CN104531806A - 一种生产可发酵性糖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物质能源技术领域，具体涉及可发酵糖液的制备方法，利用植物纤维原料，如竹子或竹子加工后的剩余物制备可发酵性糖，将植物纤维原料经过粉碎的步骤，采用热水对植物纤维原料进行抽提的步骤，将上述经热水抽提的植物纤维原料与硫酸在反应器中反应，从而进行预处理的步骤，反应结束后，迅速取出所述反应器置于冷水中骤冷，经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液和固体渣，称取上述的固体渣，采用纤维素酶水解，水解结束后收集酶水解液，合并预处理的水解液和纤维素酶水解液，利用此方法，通过预处理技术手段的改进，获得尽可能多的可发酵性糖类，同时产生尽可能少的抑制物，有利于降低生产成本。

Description

一种生产可发酵性糖的方法

技术领域

本发明属于生物质能源技术领域，具体涉及可发酵糖液的制备方法。

技术背景

随着化石能源的逐渐枯竭，以及使用化石能源带来的环境污染的加剧，开发可再生且对环境友好的能源势在必行。生物乙醇具有含氧量高、燃烧值高、无污染等优良特性，倍受研究者们关注。传统乙醇生产是由淀粉质原料经发酵而得到，工艺较成熟，但淀粉质原料来源有限，同时又是制糖工业原料和人类粮食来源之一，因此成本相对较高。另外，作为粮食的淀粉是人类赖以生存的重要资源，随着世界人口的急剧膨胀，粮食短缺也成为人类急待解决问题之一，长期依靠农作物生产燃料乙醇变得越来越不现实，需要寻找替代淀粉原料的资源。

地球上具有丰富的可再生资源木质纤维原料，包括木材、农林废弃物、农作物和城市生活垃圾等纤维类物质，它们主要由纤维素、半纤维素、木质素组成的。与淀粉原料一样含有大量的糖类化合物，却一直未得到充分。据不完全统计，在光合作用下，地球上每年植物可以产生纤维素1000亿t，其蕴藏的能量相当于全球人口消耗能量的10倍以上。因此，利用植物纤维原料生产燃料乙醇具有重要的现实意义。

植物纤维原料中，竹子是一种特殊的森林种质资源，具有生长快、生物量大、繁殖能力强和容易更新等特点，是极具开发与利用潜力的资源。在全球木材供给紧张的情况下，竹材与竹产品正在成为发达国家和地区的重要消费品之一。

利用竹质纤维素类生物质生产燃料乙醇或工业化学品，主要包括原料预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖发酵等工艺，即原料中的纤维素和半纤维素在酸或酶的作用下转化成可发酵性糖类，并经微生物发酵等进一步转化为乙醇、乳酸等重要的化工产品。

在植物纤维原料生产燃料乙醇工艺中，预处理技术的好坏直接决定着后续纤维素的酶水解与水解糖液的发酵。通过预处理过程，植物原料细胞壁破坏(包括破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接、降低纤维素的结晶度和除去半纤维素)、纤维素的比表面积增加，可以达到提高对纤维素酶的可及度和反应性目的，从而提高纤维素酶的水解得率。

预处理方法包括物理法、化学法、生物法和物理化学联合法等。物理法(包括机械粉碎、高温分解、高能电子辐射、微波、超声波等)处理存在着设备要求较高，作用不明显，成本较高，难以实现大规模工业化生产等问题；生物法(如白腐真菌、褐腐真菌、软腐真菌和其他细菌等)处理存在着微生物种类少，产生的降低木质素的酶活力低，处理时间长，造成生产周期长，距实现大规模工业化生产还有一定距离；化学法(包括无机酸、碱和有机溶剂法等)处理虽然也存在着后续污染问题，但它被认为是工 业化生产中较好的预处理手段之一。

在传统的稀酸预处理方法中，用得最多是稀硫酸、盐酸、磷酸等，它们处理虽然取得一定的效果，但仍存在着预处理后半纤维素的糖类得率不高、产生较多的抑制物以及后续的纤维素酶水解得率较低等问题。植物纤维原料经预处理和纤维素酶水解，目的是从木质纤维原料中得到尽可能多的可发酵性糖，以充分综合利用木质纤维原料中纤维素和半纤维素糖类，降低燃料乙醇或工业化学品的生产成本。

本发明涉及的是以竹材或其加工剩余物为原料，采用热水抽提一稀酸耦合预处理方法处理竹材原料，生产可发酵性糖的方法，可获得较高的半纤维素和纤维素糖的得率，降低抑制物的产生，从而有利于降低生产成本。

发明内容

针对当前植物纤维原料预处理技术存在的半纤维素的利用率低，水解后生成的糖类会继续降解而产生大量抑制物，以及所得固体渣纤维素酶水解不高的现状，本发明提供了一种生产可发酵性糖类的方法：

一种生产可发酵性糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将植物纤维原料经过粉碎的步骤。

步骤二：采用热水对植物纤维原料进行抽提的步骤。

步骤三：将上述经热水抽提的植物纤维原料与硫酸在反应器中反应，从而进行预处理的步骤；

步骤四：反应结束后，迅速取出所述反应器置于冷水中骤冷；

经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液和固体渣。

步骤五：称取上述的固体渣，采用纤维素酶水解；

水解结束后收集酶水解液；

合并预处理的水解液和纤维素酶水解液。

所述的植物纤维原料为竹子全材料或竹子加工后得到的剩余物。

所述的步骤一中，将原料经过粉碎至20～80目筛。

所述步骤二中，热水抽提的温度在80-100℃，热水抽提时间为2-6小时。

所述步骤二中，热水抽提的温度在90-100℃，热水抽提时间为4-6小时。

所述步骤三中，经热水抽提的物料与硫酸反应预处理的条件为：硫酸浓度0.2％～2.0％(w/w)，温度为120～180℃条件下处理10～90min。

所述步骤五得到的固体渣置于4℃冰箱中平衡水分2天。

所述的步骤五中，称取所述的固体渣，加入1mol/L柠檬酸缓冲液1mL，再加40FPIU/g纤维素酶液、β-葡萄糖苷酶和水，酶水解底物浓度(w/v)为10-20％，进行纤维素酶水解。

通过预处理技术手段的改进，获得尽可能多的可发酵性糖类，同时产生尽可能少的抑制物，有利于降低生产成本。

植物纤维原料预处理过程中半纤维素水解得率是评价稀酸预处理效果的重要指标，它占水解液中总糖得率绝大部分，它们可被微生物发酵生产乙醇，或直接化学加工法生产其它化学品。

本发明所述的可发酵性糖的生产方法，包括原料的制备、热水抽提、稀酸处理、洗涤和纤维素酶水解过程。

上述的原料是以竹子全材料或竹子加工后得到的剩余物，是一种生物量大、来源丰富，且具有综合利用效果、提高附加值的材料。制备过程主要是以将其粉碎至一定的粒度，有利于后续的处理过程。

本发明中，热水抽提是将竹材原料加入反应器中，加热到80～100℃，保温2～6h。热水抽提目的是除去竹子中可溶性物，同时可以除去半纤维素乙酰基团，起到部分破坏植物纤维结构的作用，减少后续的稀酸预处理可溶性物可能与稀酸作用而消耗酸的量，并可减少产生的抑制物量。

本发明所述的稀酸处理方法为：在反应器中，将上述的经热水抽提的物料在硫酸浓度为0.2％～2.0％(w/w)，于120～180℃条件下处理10～90min。反应结束后，迅速取出反应器置于冷水中骤冷。

本发明所述的洗涤方法是采用热水洗涤处理后的物料3遍，收集滤液，即为所得糖液，所得的固体渣用于纤维素酶水解。

在所述的纤维素酶水解步骤中，所用的酶为纤维素酶是以真菌或细菌产生的能降解纤维素成葡萄糖的纤维素酶的一种或多种酶的复合物。并添加一定量的β-葡萄糖苷酶，酶水解底物浓度(w/v)为10-20％。

本发明所述的生产可发酵性糖的方法，具体步骤如下：

所述的原料的制备是将竹材原料经粉碎筛分至20～80目筛。

所述的热水抽提是采用90～100℃的热水对竹材原料进行抽提4～6h。

所述的稀酸处理是将上述经热水抽提的竹材原料加入硫酸，使硫酸浓度为为0.2％～2.0％(w/w)，于120～180℃条件下处理10～90min。反应结束后，迅速取出置于冷水中骤冷，经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液(即水解糖液)和固体渣(滤渣)。

所述的纤维素酶水解过程，称取上述的滤渣，加入1mol/L柠檬酸缓冲液1mL，再加一定量40FPIU/g纤维素酶液、β-葡萄糖苷酶和水，进行纤维素酶水解。水解结束后收集酶水解液即为可发酵性糖液。

本发明可使半纤维素的糖类得到尽可能多地利用，减少抑制物的产生，也能提高纤维素酶水解得率，获得更多的可发酵性糖，可实现竹材原料的充分高效利用。

有益效果：本发明可使半纤维素糖得率达到90％以上，纤维素酶水解得率达85％以上，而所生成的抑制物总量不超过5mol/l(以固液比1∶10计)。

附图说明

图1为本发明实施例1至3的酶水解时间-酶水解得率的记录示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

步骤一：将竹材原料经粉碎筛分至20～80目筛；

步骤二：采用90℃的热水对竹材原料进行抽提4h；

步骤三：将上述经热水抽提的竹材原料加入硫酸，使硫酸浓度为0.2％～2.0％(w/w)，于120～180℃条件下处理10～90min；

步骤四：反应结束后，迅速取出置于冷水中骤冷，经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液和固体渣(滤渣)。滤渣置于4℃冰箱中平衡水分2天；

步骤五：称取上述的滤渣，加入1mol/L柠檬酸缓冲液1mL，再加一定量40FPIU/g纤维素酶液、β-葡萄糖苷酶和水，进行纤维素酶水解。水解结束后收集酶水解液即为可发酵性糖液。

实施例2：

步骤一：将竹材原料经粉碎筛分至20～80目筛；

步骤二：采用90～100℃的热水对竹材原料进行抽提6h；

步骤三：将上述经热水抽提的竹材原料加入硫酸，使硫酸浓度为0.2％～2.0％(w/w)，于120～180℃条件下处理10～90min；

步骤四：反应结束后，迅速取出置于冷水中骤冷，经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液和固体渣(滤渣)。滤渣置于4℃冰箱中平衡水分2天；

步骤五：称取上述的滤渣，加入1mol/L柠檬酸缓冲液1mL，再加一定量40FPIU/g纤维素酶液、β-葡萄糖苷酶和水，进行纤维素酶水解。水解结束后收集酶水解液即为可发酵性糖液。

实施例3：

步骤一：将竹材原料经粉碎筛分至20～80目筛；

步骤二：原料不经过热水抽提，直接向竹材原料加入硫酸，使硫酸浓度为0.2％～2.0％(w/w)，于120～180℃条件下处理10～90min；

步骤三：反应结束后，迅速取出置于冷水中骤冷，经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液和固体渣(滤渣)。滤渣置于4℃冰箱中平衡水分2天；

步骤四：称取上述的滤渣，加入1mol/L柠檬酸缓冲液1mL，再加一定量40FPIU/g纤维素酶液、β-葡萄糖苷酶和水，进行纤维素酶水解。水解结束后收集酶水解液即为可发酵性糖液。

水洗液中糖类结果与分析

由上表结果可知，经热水抽提后，预处理半纤维素降解为单糖的得率有较大提高。

纤维素酶水解结果

参见附图1结果可知：热水抽提的原料经稀预处理后，固体渣经纤维素酶水解，水解得率也有较大的提高。

可发酵性糖得率结果

100原料经预处理和纤维素酶水解72小时后，预处理水洗液和纤维素酶水解液中的可发酵性糖的得率结果如下：

由结果可知，经热水抽提后的原料经预处理和纤维素酶水解后，得到的可发酵性糖的总量也有较大的提高。

对热水耦合稀酸预处理技术分析表明，该预处理技术可生产较多的可发酵性糖，有利于植物纤维素的充分利用，提高经济可行性。

Claims (8)

1.一种生产可发酵性糖的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将植物纤维原料经过粉碎的步骤。

步骤二：采用热水对植物纤维原料进行抽提的步骤。

步骤三：将上述经热水抽提的植物纤维原料与硫酸在反应器中反应，从而进行预处理的步骤；

步骤四：反应结束后，迅速取出所述反应器置于冷水中骤冷；

经吸滤后用热水洗涤，收集洗涤液和固体渣。

步骤五：称取上述的固体渣，采用纤维素酶水解；

水解结束后收集酶水解液；

合并预处理的水解液和纤维素酶水解液。

2.根据权利要求1所述的生产可发酵性糖的方法：其特征在于：

所述的植物纤维原料为竹子全材料或竹子加工后得到的剩余物。

3.根据权利要求2所述的生产可发酵性糖的方法，其特征在于：

所述的步骤一中，将原料经过粉碎至20～80目筛。

4.根据根据要求2所述的生产可发酵性糖的方法，其特征在于：

所述步骤二中，热水抽提的温度在80-100℃，热水抽提时间为2-6小时。

5.根据根据要求4所述的生产可发酵性糖的方法，其特征在于：

所述步骤二中，热水抽提的温度在90-100℃，热水抽提时间为4-6小时。

6.根据权利要求2所述的生产可发酵性糖的方法，其特征在于：

所述步骤三中，经热水抽提的物料与硫酸反应预处理的条件为：硫酸浓度0.2％～2.0％(w/w)，温度为120～180℃条件下处理10～90min。

7.根据权利要求1所述的生产可发酵性糖的方法，其特征在于：

所述步骤五得到的固体渣置于4℃冰箱中平衡水分2天。

8.根据权利要求1至7任一所述的生产可发酵性糖的方法，其特征在于：

所述的步骤五中，称取所述的固体渣，加入1mol/L柠檬酸缓冲液1mL，再加40FPIU/g纤维素酶液、β-葡萄糖苷酶和水，酶水解底物浓度(w/v)为10-20％，进行纤维素酶水解。