CN103757073A - 一种利用竹纤维素制备葡萄糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从竹纤维素制备葡萄糖的方法，属于木质纤维素利用技术领域。该方法以竹为原料，采用间歇式反应器进行水热处理，通过控制反应的升温速率、最高反应温度（220～240℃）以及降温速率实现竹纤维素预处理，预处理后的样品采用酶水解制备得到葡萄糖。该发明具有过程简单环保、易于控制的特点，具有较好的应用前景。预处理后竹纤维素酶水解生成葡萄糖的转化率可提高3.7倍，实现了竹资源的高效利用。

Description

一种利用竹纤维素制备葡萄糖的方法

技术领域

本发明涉及一种利用竹纤维素制备葡萄糖的方法，属于木质纤维素预处理技术领域。

技术背景

随着化石资源短缺问题的日益凸显，木质纤维素制备能源越来越受到重视。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素以及一些其他少量组分组成。竹作为一种重要的木质纤维素资源，开发竹材制备生物燃料对保障我国能源安全具有重要意义。

在制备生物乙醇或者生物丁醇过程中，需要制备可用于发酵的葡萄糖。木质纤维素的纤维素、半纤维素和木质素通过化学键以及特殊作用力形成了非均一结构，阻碍了各组分的降解。为克服木质纤维素中纤维素的抗降解屏障，需要采用预处理破坏木质纤维素的结构，从而有利于制备葡萄糖。从木质纤维素制备葡萄糖的主要步骤包括预处理和酶水解。目前，预处理是制备葡萄糖过程中成本最高的一个步骤。常用的预处理方式有物理法、化学法和生物法等。物理法主要采用蒸汽爆破，存在能耗较高、处理效果差的缺点。化学处理主要采用酸处理、碱处理、有机溶剂处理等。酸处理一般采用稀酸在高温条件下进行，存在设备腐蚀和副产物多的不足；碱处理效果较好，但需要中和处理，增加了运行成本。有机溶剂处理存在着溶剂成本高，回收系统复杂，易燃易爆等缺点。生物法处理虽然条件温和，环境污染小，设备要求低，但处理周期较长，且效果比物理法差。水热处理采用水作为溶剂处理木质纤维素，在高温下，水电离生成的H+和木质纤维素生成的有机酸电离生成的H+均具有催化降解木质纤维素的作用，有利于木质纤维素的后续转化利用。中国发明专利CN102604121A采用水热法——高沸醇处理两步法，制备得到木糖、高纯纤维素、以及不含硫的高纯木质素。中国发明专利CN101798584A采用连续式水热法提高纤维素的酶水解以及转化制备乙醇，处理温度170～230℃，所用设备相对复杂，不易控制。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用竹纤维素制备葡萄糖的方法，采用间歇式反应釜，通过控制升温速率、最高温度以及降温速率，实现竹中大部分半纤维素溶出、少量木质素溶出，所得样品采用纤维素酶水解制备得到葡萄糖，使制备过程环境友好且条件可控，。

本发明提出的利用竹纤维素制备葡萄糖的方法，包括以下步骤：

（1）将颗粒度为20～80目的竹粉与水按质量比1:10混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至220～240℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤后，过滤得到的滤渣，滤渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品，以水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶，使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液，使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液置于恒温摇床，摇床转速为150转/分钟，反应温度50℃，反应时间72～96小时，得到葡萄糖。

本发明提出的利用竹纤维素制备葡萄糖的方法，其优点是：

（1）本发明采用的溶剂是水，与酸、碱、有机溶剂相比，成本较低，生成过程不对环境构成污染，因而具有环保性；水不易燃烧和爆炸，对设备腐蚀性极低，水的回收利用成本较低。

（2）本发明通过控制升温速率及降温速率实现了控制反应强度因子，生产过程易于控制，反应后半纤维素溶出率可达100%，竹纤维素酶水解转化率可提高3.7倍。

（3）本发明利用竹为原料水解制备葡萄糖，避免了使用玉米、小麦等粮食制备葡萄糖，对保障粮食安全具有重要意义。

（4）本发明工艺简单、操作简易，具有广泛的应用前景。

具体实施方式

本发明提出的一种利用竹纤维素制备葡萄糖的方法，包括以下步骤：

（1）将颗粒度为20～80目的竹粉与水按质量比1:10混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至220～240℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤后，过滤得到的滤渣，滤渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品，以水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶，使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液，使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液置于恒温摇床，摇床转速为150转/分钟，反应温度50℃，反应时间72～96小时，得到葡萄糖。

下面介绍本发明方法的实施例：

实施例1：

（1）取颗粒度为20～80目的竹粉，依据美国国家可再生能源实验室方法（NREL，TP-510-42618）测定其化学成分。竹粉主要成分为纤维素43.44%，半纤维素29.56%，木质素27.53%。将20g竹粉与200g水混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至220℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤过滤得到的残渣，残渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品。水热处理样品得率为66.43%，主要组分为纤维素61.76%，半纤维素3.34%，木质素34.76%。取0.5g水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液放入锥形瓶中，并置于恒温摇床，摇床转速150转/分钟，反应温度50℃，反应时间72小时，得到葡萄糖。依据美国国家可再生能源实验室方法测定得到纤维素生成葡萄糖的转化率，表明竹纤维素处理前生成葡萄糖的转化率为15.23%，处理后的转化率为41.89%，提高1.8倍。

实施例2：

（1）取颗粒度为20～80目的竹粉，依据美国国家可再生能源实验室方法（NREL，TP-510-42618）测定其化学成分。竹粉主要成分为纤维素43.44%，半纤维素29.56%，木质素27.53%。将20g竹粉与200g水混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至220℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤过滤得到的残渣，残渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品。水热处理样品得率为66.43%，主要组分为纤维素61.76%，半纤维素3.34%，木质素34.76%。取0.5g水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液放入锥形瓶中，并置于恒温摇床，摇床转速150转/分钟，反应温度50℃，反应时间96小时，得到葡萄糖。依据美国国家可再生能源实验室方法测定得到纤维素生成葡萄糖的转化率，表明竹纤维素处理前生成葡萄糖的转化率为17.31%，处理后的转化率为47.16%，提高1.7倍。

实施例3：

（1）取颗粒度为20～80目的竹粉，依据美国国家可再生能源实验室方法（NREL，TP-510-42618）测定其化学成分。竹粉主要成分为纤维素43.44%，半纤维素29.56%，木质素27.53%。将20g竹粉与200g水混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至240℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤过滤得到的残渣，残渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品。水热处理样品得率为55.91%，主要组分为纤维素59.14%，半纤维素0%，木质素40.57%。取0.5g水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液放入锥形瓶中，并置于恒温摇床，摇床转速150转/分钟，反应温度50℃，反应时间72小时，得到葡萄糖。依据美国国家可再生能源实验室方法测定得到纤维素生成葡萄糖的转化率，表明竹纤维素处理前生成葡萄糖的转化率为15.23%，处理后的转化率为72.16%，提高3.7倍。

实施例4：

（1）取颗粒度为20～80目的竹粉，依据美国国家可再生能源实验室方法（NREL，TP-510-42618）测定其化学成分。竹粉主要成分为纤维素43.44%，半纤维素29.56%，木质素27.53%。将20g竹粉与200g水混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至240℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤过滤得到的残渣，残渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品。水热处理样品得率为55.91%，主要组分为纤维素59.14%，半纤维素0%，木质素40.57%。取0.5g水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液放入锥形瓶中，并置于恒温摇床，摇床转速150转/分钟，反应温度50℃，反应时间96小时，得到葡萄糖。依据美国国家可再生能源实验室方法，测定得到本发明纤维素生成葡萄糖的转化率，表明竹纤维素处理前生成葡萄糖的转化率为17.31%，处理后的转化率为81.16%，提高3.7倍。

Claims (1)

1.一种利用竹纤维素制备葡萄糖的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）将颗粒度为20～80目的竹粉与水按质量比1:10混合，放入间歇式耐压反应釜中，密封后开动搅拌，搅拌转速为150转/分钟，采用电热炉加热反应釜，以5℃/分钟的加热速率从室温加热至220～240℃，然后采用冷凝水以23℃/分钟的冷却速率迅速冷却至80℃，随后自然冷却至室温，得到反应混合物；

（2）将上述反应混合物过滤，用20℃水洗涤后，过滤得到的滤渣，滤渣在室温下风干48小时，得到水热处理产品，以水热处理产品为底物，在底物中加入纤维素酶，使得每克底物中的纤维素酶含有20个滤纸酶活单位，然后加入pH值为4.8的乙酸钠-乙酸缓冲溶液，使得底物在缓冲溶液中的质量百分比浓度为2%，将上述混合液置于恒温摇床，摇床转速为150转/分钟，反应温度50℃，反应时间72～96小时，得到葡萄糖。