CN104131050B

CN104131050B - 一种秸秆的高效组合预处理方法

Info

Publication number: CN104131050B
Application number: CN201410372001.9A
Authority: CN
Inventors: 史锋; 李永富; 项和济
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: CN104131050A

Abstract

一种秸秆的高效组合预处理方法，采用臭氧处理方法结合球磨方法对秸秆进行高效组合预处理；具体包括两种方法：（1）先对粉碎后的秸秆进行臭氧预处理，然后进行球磨预处理；（2）先对粉碎后的秸秆进行球磨预处理，然后进行臭氧预处理。本发明将秸秆进行组合预处理后，经过水洗除酸和复合纤维素酶酶解，糖化率大幅提高。

Description

一种秸秆的高效组合预处理方法

技术领域

本发明涉及生物化工技术领域，尤其是涉及一种臭氧和球磨有效组合来预处理秸秆的方法。

背景技术

木质纤维素是最丰富、廉价的可再生资源。我国每年产生7亿多吨作物秸秆，

其中2亿吨被就地焚烧，不仅造成极大的资源浪费，而且严重污染环境，还会引起火灾隐患，因此如何高效利用这些木质纤维素成为了一个研究热点。相关文献已经报道，秸秆类木质纤维素在生物能源、生物饲料、生物肥料等领域都有很大的应用前景。在生物能源方面，它可以替代粮食作物作为生产第二代燃料乙醇的原料，经过酶解糖化和酿酒酵母的发酵转化，可以生产乙醇；在生物饲料方面，它可以作为乳酸菌发酵的原料，发酵生产富含益生菌和营养物质的生物饲料；在生物肥料领域，秸秆的酶解液同样可以作为胶质芽孢杆菌发酵的碳源，用于提高土壤中可溶性钾和磷的含量。

但是木质纤维素成分比较复杂，主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成。纤维素分子规则排列、聚焦成束，形成结晶结构。在纤维构架外充满了半纤维素和木质素，纤维素和半纤维素或木质素分子之间的结合主要依赖氢键，半纤维素和木质素之间除了氢键外还存在着化学键的结合，这些结构使得它不容易被纤维素酶酶解形成可被微生物利用的单糖或者寡糖。因此，木质纤维素在进行酶解前必须要进行预处理，来达到提高酶解效率的目的。

常用的预处理方法有化学预处理、生物预处理和物理预处理方法。化学预处理方法主要是酸碱预处理，这类方法虽然糖化率比较高，但是污染严重、腐蚀性强、酸碱回收困难，这些缺陷目前依然无法有效解决。而且酸碱处理后的木质纤维素会产生某些对微生物发酵非常不利的抑制物，比如糠醛、5-羟甲基糠醛等。生物预处理方法虽然清洁，但是处理速度非常缓慢，而且处理效率很低，需要使用大量的酶，导致成本较高。物理预处理方法，如球磨法、辐射法、挤压法等对纤维素的结晶结构都有一定的破坏，能够提高酶与纤维素的接触面积，提高酶解效率。但是这类方法属于高能耗预处理方法，需要和其它预处理方法结合起来，以达到节能降耗、降低成本的目的。而且采用这类方法不能去除木质素，而木质素的存在一方面会吸附部分纤维素酶，另一方面会作为物理屏障阻碍纤维素酶对纤维素的酶解作用，不利于酶解效率的进一步提高。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种秸秆的高效组合预处理方法。本发明将秸秆进行组合预处理后，经过水洗除酸和复合纤维素酶酶解，糖化率大幅提高。

本发明的技术方案如下：

一种秸秆的高效组合预处理方法，采用臭氧处理方法结合球磨方法对秸秆进行高效组合预处理；具体包括两部分：（1）先对粉碎后的秸秆进行臭氧预处理，然后进行球磨预处理；（2）先对粉碎后的秸秆进行球磨预处理，然后进行臭氧预处理。

所述臭氧预处理及球磨预处理这两种预处理方法进行处理的先后顺序可以互调。

（1）先进行臭氧预处理、后进行球磨预处理的具体步骤如下：

（1-1）粗粉碎：用粉碎机对秸秆进行粗粉碎，粉碎物过30~50目筛，取筛下物；

（1-2）臭氧处理：在筛下物中加入体积为秸秆重量0.4~2.0倍（v/w）的去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为20~80 mg/L，臭氧流动速率为0.5~2.0 L/h，臭氧处理时间为0.5~2 h；

（1-3）球磨处理：将臭氧处理后的秸秆自然晾干或真空烘干，之后加入到球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:10~30，球磨的转速为279~1116 rpm，球磨1~24 min。

（2）先进行球磨预处理、后进行臭氧预处理的具体步骤如下：

（2-1）粗粉碎：用粉碎机对秸秆进行粗粉碎，粉碎物过30~50目筛，取筛下物；

（2-2）球磨处理：将筛下物加入球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:10~30，球磨的转速为279~1116 rpm，球磨1~12 min；

（2-3）臭氧处理：取球磨处理后的秸秆，加入体积为秸秆重量0.4~2.0倍（v/w）的去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为20~80 mg/L，臭氧流动速率为0.5~2.0 L/h，臭氧处理时间为0.5~2 h。

所述的秸秆原料为农作物秸秆，包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆。

预处理后对秸秆的酶解过程如下：

（3-1）在组合预处理后的秸秆中加入体积为秸秆重量5~20倍的去离子水，混合均匀后静置0.5~1.5 h，之后采取过滤、抽滤、离心方法收集秸秆固体，以除去小分子有机酸等物质；

（3-2）在步骤（2）所得的秸秆中加入体积为秸秆重量5~20倍（v/w）pH值为4.8的柠檬酸钠缓冲液；所述缓冲液中预先加入复合纤维素酶，所述复合纤维素酶包含1-15 FPU的滤纸纤维素酶、0-10 CBU的β-葡萄糖苷酶和50-730 IU的木聚糖酶，秸秆中加入酶液后在45~60 ℃下酶解6~24 h。

与未经组合预处理的秸秆相比，经组合预处理的秸秆的糖产量提高了1.8~20倍。

进行臭氧预处理（步骤1-2）及球磨预处理（步骤2-2）前，先对粉碎后的秸秆进行冷冻振荡预处理；其操作方法为先将秸秆在0℃下保存3~5 h，然后在25℃下保存3~5 h，如此反复处理3次。

本发明有益的技术效果在于：

本高效秸秆组合预处理方法，既能破坏秸秆中纤维素的结晶结构，又能去除部分木质素，而且它的处理条件温和、操作简单、无需使用酸碱等化学试剂，能够有效地促进秸秆的酶解，也不产生对后续微生物发酵不利的抑制物，是一种环境友好的、“绿色”的预处理方法。而冷冻振荡预处理虽然需要冷冻和解冻，但是效果特别好，可以极大的提高酶解效率。

本发明将臭氧预处理和球磨预处理结合起来，不仅可以将包裹在纤维外表面起保护作用的木质素破坏掉，使木质纤维素原料微观结构更加松散，而且可以破坏木质纤维素晶体结构，增加纤维素酶对底物的接触比表面积，提高酶解率。同时两种方法结合起来，与单独的球磨方法比较，它达到最大糖化率所需要的球磨时间显著缩短，从而达到减少能耗和降低成本的目的。本发明将秸秆进行冷冻振荡处理，可以大幅度提高对秸秆原晶体构造的破坏，在后续的臭氧、球磨处理中，可以提高生产效率1.5~3倍。

组合预处理后的酶解糖化液可以直接用于生产生物能源、生物饲料、生物肥料等，并且不含对微生物生长发酵有抑制作用的毒性成分，进一步减低了后续发酵的操作成本。

附图说明

图1为原料和实施例1组合预处理的玉米秸秆SEM图；

图2为原料和实施例2臭氧预处理的玉米秸秆SEM图；

图3为原料和实施例5组合预处理的玉米秸秆SEM图。

具体实施方式

下面结合附图1~3，以玉米秸秆、水稻秸秆为例，对本发明进行具体描述，但本发明方法的保护范围不限于此。

实施例1：玉米秸秆臭氧-球磨组合预处理方案1

用粉碎机对玉米秸秆进行粗粉碎，粉碎物过30目筛，取筛下物。在筛下物中加入1倍（v/w）去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为60 mg/L，臭氧流动速率为1.0L/h，臭氧处理时间为2h；将臭氧处理后的秸秆自然晾干，之后加入到球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:20，球磨的转速为1116 rpm，球磨24 min。

在组合处理后的秸秆中加入20倍（v/w）去离子水，混合均匀后静置0.5 h，之后通过过滤收集固体，以除去小分子有机酸等物质；在水洗除酸后的秸秆中加入20倍（v/w）pH4.8的柠檬酸钠缓冲液，缓冲液中预先加入复合纤维素酶，复合纤维素酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶用量分别为：15 FPU/g、10CBU/g、730 IU/g，玉米秸秆中加入酶液后在50 ℃酶解24 h。

图1为粗粉碎后的秸秆和经过组合预处理后的秸秆的SEM图，从图上可以看出，经过组合预处理后，秸秆的粒径大幅减小，比表面积增大，这种形态增加了秸秆与酶的可及性，有助于提高秸秆的酶解效率。用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到408 mg/g（每克秸秆酶解产生的葡萄糖毫克数），与用等量酶水解的未经过任何预处理的玉米秸秆相比，提高了6.8倍；木糖产量达到102 mg/g，提高了5.1倍。

实施例2：玉米秸秆臭氧-球磨组合预处理方案2

用粉碎机对玉米秸秆进行粗粉碎，粉碎物过30目筛，取筛下物。在筛下物中加入0.4倍（v/w）去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为20 mg/L，臭氧流动速率为2.0 L/h，臭氧处理时间为0.5 h；将臭氧处理后的秸秆真空烘干，之后加入到球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:10，球磨的转速为279 rpm，球磨1 min。

在组合处理后的秸秆中加入5倍（v/w）去离子水，混合均匀后静置0.5 h，之后通过抽滤收集固体，以除去小分子有机酸等物质；在水洗除酸后的秸秆中加入5倍（v/w）pH 4.8的柠檬酸钠缓冲液，缓冲液中预先加入复合纤维素酶，复合纤维素酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶用量分别为：10 FPU/g、0 CBU/g、489 IU/g，玉米秸秆中加入酶液后在50 ℃酶解6 h。

图2为粗粉碎后的秸秆和此实施例条件下臭氧处理后的秸秆的SEM图，由于木质素的去除，它的表面形态由处理前的致密的纤维条状结构变为处理后的疏松的结构，这种变化增加了酶对底物的接触效率。再经过下一步的球磨预处理后，秸秆的纤维素结晶度指数从59%降低到46%，这有助于提高纤维素的酶解效率。用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到60 mg/g，与用等量酶水解的未经过任何预处理的玉米秸秆相比，提高了2.1倍；木糖产量达到35 mg/g，提高了1.8倍。

实施例3：玉米秸秆球磨-臭氧组合预处理方案1

用粉碎机对玉米秸秆进行粗粉碎，粉碎物过30目筛，取筛下物；将筛下物加入球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:20，球磨的转速为558 rpm，球磨2 min；取球磨处理后的秸秆，加入1倍（v/w）去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为80 mg/L，臭氧流动速率为0.5 L/h，臭氧处理时间为1.5 h。

在组合处理后的秸秆中加入15倍（v/w）去离子水，混合均匀后静置1 h，之后通过离心收集固体，以除去小分子有机酸等物质；在水洗除酸后的秸秆中加入15倍（v/w）pH 4.8的柠檬酸钠缓冲液，缓冲液中预先加入复合纤维素酶，复合纤维素酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶用量分别为：10 FPU/g、8 CBU/g、489 IU/g，玉米秸秆中加入酶液后在55 ℃酶解18 h。

球磨后的秸秆，它的纤维素结晶度指数从48%降低到18%，纤维素的致密韧性结构被大幅破坏，这有助于提高酶与纤维素的可及性。再经过臭氧处理，使它的木质素部分降解，有助于进一步提高酶解效率。用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到366 mg/g，与用等量酶水解的未经过任何预处理的玉米秸秆相比，提高了6.1倍；木糖产量达到98 mg/g，提高了4.9倍。

实施例4：玉米秸秆球磨-臭氧组合预处理方案2

用粉碎机对玉米秸秆进行粗粉碎，粉碎物过40目筛，取筛下物；将筛下物加入球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:30，球磨的转速为1116 rpm，球磨12 min；取球磨处理后的秸秆，加入0.4倍（v/w）去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为60 mg/L，臭氧流动速率为1.5 L/h，臭氧处理时间为0.5 h。

在组合处理后的秸秆中加入5倍（v/w）去离子水，混合均匀后静置1.5 h，之后通过过滤收集固体，以除去小分子有机酸等物质；在水洗除酸后的秸秆中加入10倍（v/w）pH 4.8的柠檬酸钠缓冲液，缓冲液中预先加入复合纤维素酶，复合纤维素酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶用量分别为：5 FPU/g、0 CBU/g、244 IU/g，玉米秸秆中加入酶液后在45 ℃酶解24 h。

经过球磨后的样品，它的粒径从处理前的153 μm减小到18 μm，比表面积从26 m²/kg增加到354 m²/kg，这种变化一方面有利于下一步臭氧与秸秆的充分接触和反应；另一方面有利于增加酶解时酶与底物的接触面积，提高酶解效率。用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到350 mg/g，与用等量酶水解的未经过任何预处理的玉米秸秆相比，提高了20倍；木糖产量达到100 mg/g，提高了19倍。

实施例5：水稻秸秆球磨-臭氧组合预处理方案

用粉碎机对水稻秸秆进行粗粉碎，粉碎物过30目筛，取筛下物；将筛下物加入球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:10，球磨的转速为279 rpm，球磨1 min；取球磨处理后的秸秆，加入2倍（v/w）去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为20 mg/L，臭氧流动速率为2 L/h，臭氧处理时间为2 h。

在组合处理后的秸秆中加入8倍（v/w）去离子水，混合均匀后静置0.5 h，之后通过抽滤收集固体，以除去小分子有机酸等物质；在水洗除酸后的秸秆中加入20倍（v/w）pH 4.8的柠檬酸钠缓冲液，缓冲液中预先加入复合纤维素酶，复合纤维素酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶用量分别为：1 FPU/g、4 CBU/g、50 IU/g，水稻秸秆中加入酶液后在50 ℃酶解24 h。

图3为粗粉碎后的秸秆和经过此组合预处理后的秸秆的SEM图，经过组合预处理后，秸秆的粒径变小，表面更加疏松，这些变化都有利于秸秆酶解。用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到68 mg/g，与用等量酶水解的未经过任何预处理的秸秆相比，提高了5.5倍；木糖产量达到47 mg/g，提高了4.9倍。

实施例6：水稻秸秆臭氧-球磨组合预处理方案

用粉碎机对水稻秸秆进行粗粉碎，粉碎物过50目筛，取筛下物。在筛下物中加入2倍（v/w）去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为80 mg/L，臭氧流动速率为0.5L/h，臭氧处理时间为2 h；将臭氧处理后的秸秆自然晾干，之后加入到球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:30，球磨的转速为1116 rpm，球磨24 min。

在组合处理后的秸秆中加入20倍（v/w）去离子水，混合均匀后静置0.5 h，之后通过过滤收集固体，以除去小分子有机酸等物质；在水洗除酸后的秸秆中加入20倍（v/w）pH4.8的柠檬酸钠缓冲液，缓冲液中预先加入复合纤维素酶，复合纤维素酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶，滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶用量分别为：15 FPU/g、10CBU/g、730 IU/g，秸秆中加入酶液后在60 ℃酶解10h。

经过臭氧处理，秸秆的木质素被氧化降解，木质素去除率达到65%，从而有效地降低了木质素对纤维素和半纤维素的物理屏障效应，同时减少了木质素对纤维素酶的无效吸附。再经过下一步的球磨处理，在木质素去除的基础上，进一步减小秸秆颗粒的粒径，增大比表面积，增加酶与秸秆的接触面积，有助于提高秸秆的酶解效率。用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到415 mg/g，与用等量酶水解的未经过任何预处理的水稻秸秆相比，提高了8.5倍；木糖产量达到130 mg/g，提高了6倍。

实施例7：冷冻振荡预处理方案1

将实施例2玉米秸秆臭氧-球磨组合预处理前，先对粉碎后的秸秆进行冷冻振荡预处理；其操作方法为先将秸秆在0℃下保存3 h，然后在25℃下保存3 h，如此反复处理3次。

用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到91 mg/g，与未经冷冻振荡预处理的玉米秸秆相比，提高了1.5倍；木糖产量达到84mg/g，提高了2.4倍。

实施例8：冷冻振荡预处理方案2

将实施例5水稻秸秆球磨-臭氧组合预处理前，先对粉碎后的秸秆进行冷冻振荡预处理；其操作方法为先将秸秆在0℃下保存5 h，然后在25℃下保存5 h，如此反复处理3次。

用高效液相色谱测定秸秆酶解后释放出的葡萄糖和木糖产量，结果表明葡萄糖产量达到149 mg/g，与未经冷冻振荡预处理的水稻秸秆相比，提高了2.2倍；木糖产量达到140mg/g，提高了3.0倍。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种秸秆的高效组合预处理方法，其特征在于采用臭氧处理方法结合球磨方法对秸秆进行高效组合预处理；具体包括两种方法：

（1）先对粉碎后的秸秆进行臭氧预处理，然后进行球磨预处理；

或者（2）先对粉碎后的秸秆进行球磨预处理，然后进行臭氧预处理；

（1-2）臭氧处理：在筛下物中加入体积为秸秆重量0.4~2.0倍的去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为20~80 mg/L，臭氧流动速率为0.5~2.0 L/h，臭氧处理时间为0.5~2 h；

（1-3）球磨处理：将臭氧处理后的秸秆自然晾干或真空烘干，之后加入到球磨罐中，秸秆与球的质量比为1:10~30，球磨的转速为279~1116 rpm，球磨1~24 min；

（2-3）臭氧处理：取球磨处理后的秸秆，加入体积为秸秆重量0.4~2.0倍的去离子水，混合均匀，之后通臭氧处理，臭氧浓度为20~80 mg/L，臭氧流动速率为0.5~2.0 L/h，臭氧处理时间为0.5~2 h；

进行臭氧预处理步骤（1-2）及球磨预处理步骤（2-2）前，先对粉碎后的秸秆进行冷冻振荡预处理；其操作方法为先将秸秆在0℃下保存3~5 h，然后在25℃下保存3~5 h，如此反复处理3次；

预处理后对秸秆的酶解过程如下：

（3-2）在步骤（3-1）所得的秸秆中加入体积为秸秆重量5~20倍pH值为4.8的柠檬酸钠缓冲液；所述缓冲液中预先加入复合纤维素酶，所述复合纤维素酶包含1-15 FPU的滤纸纤维素酶、0-10 CBU的β-葡萄糖苷酶和50-730 IU的木聚糖酶，秸秆中加入酶液后在45~60 ℃下酶解6~24 h。

2.根据权利要求1所述的秸秆的高效组合预处理方法，其特征在于所述的秸秆原料为农作物秸秆。

3.根据权利要求1或2所述的秸秆的高效组合预处理方法，其特征在于所述的秸秆原料包括玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆。

4.根据权利要求1所述的秸秆的高效组合预处理方法，其特征在于与未经组合预处理的秸秆相比，经组合预处理的秸秆的糖产量提高了1.8~20倍。