CN104630287A - 一种木质纤维素原料预处理的方法及应用 - Google Patents

一种木质纤维素原料预处理的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及再生能源技术领域，具体公开了一种木质纤维素原料预处理的方法及应用。本发明所述方法选择乙二胺作为木质纤维素原料预处理的碱性试剂，并在密闭容器中加热反应，最后以乙醇水溶液萃取，以此达到有效降解木质素，提高纤维素酶解转化葡萄糖的效率。同时，预处理后的木质纤维素原料杂质含量明显低于现有预处理工艺。

Description

一种木质纤维素原料预处理的方法及应用
技术领域
本发明涉及再生能源技术领域，更具体的说是涉及一种木质纤维素原料预处理的方法及应用。
背景技术
随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术成为我国能源发展战略的重要组成部分，以减少对石化能源的需求依赖和温室气体的排放。
生物燃料近年来在可再生能源领域不断受到重视。生物燃料泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。所谓的生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质，它包括植物、动物和微生物，不同于石油、煤炭、核能等传统燃料，这新兴的燃料是可再生燃料。
纤维素乙醇是生物燃料的重要一部分，其是以木材、草或农作物不可使用部分为木质纤维素原料，通过预处理、酶解糖化、微生物发酵、蒸馏、脱水五个阶段制备获得。对木质纤维素原料进行预处理可以有效破坏植物纤维素的结晶结构，降低木质素的聚合度，提高木质纤维素材料的多孔性，以此增加酶解糖化环节中酶与底物的接触面积、进而提高纤维素转化为葡萄糖的转化率。
现有技术中，木质纤维素原料的预处理可分为：(1)物理方法，主要是机械粉碎法、蒸汽爆破、超临界水处理和湿氧法；(2)化学方法，主要包括碱处理、稀酸处理、浓酸处理、氧化剂处理以及有机溶剂处理；(3)生物方法。在这些预处理方法中，碱处理是现在人们普遍采用的方法，即采用碱性物质对木质纤维素原料进行处理，常用的碱性物质有氨水、液氨、氢氧化钠、生石灰等。但是，以氨水或液氨进行预处理时需要采用高压设备进行，条件苛刻；而采用氢氧化钠或生石灰虽然可以在常压下进行，但是预处理后需要大量水进行洗涤，除去碱性试剂。这些都不利于木质纤维素预处理的工业化生产。最为重要的一点，现有的这些碱处理方法在预处理完木质纤维素原料后，在酶解糖化阶段中纤维素转化为葡萄糖的转化率较低。同时，经过预处理的木质纤维素原料水洗后杂质含量仍较高，这无疑会加大对酶解的抑制作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种木质纤维素原料预处理的方法及应用，提高经该方法预处理后的木质纤维素原料在酶解糖化环节中纤维素转化为葡萄糖的转化率。
本发明的另一个目的在于提供一种木质纤维素原料预处理的方法及应用，使得经该方法预处理后的木质纤维素原料不经水洗显著降低其中的杂质含量。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种木质纤维素原料预处理的方法，用乙二胺处理木质纤维素原料，然后以乙醇水溶液萃取。
针对现有的碱处理技术在预处理完木质纤维素原料后，在酶解糖化阶段中纤维素转化为葡萄糖的转化率较低以及预处理原料水洗后杂质含量高的问题，本发明打破传统预处理工艺技术思路，以乙二胺作为碱处理的试剂，同时增加以乙醇水溶液为溶剂萃取的步骤，解决了现有技术问题。
作为优选，所述乙醇水溶液中乙醇体积百分数为1-70％，在本发明的一些实施例中，其可以选自10％、40％或70％。
作为优选，本发明所述方法将乙二胺和木质纤维素原料混合，于密闭容器中加热反应，然后将其中的固体以乙醇水溶液萃取、干燥，获得预处理后的固体。
其中，作为优选，所述木质纤维素原料和乙二胺的质量体积比为1g:0.1-2mL，在本发明的一些实施例中，其可以选自1g:0.2mL、1g:0.8mL或1g:2mL。
作为优选，所述加热为加热到60-180℃，在本发明的一些实施例中，其可以选自65℃、160℃或180℃。
作为优选，所述反应的时间为5-120min，在本发明的一些实施例中，其可以选自30min、60min或120min。
作为优选，所述干燥的温度为20-160℃，在本发明的一些实施例中，其可以选自25℃、100℃或150℃。
本发明所述方法中，木质纤维素原料优选为玉米秸秆或水稻秸秆。
按照本发明所述预处理方法对木质纤维素原料进行处理，然后进行后续的酶解糖化，预处理后的原料经萃取后杂质(除纤维素、半纤维素和木质素以外的物质)含量为2-8％，纤维素转化为葡萄糖的转化率为85-93％；而以传统碱性试剂进行预处理后的木质纤维素原料，在后续的酶解糖化中纤维素转化为葡萄糖的转化率仅为48-72％，预处理后的原料经水洗后杂质含量为6-19％。
基于上述的技术效果，本发明还提供本发明所述方法在纤维素乙醇生产中的应用。
更具体地，本发明提供了一种木质纤维素原料酶解的方法，以本发明所述方法预处理木质纤维素原料，然后预处理后的木质纤维素原料与纤维素酶、半纤维素酶、水混合酶解。
其中，作为优选，所述预处理后的木质纤维素原料、纤维素酶、半纤维素酶、水之间的比例为1g:0.08mL:0.04mL:14mL。
作为优选，所述纤维素酶为Accellarase1500。
作为优选，所述半纤维素酶为Multifect Xylanase。
作为优选，所述酶解为在pH值为4.8体系中于50℃、200rpm转速下酶解反应72h。
由以上技术方案可知，本发明所述方法选择乙二胺作为木质纤维素原料预处理的碱性试剂，并在密闭容器中加热反应，最后以乙醇水溶液萃取，以此达到有效降解木质素，提高纤维素酶解转化葡萄糖的效率。同时，预处理后的木质纤维素原料杂质含量明显低于现有预处理工艺。
具体实施方式
本发明公开了一种木质纤维素原料预处理的方法及应用，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明所述方法和应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：本发明木质纤维素原料预处理方法及酶解方法
1、预处理方法
将5g剪切后的玉米秸秆放入100mL玻璃瓶中，加入1mL乙二胺，搅拌均匀，旋紧瓶盖(木质纤维素原料和纯乙二胺的质量体积比为1g:0.2mL)。
将上述盛有固液混合物的玻璃瓶放入180℃的烘箱中反应60分钟。
取出固液混合物用纱布过滤，固体用50mL 70％(v/v)乙醇溶液对固体进行萃取，将萃取后的固体在25℃下干燥，得到预处理后的固体，经检测杂质含量为2％。
2、酶解方法
取1g经过预处理的固体加入100mL锥形瓶，并向其中加入0.08mL纤维素酶Accellarase1500、0.04mL半纤维素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入浓硫酸使体系pH值＝4.8；
将上述得到的pH值为4.8的体系在50℃、200rpm摇床中酶解反应72h。
本发明检测得到的酶解液中葡萄糖的浓度为9.8g/L，计算得到葡萄糖的转化率为89％。
3、对比例
将5g剪切后的玉米秸秆放入100mL玻璃瓶中，加入1mL 25％的氨水溶液，搅拌均匀，旋紧瓶盖。
将上述盛有固液混合物的玻璃瓶放入180℃的烘箱中反应60分钟。
取出固液混合物用纱布过滤，固体用200mL水洗，过滤，得到预处理后的固体，经检测杂质含量为6％。
取1g经过预处理的固体(干重)加入100mL锥形瓶，并向其中加入0.08mL纤维素酶Accellarase1500、0.04mL半纤维素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入浓硫酸使体系pH值＝4.8；
将上述得到的pH值为4.8的体系在50℃、200rpm摇床中酶解反应72h。
本发明检测得到的酶解液中葡萄糖的浓度为5.3g/L，计算得到葡萄糖的转化率为48％。
实施例2：本发明木质纤维素原料预处理方法及酶解方法
1、预处理方法
将10g剪切后的水稻秸秆放入180mL带密封盖的不锈钢反应器内，加入20mL纯乙二胺，搅拌均匀，旋紧密封盖(木质纤维素原料和纯乙二胺的质量体积比为1g:2mL)。
将上述盛有固液混合物的反应器放入160℃的沙浴锅中反应30分钟。
取出固液混合物用纱布过滤，固体用90mL 40％(v/v)乙醇溶液对固体进行萃取，将萃取后的固体在100℃下干燥，得到预处理后的固体，经检测杂质含量为4％。
2、酶解方法
取1g经过预处理的固体加入100mL锥形瓶，并向其中加入0.08mL纤维素酶Accellarase1500、0.04mL半纤维素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入浓硫酸使体系pH值＝4.8；
将上述得到的pH值为4.8的体系在50℃、200rpm摇床中酶解反应72h。
本发明检测得到的酶解液中葡萄糖的浓度为10.4g/L，计算得到葡萄糖的转化率为93％。
3、对比例
将10g剪切后的水稻秸秆放入180mL带密封盖的不锈钢反应器内，加入100mL 2％的氢氧化钙溶液，搅拌均匀，旋紧密封盖。
将上述盛有固液混合物的反应器放入160℃的沙浴锅中反应30分钟。
取出固液混合物用纱布过滤，固体用400mL水洗，过滤，得到预处理后的固体，经检测杂质含量为19％。
取1g经过预处理的固体(干重)加入100mL锥形瓶，并向其中加入0.08mL纤维素酶Accellarase1500、0.04mL半纤维素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入浓硫酸使体系pH值＝4.8；
将上述得到的pH值为4.8的体系在50℃、200rpm摇床中酶解反应72h。
本发明检测得到的酶解液中葡萄糖的浓度为7.3g/L，计算得到葡萄糖的转化率为66％。
实施例3：本发明木质纤维素原料预处理方法及酶解方法
1、预处理方法
将50g剪切后的玉米秸秆放入1L玻璃瓶中，加入40mL纯乙二胺，搅拌均匀，旋紧瓶盖(木质纤维素原料和纯乙二胺的质量体积比为1g:0.2mL)。
将上述盛有固液混合物的玻璃瓶放入65℃的烘箱中反应120分钟。
取出固液混合物用纱布过滤，固体用300mL 10％(v/v)乙醇溶液对固体进行萃取，将萃取后的固体在150℃下干燥，得到预处理后的固体，经检测杂质含量为8％。
2、酶解方法
取1g经过预处理的固体加入100mL锥形瓶，并向其中加入0.08mL纤维素酶Accellarase1500、0.04mL半纤维素酶Multifect Xylanase和18mL水，再向其中加入浓硫酸使体系pH值＝4.8；
将上述得到的pH值为4.8的体系在50℃、200rpm摇床中酶解反应72h。
本发明检测得到的酶解液中葡萄糖的浓度为9.4g/L，计算得到葡萄糖的转化率为85％。
3、对比例
将50g剪切后的玉米秸秆放入1L玻璃瓶中，加入100mL 5％的氢氧化钠溶液，搅拌均匀，旋紧密封盖。
将上述盛有固液混合物的玻璃瓶放入65℃的烘箱中反应120分钟。
取出固液混合物用纱布过滤，固体用2000mL水洗，过滤，得到预处理后的固体，经检测杂质含量为10％。
取1g经过预处理的固体(干重)加入100mL锥形瓶，并向其中加入0.08mL纤维素酶Accellarase1500、0.04mL半纤维素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入浓硫酸使体系pH值＝4.8；
将上述得到的pH值为4.8的体系在50℃、200rpm摇床中酶解反应72h。
本发明检测得到的酶解液中葡萄糖的浓度为7.9g/L，计算得到葡萄糖的转化率为72％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种木质纤维素原料预处理的方法，其特征在于，用乙二胺处理木质纤维素原料，然后以乙醇水溶液萃取。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，将乙二胺和木质纤维素原料混合，于密闭容器中加热反应，然后将其中的固体以乙醇水溶液萃取、干燥，获得预处理后的固体。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述木质纤维素原料和乙二胺的质量体积比为1g:0.1-2mL。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述加热为加热到60-180℃。
5.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述反应的时间为5-120min。
6.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述干燥的温度为20-160℃ 。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述木质纤维素原料为玉米秸秆或水稻秸秆。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述乙醇水溶液中乙醇体积百分数为1-70％。
9.权利要求1-8任意一项所述方法在纤维素乙醇生产中的应用。
10.一种木质纤维素原料酶解的方法，其特征在于，以权利要求1-8任意一项所述方法预处理木质纤维素原料，然后预处理后的木质纤维素原料与纤维素酶、半纤维素酶、水混合酶解。
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