CN104232705A - 一种氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素，它是有机溶剂法预处理木质纤维素的一种，该方法为：采用氢氧化钠-乙醇混合溶液预处理木质纤维素；预处理结束后，将原料进行固液分离，其中的固体组分经烘干后进行纤维素酶酶解实验和成分分析，液体组分用于回收半纤维素和木质素成分。本发明旨在利用氢氧化钠产生的OH^-离子能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键、皂化半纤维素和木质素之间的酯键，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度；预处理后的木质纤维素原料中富含纤维素和部分半纤维素，利用纤维素酶酶解将其转化为可发酵的糖，从而最大限度地提高木质纤维素的原料利用率。并通过酸析法对预处理液中的半纤维素和木质素进行回收。

Description

一种氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法

技术领域

本发明属于生物质资源化利用技术领域，涉及有机溶剂法预处理，采用氢氧化钠-乙醇混合溶液预处理木质纤维素。具体而言，就是利用氢氧化钠产生的OH^-离子削弱纤维素和半纤维素之间的氢键、皂化半纤维素和木质素之间的酯键，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度；乙醇能够有效地溶解木质素，从而将影响后续酶解效率的木质素成分从木质纤维素原料中有效的脱除。该法能够大幅度降低木质素含量，缩短预处理时间，提高酶解效率。

背景技术

为了缓解日益严重的能源短缺和环境污染问题，世界各国开始积极寻找新的替代能源，生物乙醇作为一种新的可再生资源越来越受到人们的关注。然而，现阶段国内外燃料乙醇的生产都是以玉米、陈化的小麦和稻谷等粮食淀粉为原料，经水解转化为糖类物质后经发酵生产的第一代燃料乙醇，若大规模生产必将导致“与人争粮，与粮争地”的不利局面。以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇一方面能缓解日益严峻的能源短缺和环境污染问题，另一方面还能减少木质纤维素原料的浪费，实现资源化利用。然而，如何在生产过程中提高木质纤维素原料的水解率和利用率仍然是制约第二代燃料乙醇技术发展的瓶颈。

木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成，其中，纤维素是以D-葡萄糖为单体通过β-1,4糖苷键连接形成的线性高分子聚合物。纤维素结构分为结晶区和非结晶区,非结晶区氢键较少,分子链排列较为松弛,这部分也被称之为“无定形区”,该部分结构松散,比较容易被水解；结晶区域内葡萄糖分子羟基或与分子内部或分子外部的氢离子相结合，没有游离的羟基存在，致使酶分子及水分子难以侵入到内部，这样使得纤维素的性质稳定，在常温下并不能发生水解反应，即使在高温条件下水解反应也进行的十分缓慢。且纤维素被半纤维素和木质素包裹镶嵌，彼此之间相互缠绕形成复杂紧密的结构，很难使纤维素酶直接降解其中的纤维素成分，因此需通过有效的预处理方式去除其中的木质素，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度，增加比表面积，这也是成功进行燃料乙醇转化的关键步骤和技术前提。

目前应用较多的预处理方法有物理法如机械粉碎、微波处理、超声波处理等，化学法如酸处理、碱处理、湿式氧化处理、臭氧处理等，物理化学法如蒸汽爆裂处理、以及生物法。有机溶剂预处理是采用有机溶剂或其水溶液在添加或不添加催化剂的条件下对木质纤维原料进行预处理的方法。在有机溶剂预处理的过程中，由于木质素和半纤维素的脱除，原料孔隙率增加，从而提高了纤维素与纤维素酶的可接触面积。有机溶剂预处理一方面可以有效地提高纤维素的酶解性能，另一方面可水解半纤维素、溶解木质素，因而是一种分级预处理，有利于实现原料的分级加工利用。

乙醇预处理是目前研究较多的有机溶剂预处理方法，包括自催化乙醇预处理法和酸催化乙醇预处理，但是这些预处理方法均存在着预处理温度较高、并且会产生糠醛、HMF等发酵抑制物。采用氢氧化钠耦合乙醇预处理木质纤维素不仅能够降低预处理温度，同时预处理之后不会产生糠醛、HMF等对后续发酵产生抑制的物质，并能将木质素成分回收利用，实现木质纤维素的分级加工利用。考虑到不同预处理方式各自的优势，将氢氧化钠预处理和乙醇预处理进行优势组合，探索木质纤维素预处理的新思路，突破传统预处理方式的瓶颈。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，提高木质纤维素的酶解得率和原料利用率，克服传统预处理技术存在的缺陷。

技术方案：本发明是氢氧化钠耦合乙醇低温预处理，利用OH^-离子能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键、皂化半纤维素和木质素之间的酯键，破坏木质纤维素的致密结构，降低结晶度，乙醇能够有效地溶解其中的木质素，从而将木质素从原料中有效的脱除，提高预处理原料酶解效率，有利于后续发酵过程，缩短作用时间，并实现其中木质素成分的回收和预处理液中乙醇的重复利用。

氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法主要包括木质纤维素预处理、固液组分分离、组分回收、成分分析、纤维素酶解等工序，具体涉及步骤如下所述：

1)将风干的木质纤维素进行物理粉碎处理再筛分；

2)将筛分后的木质纤维素于105±3℃烘干至恒重，除去其中水分；

3)制备氢氧化钠-乙醇混合溶液；

4)将烘干后的木质纤维素加入制备好的氢氧化钠-乙醇混合溶液中进行预处理，预处理时间为30～90min，得到预处理后的反应浆料；

5)将步骤4)中预处理后的反应浆料进行固液分离，收集液态物料，用蒸馏水洗涤固态物料至pH值呈中性并将其于105±3℃下烘干至恒重；

6)将步骤5)中收集的液态物料进行半纤维素和木质素的回收：利用HCl溶液将液态物料的pH值调至5～6，加入3～3.5倍体积的乙醇，静置1.5-2.5h后过滤，滤渣即为半纤维素；取其滤液在90±1℃下减压旋转蒸发浓缩，待乙醇完全蒸出后继续滴加HCl溶液至pH值1.5～2，静置待沉淀析出，离心后所得固体即为木质素；

7)将步骤5)中烘干后的固态物料在pH值为4.5～4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中用纤维素酶进行酶解；

8)将步骤7)中水解后得到的浆料进行固液分离，液态物料主要是葡萄糖等水解糖，固态物料则是部分难降解的物质。

其中：

步骤1)所述筛分的粒径为20目～60目。

步骤3)所述的氢氧化钠溶液浓度为0.125～1.0mol/L，乙醇的体积分数为30～70％。

步骤4)中，所述的木质纤维素与氢氧化钠-乙醇混合溶液的固液比为1:5～1:20(g/mL)。所述预处理的温度为30～80℃。

步骤7)所述的纤维素酶加载量为5～50FPU/(g干原料)，烘干的原料与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1:10～1:100(g/mL)，酶解温度为50℃，酶解时间为12～96h。

有益效果：与现有预处理技术相比，本发明提供的有机溶剂法预处理木质纤维素的方法具有以下优点：

1)去除绝大部分木质素成分，减小其对木质纤维素原料酶解的阻碍作用，提高原料酶解得率；

2)不同于其他的有机溶剂法，该法不仅能够在低温过程中具有较好的酶解效率，同时在预处理过程中不产生糠醛、HMF等发酵抑制物，有利于提高后续发酵过程中的乙醇产率；

3)预处理过程是在低温、常压下进行，作用时间较短，条件温和易于控制，节约能耗和投资成本；

4)将去除的木质素和部分半纤维素以酸析的方式进行回收，为生物质资源的综合利用提供基础；

5)预处理液中的乙醇通过过滤、蒸馏回收，再次使用，减少资源的浪费。

附图说明

图1是利用氢氧化钠耦合乙醇预处理法来实现木质纤维素预处理和高效酶解的工艺流程图。

图2是采用本发明处理玉米芯在不同实例中的成分分析比较图。

具体实施方式

本发明中原料酶解后的酶解得率计算方法为：

酶解得率(％)＝(葡萄糖总量×0.9×100)/酶解底物中的纤维素及半纤维素总量。

对比例1——预处理方式：称取烘干后且过40目筛玉米芯10g，加入100ml,50％(v/v)的乙醇溶液，温度为60℃，反应时间为6h。酶解过程同实施例,酶解得率为40.78％。

对比例2——预处理方式：称取烘干后且过40目筛玉米芯10g，加入100ml,0.50mol/L的氢氧化钠溶液，温度为60℃，反应时间为6h。酶解过程同实施例,酶解得率为46.94％。

实施例1

称取烘干后且过40目筛玉米芯10g，加入100ml含有0.25mol/L的NaOH溶液、50％(v/v)乙醇的混合溶液置于烧杯中，反应温度为60℃，反应时间为1h。反应结束后，将浆料进行真空抽滤，实现固液分离，并将上述产生的滤渣进行蒸馏水冲洗直至pH值呈中性，并于105℃烘干至恒重。

对预处理得到的玉米芯进行范式分析法(Van Soest)测定(主要成分如图2所示)和酶解，其中酶解条件为：固液比1:70(g/mL)、时间为72h、温度为50℃、pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、纤维素酶为里氏木霉所产生，其加载量为25FPU/g干原料。酶解结束后将反应浆液取出，沸水浴灭酶活10min后进行真空抽滤。滤液中的还原糖成分用DNS法测定，酶解得率为72.1％。

实施例2

称取烘干后且过40目筛玉米芯10g，加入100ml含有0.50mol/L的NaOH溶液、50％(v/v)乙醇的混合溶液置于烧杯中，反应温度为60℃，反应时间为1h。反应结束后，将浆料进行真空抽滤，实现固液分离，并将上述产生的滤渣进行反复蒸馏水冲洗直至pH值呈中性，并于105℃烘干至恒重。

对预处理得到的玉米芯进行范式分析法(Van Soest)测定(主要成分如图2所示)和酶解，其中酶解条件为：固液比1:70(g/mL)、时间为72h、温度为50℃、pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、纤维素酶为里氏木霉所产生，其加载量为25FPU/g干原料。酶解结束后将反应浆液取出，在沸水浴中灭酶活10min后进行真空抽滤。滤液中的还原糖成分用DNS法测定，酶解得率为77.29％。

实施例3

称取烘干后且过40目筛玉米芯10g，加入150ml含有0.50mol/L的NaOH溶液、50％(v/v)乙醇的混合溶液置于烧杯中，反应温度为60℃，反应时间为1h。反应结束后，将浆料进行真空抽滤，实现固液分离，并将上述产生的滤渣进行反复蒸馏水冲洗直至pH值呈中性，并于105℃烘干至恒重。

对预处理得到的玉米芯进行范式分析法(Van Soest)测定(主要成分如图2所示)和酶解，其中酶解条件为：固液比1:70(g/mL)、时间为72h、温度为50℃、pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、纤维素酶为里氏木霉所产生，其加载量为25FPU/g干原料。酶解结束后将反应浆液取出，在沸水浴中灭酶活10min后进行真空抽滤。滤液中的还原糖成分用DNS法测定，酶解得率为77.72％。

实施例4

称取烘干后且过40目筛玉米芯10g，加入100ml含有0.50mol/L的NaOH溶液、40％(v/v)乙醇的混合溶液置于烧杯中，反应温度为60℃，反应时间为1h。反应结束后，将浆料进行真空抽滤，实现固液分离，并将上述产生的滤渣进行反复蒸馏水冲洗直至pH值呈中性，并于105℃烘干至恒重。

对预处理得到的玉米芯进行范式分析法(Van Soest)测定(主要成分如图2所示)和酶解，其中酶解条件为：固液比1:70(g/mL)、时间为72h、温度为50℃、pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、纤维素酶为里氏木霉所产生，其加载量为25FPU/g干原料。酶解结束后将反应浆液取出，在沸水浴中灭酶活10min后进行真空抽滤。滤液中的还原糖成分用DNS法测定，酶解得率为73.67％。

Claims (6)

1.一种氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，其特征在于该方法包括下述步骤：

1)将风干的木质纤维素进行物理粉碎处理再筛分；

2)将筛分后的木质纤维素于105±3℃烘干至恒重，除去其中水分；

3)制备氢氧化钠-乙醇混合溶液；

4)将烘干后的木质纤维素加入制备好的氢氧化钠-乙醇混合溶液中进行预处理，预处理时间为30～90min，得到预处理后的反应浆料；

5)将步骤4)中预处理后的反应浆料进行固液分离，收集液态物料，用蒸馏水洗涤固态物料至pH值呈中性并将其于105±3℃下烘干至恒重；

6)将步骤5)中收集的液态物料进行半纤维素和木质素的回收：利用HCl溶液将液态物料的pH值调至5～6，加入3～3.5倍体积的乙醇，静置1.5-2.5h后过滤，滤渣即为半纤维素；取其滤液在90±1℃下减压旋转蒸发浓缩，待乙醇完全蒸出后继续滴加HCl溶液至pH值1.5～2，静置待沉淀析出，离心后所得固体即为木质素；

7)将步骤5)中烘干后的固态物料在pH值为4.5～4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中用纤维素酶进行酶解；

8)将步骤7)中水解后得到的浆料进行固液分离，液态物料主要是葡萄糖等水解糖，固态物料则是部分难降解的物质。

2.根据权利要求1所述的氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，其特征在于步骤1)所述筛分的粒径为20目～60目。

3.根据权利要求1所述的氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，其特征在于步骤3)所述的氢氧化钠溶液浓度为0.125～1.0mol/L，乙醇的体积分数为30～70％。

4.根据权利要求1所述的氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，其特征在于步骤4)中，所述的木质纤维素与氢氧化钠-乙醇混合溶液的固液比为1:5～1:20(g/mL)。

5.根据权利要求1所述的氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，其特征在于步骤4)中，所述预处理的温度为30～80℃。

6.根据权利要求1所述的氢氧化钠耦合乙醇低温预处理木质纤维素的方法，其特征在于步骤7)所述的纤维素酶加载量为5～50FPU/g干原料，烘干的原料与柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的固液比为1:10～1:100g/mL，酶解温度为50℃，酶解时间为12～96h。