高、环境污染等问题。

近十几年来，离子液体作为新型的“绿色溶剂”，具有不易氧化、不易挥发、溶解能力强和稳定性较高的特点，因而受到广泛地关注和研究。此外，离子液体无毒环保和可回收利用的性能，可减少环境污染。据研究表明，离子液体溶解纤维素而不使其发生衍生化，直接破坏了纤维素大分子结构中的氢键，使其比表面积增大，有利于纤维素酶的吸附与水解。据报道，由于高纯离子液体对纤维素的溶解能力很强。在溶解预处理过程中，与离子液体接触的部分纤维素很快地溶解，从而形成了溶解的纤维素浆液包裹着未溶解的纤维素的状态，使得内层纤维素未完全溶解，因而存在溶解不均匀现象。可见，减少离子液体的用量、降低预处理体系的粘度并实现纤维素原料的高效预处理是值得选择的技术。

我们课题组发现利用离子液体1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([Mmim]DMP)水溶液与少量盐酸的混合液作为预处理试剂，可大大提高木薯渣生物气残渣糖化率，减少离子液体的用量。同时。该预处理方法不仅可以减小离子液体[Mmim]DMP的粘性，还可以使纤维素充分膨胀而溶解更完全，更加高效地预处理纤维素原料。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是公开一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理（盐酸辅助[Mmim]DMP预处理）及糖化方法，实现木薯渣厌氧发酵残渣的高效糖化。

本发明的一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法，按照如下步骤进行：

在110-130 ℃下在[Mmim]DMP-盐酸-水预处理体系对木薯渣厌氧发酵残渣进行溶解预处理15-90 min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pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，木薯渣厌氧发酵残渣纤维素原料最终质量浓度为5%，然后用终质量浓度为0.3%的纤维素酶（Sigma, C-2730）进行酶解，在50 ℃和180 rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解木薯渣厌氧发酵残渣的目的。

其中[Mmim]DMP-盐酸-水预处理总体系与木薯渣厌氧发酵残渣的质量比为15：1。

其中[Mmim]DMP-盐酸-水预处理体系中的质量组成如下：

1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([Mmim]DMP) 75.5-90份、

盐酸 0.5-5份、

水 9.5-19.5份。

本发明的有益效果：

本发明的一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理（盐酸辅助1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐[Mmim]DMP预处理）及糖化方法。预处理体系中添加一定浓度的盐酸及[Mmim]DMP，木薯渣厌氧发酵残渣达到较好的预处理效果。预处理木薯渣厌氧发酵残渣具有过程经济、三废少等优点。

附图说明

图1 木薯渣厌氧发酵残渣预处理前后扫描电子显微镜(SEM)图，a为未处理， b为预处理。

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%/木薯渣厌氧发酵残渣浓度。

实施例1质量终浓度0.5%的盐酸辅助[Mmim]DMP预处理木薯渣厌氧发酵残渣

预处理体系中，2 g干燥的木薯渣厌氧发酵残渣利用90% (w/w) 的[Mmim]DMP、0.5% (w/w)的盐酸、9.5% (w/w)的水混合液在130 ℃下溶解预处理15 min后，加入去离子水洗涤再生，得到再生纤维素原料。再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，残渣纤维素原料最终质量浓度为5%，然后用终质量浓度为0.3%的纤维素酶（Sigma, C-2730）进行酶解，在50 ℃和180 rpm的恒温摇床上振荡反应72 h，还原糖产率为40.8%。

实施例2质量终浓度5%的盐酸辅助[Mmim]DMP预处理木薯渣厌氧发酵残渣

预处理体系中，2 g干燥的木薯渣厌氧发酵残渣利用75.5% (w/w) 的[Mmim]DMP、5% (w/w)的盐酸、19.5% (w/w)的水混合液在110 ℃下溶解预处理90 min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乙酸-乙酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，残渣纤维素原料最终质量浓度为5%，然后用终质量浓度为0.3%的纤维素酶（Sigma, C-2730）进行酶解，在50 ℃和180 rpm的恒温摇床上振荡反应72 h，还原糖产率为42.6%。2 g干燥的木薯渣厌氧发酵残渣加入pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，残渣纤维素原料最终质量浓度为5%，然后用终质量浓度为0.3%的纤维素酶进行酶解，在50 ℃和180 rpm的恒温摇床上振荡反应72 h，还原糖产率为30.3%。由图1(a)和图1(b)可知，纤维素结构疏变得更疏松，可能其高级结构被破坏，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，从而进一步提高了木薯渣厌氧发酵残渣的糖化率。

Claims

1. 一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法，其特征在于按照如下步骤进行：

在110-130 ℃下在1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([Mmim]DMP)-盐酸-水预处理体系对木薯渣厌氧发酵残渣进行溶解预处理15-90 min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pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50 mM)形成混合体系，木薯渣厌氧发酵残渣纤维素原料最终质量浓度为5%，然后用终质量浓度为0.3%的纤维素酶进行酶解，在50 ℃和180 rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解木薯渣厌氧发酵残渣的目的。

2.根据权利要求1所述的一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法，其特征在于其中[Mmim]DMP-盐酸-水预处理总体系与木薯渣厌氧发酵残渣的质量比为15：1。

3.根据权利要求1所述的一种木薯渣厌氧发酵残渣的预处理及糖化方法，其特征在于其中[Mmim]DMP-盐酸-水预处理体系中的质量组成如下：

1,3-二甲基咪唑磷酸二甲酯盐([Mmim]DMP) 75.5-90份、

盐酸 0.5-5份、

水 9.5-19.5份。