CN103667390B - 一种高氯酸-乙二醇-水高效预处理玉米秸秆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高氯酸-乙二醇-水高效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：高氯酸-乙二醇-水预处理体系中，在110-130℃下对玉米秸秆进行搅拌预处理15-60min后，加入去离子水再生纤维素原料。再生的纤维素材料去离子水洗涤三次后，加入乙酸-乙酸钠缓冲液形成混合体系，用纤维素酶进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解糖化玉米秸秆的目的。利用高氯酸-乙二醇-水体系预处理玉米秸秆，实现了玉米秸秆的高效糖化，还原糖产率>65%。本发明工艺简单，具有效率高、过程经济、三废少等优点。
Description
技术领域
本发明公开了一种高氯酸-乙二醇-水高效预处理玉米秸秆的方法，属于化学工程领域。
背景技术
我国是一个农业大国，农作物纤维资源十分丰富，每年秸秆产量为7亿吨左右，其中玉米秸秆约为2.2亿吨，位于世界前列。然而，大部分的玉米秸秆未被合理地利用，纤维素类生物质是地球上最丰富、最廉价的可再生资源，若将其转化为液体燃料，即可极大的缓解化石能源紧缺的危机。因此，实现玉米秸秆的高值化利用，变废为宝，为人类可持续发展提供保障。
农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，结构复杂。由于纤维素自身紧密的晶状结构以及木质素和半纤维素的保护作用降低了酶制剂可接触性，使其高效转化为可发酵性糖面临困难。因此，必须对秸秆进行有效的预处理，实现纤维素、半纤维素、木质素等组分之间有效分离，并切断它们的氢键，破坏结晶结构，降低聚合度，使得纤维素的结构松散并暴露出来，从而提高酶解效率。现有的预处理方法主要有物理法、化学法、生物法等，或是以上方法的组合，其中化学法为研究的重点。常用的化学法预处理用无机酸、碱、氧化剂和有机溶剂等作为预处理试剂。在这些预处理试剂中，有机溶剂在预处理木质纤维素原料中具有很强的去木质素的能力，且可回收再利用，节约成本，因而被受到广泛关注。
高沸醇是木质素的良好溶剂，与纤维素原料加热反应时或在催化剂作用下进行预处理，使得半纤维素降解、断键，木质素溶出而与纤维素分离。并且，其高沸点的特点使得反应时产生的蒸汽压较低，无需耐高压设备，安全性高，比低沸点或易挥发的有机溶剂占优势。因此，高沸醇预处理纤维素原料是一个十分有前景的预处理方法。
本课题组发现利用乙二醇溶剂预处理玉米秸秆中，添加少量的高氯酸可大大提高预处理效果，糖化率明显提高，并且可降低乙二醇的黏度和用量，减少了实验操作难度，应用前景广阔。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种高氯酸-乙二醇-水高效预处理玉米秸秆的方法，提高了玉米秸秆的糖化效率。
本发明的一种玉米秸秆高效糖化的预处理方法，按照如下步骤进行：
（1）预处理及糖化玉米秸秆：
在110-130℃下，高氯酸-乙二醇-水预处理体系对玉米秸秆进行预处理15-60min后，加入去离子水再生纤维素原料；再生的纤维素材料经去离子水洗涤三次后，加入pH为4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液(50mM)形成混合体系，玉米秸秆基质终质量浓度为5%，最后用终质量浓度为0.3%纤维素酶（Sigma,C-2730）进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解糖化玉米秸秆的目的。
其中高氯酸-乙二醇-水预处理体系中的质量组成如下：
乙二醇75.5-90份、
高氯酸0.5-3份、
水9.5-21.5份。
其中高氯酸-乙二醇-水预处理总体系与玉米秸秆的质量比为15:1。
本发明的有益效果：
本发明的一种玉米秸秆高效糖化的预处理方法，预处理条件温和、过程经济、三废少等优点。玉米秸秆达到较好的预处理效果。
附图说明
图1为玉米秸秆预处理前后扫描电子显微镜(SEM)图，(a)为未处理的玉米秸秆，(b)为预处理的玉米秸秆；
图2为纤维素酶糖化预处理和未处理的玉米秸秆进程曲线。
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。
实施例1质量终浓度0.5%的高氯酸辅助乙二醇预处理玉米秸秆
预处理体系中，5g干燥的玉米秸秆利用0.5%(w/w)高氯酸、90%(w/w)乙二醇和9.5%(w/w)水混合液在130℃下预处理60min后，加入去离子水再生纤维素原料。再生的纤维素材料经去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50mM)形成混合体系，玉米秸秆基质最终质量浓度为5%，最后用终质量浓度为0.3%纤维素酶进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应72h，还原糖产率为67.1%。由图1(a)和图1(b)可知，经预处理后，玉米秸秆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，从而进一步提高了玉米秸秆的糖化率。
实施例2质量终浓度3%的高氯酸辅助乙二醇预处理玉米秸秆
预处理体系中，5g干燥的玉米秸秆利用3%(w/w)高氯酸、75.5%(w/w)乙二醇和21.5%(w/w)水混合液在110℃下预处理15min后，加入去离子水再生纤维素原料。再生的纤维素材料经去离子水洗涤三次后，加入pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50mM)形成混合体系，玉米秸秆基质最终质量浓度为5%，最后用终质量浓度为0.3%纤维素酶进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应72h，还原糖产率为79.0%（图2）。5g干燥的玉米秸秆原料加入pH=4.8乙酸-乙酸钠缓冲液(50mM)形成混合体系，玉米秸秆原料最终质量浓度为5%，然后用终质量浓度为0.3%纤维素酶进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应72h，还原糖产率为13.8%。
Claims (1)
1.一种玉米秸秆高效糖化的预处理方法，其特征在于按照如下步骤进行：
预处理及糖化玉米秸秆：
在110-130℃下，高氯酸-乙二醇-水预处理体系对玉米秸秆进行预处理15-60min后，加入去离子水再生纤维素原料；再生的纤维素材料经去离子水洗涤三次后，加入浓度为50mM、pH为4.8的乙酸-乙酸钠缓冲液形成混合体系，玉米秸秆基质终质量浓度为5%，最后用终质量浓度为0.3%纤维素酶进行酶解，在50℃和180rpm的恒温摇床上振荡反应，即可达到酶解糖化玉米秸秆的目的；
其中高氯酸-乙二醇-水预处理体系中的质量组成如下：
乙二醇75.5-90份、
高氯酸0.5-3份、
水9.5-21.5份；
其中高氯酸-乙二醇-水预处理总体系与玉米秸秆的质量比为15:1。
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