CN104498562A - 氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，属于农业废弃物资源利用技术及新能源技术开发和利用领域；操作如下：（1）农业废弃物木质纤维素原料的机械处理：机械处理减小木质纤维素底物尺寸，增加底物比表面积；（2）农业废弃物木质纤维素原料的化学处理：将尺寸减小的木质纤维素底物加入至氢氧化钠/尿素/水体系中并搅拌；得到的混合物过滤并洗涤滤渣至中性；（3）农业废弃物酶解糖化；本发明构建的氢氧化钠/尿素/水体系处理木质纤维素体系具有操作简单，成本低，耗时短，酶解糖化效率高，不产生发酵抑制物，可进行大规模生产等显著优点；本发明方法所采用的氢氧化钠、尿素等化学药品价格便宜，废液容易循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，具体是一种利用低温氢氧化钠/尿素体系预处理农业废弃物生物质的方法，属于农业废弃物资源利用技术及新能源技术开发和利用领域。
背景技术
化石燃料短缺及化石燃料燃烧对环境造成的污染，促使人们寻找清洁可再生的替代能源。基于非粮生物质的第二代生物乙醇是最有前途的可再生能源之一。第二代生物乙醇技术提供了大规模生产可再生能源的可能。我国据有丰富的农业废弃物等生物质资源，年产量超过6亿吨秸秆。农业废弃物等木质纤维素原料主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。
木质纤维素酶解糖化是制备生物乙醇的关键步骤。木质纤维素化学成份和结构、底物的比表面积和孔隙度及纤维素酶对底物中纤维素的可及性等是影响酶解糖化的主要因素。预处理起着大幅改善木质纤维素糖化的作用。常用的木质纤维素预处理方法有物理法、物理化学法、化学法以及生物法。物理法，可以通过减小木质纤维素尺寸，提高后续酶解效率。然而，物理预处理需要较高的能量消耗，尤其对木材原料(Zhu W, Zhu J Y, Gleisner R, et al. On energy consumption for size-reduction and yields from subsequent enzymatic saccharification of pretreated lodgepole pine. Bioresour Technol, 2010, 101: 2782-2792)；物理化学预处理可有效地改善底物的酶解效率，然而，蒸汽爆破，二氧化碳蒸汽爆破，氨纤维膨胀等均需要高压设备，并且产生影响后续酶解、发酵的抑制剂；化学预处理通过加入不同的酸，碱，有机溶剂或离子液体等化学物质，以改善木质纤维素底物的反应性能。酸碱预处理一般是在高温高压条件下进行，整个过程能耗较大，同时会产生影响后续糖化发酵过程的抑制剂(Kont R, Kurasin M, Teugjas H, et al. Strong cellulase inhibitors from the hydrothermal pretreatment of wheat straw [J]. Biotechnology for Biofuels, 2013, 6: 135)。有机溶剂预处理和离子液体预处理对生物质的分离提供一个清洁的过程，然而有机溶剂和离子液体价格相对昂贵(Li C, Knierim B, Manisseri C, et al. Comparison of dilute acid and ionic liquid pretreatment of switchgrass: Biomass recalcitrance, delignification and enzymatic saccharification. Bioresource Technol, 2010, 101: 4900-4906)；生物预处理，如白色，棕色和软腐真菌等能在在温和的条件下降解半纤维素和木质素。生物预处理耗能少，过程友好，然而，生物降解速率非常低，耗时长(Salvach A D, Prieto A, Lopez-abelairas M, et al. Fungal pretreatment: An alternative in second-generation ethanol from wheat straw. Bioresource Technol, 2011, 102: 7500-7506)。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种非木材木质纤维素原料预处理的方法。本方法具有成本低，耗时短，酶解糖化效率高，不产生发酵抑制物等优点。
本发明利用低温氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质原料，制备可发酵糖的方法包括以下步骤：
（1） 农业废弃物木质纤维素原料的机械处理：选用农业废弃物为原料，采用高速搅拌机或植物粉碎机或超微粒磨碎机机械处理减小木质纤维素底物尺寸，增加底物比表面积；
（2） 农业废弃物木质纤维素原料的化学处理：在-20～-10℃下，将尺寸减小的木质纤维素底物加入至氢氧化钠/尿素/水体系中并搅拌；得到木质纤维素底物混合物，过滤并将木质纤维素滤渣洗涤至中性；
（3） 农业废弃物木质纤维素原料的酶解糖化：用纤维素酶酶解木质纤维素底物（即步骤（2）中所得的滤渣），测定木质纤维素底物中葡聚糖含量及木质纤维素底物的纤维素酶水解液中葡萄糖浓度，计算农业废弃物木质纤维素原料中葡聚糖的酶解转化率。
其中，步骤（1）中所述农业废物物为稻草、玉米秸秆、小麦秸秆和棉秆中的一种或几种。
其中，步骤（2）中氢氧化钠/尿素/水溶液中氢氧化钠与尿素、水的重量比为（6～10）：（10～13）：（77～84）。
其中，步骤（2）中所述的木质纤维素底物与氢氧化钠/尿素/水溶液体系中的固液比为1：15～1：5；
其中，步骤（2）中所述的过滤是采用孔径为0.45 的聚偏氟乙烯过滤膜(PVDF)进行压滤。
其中，步骤（3）中所述的纤维酶用量为10 FPU /g木质纤维素底物。
本发明相对现有技术具有以下优点和效果：
（1）本发明方法构建的氢氧化钠/尿素/水体系处理木质纤维素体系具有操作简单，成本低，耗时短，酶解糖化效率高，可进行大规模生产等显著优点；
（2）本发明方法利用稻草、玉米秸秆、小麦秸秆和棉秆等农业废弃物生物质为原料，不仅原料来源广泛，价格低，也解决了废弃物的处理问题；
（3）本发明方法所采用的氢氧化钠、尿素等化学药品价格便宜，废液容易循环利用；
（4）本发明方法不需要高温高压设备，预处理在较低温度下进行，可在北方冬季室外常温下进行；
（5）本发明方法在低温下预处理木质纤维素底物，不产生发酵抑制剂。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例 1：
（1）将稻草切段至1～2 cm，称取9 g稻草绝干原料，加入600 g水，用高速搅拌机搅拌在22000 rpm下剧烈搅拌10 min，经过滤得到尺寸减小的木质纤维素底物。
（2）称取4 g机械处理后的木质纤维素绝干原料，加入预冷至-20℃的50 g氢氧化钠/尿素/水溶液中，混合溶液中氢氧化钠/尿素/水的质量比为7：12：81，在200 rpm的转速下搅拌10 min后加入50 g 水，继续搅拌2分钟；混合物经过滤分离，得到木质纤维素底物，并洗涤至中性，备用；
（3）将步骤（2）得到的木质纤维素底物经纤维素酶水解72小时，纤维酶用量为10 FPU /g木质纤维素底物，通过测定稻草原料中葡聚糖的含量为36.1%，酶水解中葡萄糖的浓度为7.5 g/L，葡萄糖转化率为95.1%。
实施例 2：
（1）将玉米秸秆切段去髓，称取15 g玉米秸秆绝干原料，加入1000 g水，用超微粒粉碎机碾磨5次，超微粒粉碎机的转速为1500 rpm，盘磨间距为 0 μm。经过滤得到尺寸减小的木质纤维素底物。
（2）称取16 g碾碎木质纤维素绝干原料，加入预冷至-12℃的100 g 氢氧化钠/尿素/水的溶液中，混合溶液中氢氧化钠/尿素/水的质量比为10：10：80，在200 rpm下搅拌10分钟后加入100 g 水，继续搅拌2 min；混合物经过滤分离，得到木质纤维素底物。木质纤维素底物用水洗涤至中性，备用；
（3）将步骤（2）得到的木质纤维素底物经纤维素酶水解72小时，通过测定玉米秸秆中葡聚糖的含量为38.4%，酶水解中葡萄糖的浓度为7.7g/L葡萄糖转化率为91.3%。
实施例 3：
（1）将棉秆去皮切段，利用植物粉碎机粉碎至40～60目。
（2）称取8 g粉碎的木质纤维素绝干原料，加入预冷至-10℃的100 g 氢氧化钠/尿素/水的溶液中，混合溶液中氢氧化钠/尿素/水的质量比为10：10：80，在200 rpm下搅拌10分钟后加入100 g 水，继续搅拌2 min；混合物经过滤分离，得到木质纤维素底物。木质纤维素底物用水洗涤至中性，备用；
（3）将步骤（2）得到的木质纤维素底物经纤维素酶水解72小时，通过测定棉秆中葡聚糖的含量为34.9%，酶水解中葡萄糖的浓度为6.6 g/L葡萄糖转化率为85.7%。
Claims (6)
1. 一种氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
（1） 农业废弃物木质纤维素原料的机械处理：选用农业废弃物为原料，采用高速搅拌机或植物粉碎机或超微粒磨碎机机械处理减小木质纤维素底物尺寸，增加底物比表面积；
（2） 农业废弃物木质纤维素原料的化学处理：在-20～-10℃下，将尺寸减小的木质纤维素底物加入至氢氧化钠/尿素/水体系中并搅拌；得到木质纤维素底物混合物，过滤并将木质纤维素滤渣洗涤至中性；
（3） 农业废弃物木质纤维素原料的酶解糖化：用纤维素酶酶解步骤（2）中洗涤至中性的滤渣，测定木质纤维素底物中葡聚糖含量及木质纤维素底物的纤维素酶水解液中葡萄糖浓度，计算农业废弃物木质纤维素原料中葡聚糖的酶解转化率。
2.根据权利要求1所述的一种氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，其特征在于，步骤（1）中所述农业废物物为稻草、玉米秸秆、小麦秸秆和棉秆中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，其特征在于，步骤（2）中氢氧化钠/尿素/水溶液中氢氧化钠、尿素和水的重量比为6～10：10～13：77～84。
4.根据权利要求1所述的一种氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的木质纤维素底物与氢氧化钠/尿素/水溶液体系的质量比为1：5～15。
5.根据权利要求1所述的一种氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，其特征在于，步骤（2）中所述的过滤是采用孔径为0.45 的聚偏氟乙烯过滤膜(PVDF)进行压滤。
6.根据权利要求1所述的一种氢氧化钠/尿素/水体系预处理农业废弃物生物质的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的纤维酶用量为10 FPU /g木质纤维素底物。
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