CN104894188A - 一种酶解糖化蔗渣的预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有效酶解糖化蔗渣的预处理方法，该方法将蔗渣干燥，粉碎，筛分后，用氢氧化钠和含氧试剂对蔗渣进行预处理。预处理后所得蔗渣半纤维素和木质素的最大脱除率分别可达到45%和82%，纤维素酶解糖化率超过99%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了97%。本发明方法能有效破坏半纤维素和木质素对纤维素酶解的阻碍，改善蔗渣的抗酶解特性，充分提高纤维素酶解糖化率。预处理后所得的蔗渣被酶解糖化后可用于微生物发酵乙醇等能源化学品，实现蔗渣废弃资源的有效利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种酶解糖化蔗渣的预处理方法,属于生物质能源工程领域。
背景技术
木质纤维素是世界第四大资源，具备环境友好、可再生，并且储存量相当丰富等特点，是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源。随着化石资源带来的能源危机和环境污染问题的日益激化，利用木质纤维素转化为多种形态能源（生物乙醇、生物柴油、沼气、氢气和燃料电池）等产物受到人们的广泛关注。
蔗渣是甘蔗经机械压榨、浸提后所得的部分，是甘蔗制糖工业的主要副产物，是一种重要的木质纤维素原料。中国是仅次于巴西和印度的第三大甘蔗种植国，南方地区甘蔗渣年产量达700万t。长期以来大批量的蔗渣没有得到充分的利用，而是作为燃料烧掉或废弃，不但浪费资源，而且污染环境。因此开发利用蔗渣资源，不但可以提高糖厂的经济效益，还可为其他行业提供大量的资源，具有十分重大的现实意义。通过预处理和酶解可将蔗渣转化为单糖或低聚糖，进一步采用生物或化学手段可转化为乙醇等能源或其他重要化工产品，因此让人们对蔗渣寄予了更多的希望。
蔗渣的主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素3大组分，能被微生物作为碳源利用的主要是纤维素水解而成的葡萄糖。蔗渣中的木质素具有网状结构支撑并包裹着纤维素和半纤维素。半纤维素交联在纤维素木质素之间与蔗渣纤维素微纤丝的结晶结构形成了复杂结合层结构。这种结构阻碍了化学试剂和酶制剂对纤维素的作用。如何破坏纤维素的结晶结构，去除木质素，提高基质的孔隙率是蔗渣利用技术的瓶颈。而蔗渣的预处理目的就是破坏结晶区、脱除木素。因此，开发利用蔗渣资源制备生物乙醇的关键在于蔗渣的预处理。
目前，木质纤维素的预处理方法可分为以下几种：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化法等；化学方法——主要包括碱处理、稀酸处理、浓酸处理以及有机溶剂处理等；生物方法；综合法。然而，依然存在成本高、效率低、污染严重等技术瓶颈有待突破，需要进一步研究，降低预处理成本，提高预处理效率。
目前文献报道关于蔗渣预处理多数集中在单独NaOH溶液作用下处理，或在其它物理或化学辅助下进行，如微波、超声波等。而关于用NaOH与含氧试剂结合协同预处理蔗渣则鲜见报道。单独NaOH预处理需在高温高压条件下进行，不但设备成本要求高，而且有大部分的纤维素脱除，且产生的发酵抑制物含量多。本发明提供的预处理方法采用较低浓度的NaOH溶液在含氧试剂辅助下对蔗渣进行预处理，不仅降低了整个预处理过程纤维素的脱除、提高了纤维素的酶解糖化率，而且有氧参与可改善预处理过程的清洁性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种酶解糖化蔗渣的预处理方法，利用低浓度的NaOH溶液结合含氧试剂在高压反应釜中对干燥粉碎后的蔗渣进行预处理，从而改变原材料的天然特性，打破纤维素的结晶结构以及半纤维素和木质素对纤维素的包裹，改善蔗渣木质纤维素难降解的化学特性，促进纤维素酶和微生物对纤维素的有效接触，实现蔗渣木质纤维素到乙醇等产品的高效转化。
本发明通过以下步骤实现发明目的：
（1）蔗渣经干燥、粉碎、筛分制得粒度在40~80目间的蔗渣原料；
（2）按步骤（1）得到的蔗渣原料与NaOH溶液按质量体积比（蔗渣原料的质量和NaOH溶液的体积的比值）为1:5~1:20的比例将蔗渣原料加入到NaOH溶液（质量百分比浓度为1~1.2%）中，然后放入高压反应釜中，密闭后加入含氧试剂，在70~90℃条件下处理0.5~2h；所述含氧试剂可以为H2O2、O2中的一种，H2O2在混合溶液中的浓度为0.3~0.9%，O2压力为0.1~0.7MPa。
（3）将步骤（2）所得的蔗渣过滤，滤渣用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，然后干燥至恒重得到预处理后蔗渣，备用于后续酶解糖化。
（4）利用硫酸水解法测定预处理前后蔗渣的纤维素、半纤维素和木质素含量；
（5）预处理后的蔗渣用于常规的酶解糖化，即称取预处理后的蔗渣样品1g，加入pH为4.8的0.1M磷酸盐缓冲液50mL，然后加入0.0227g的纤维素酶(百麦纤维素酶，5FPU/g蔗渣)和0.2381g的β-葡萄糖苷酶（锐阳生物，15U/g蔗渣），在温度50℃、转速200rpm条件下反应48h，反应后测定葡萄糖和木糖含量。
本发明相对于现有技术的优点和技术效果：
蔗渣预处理过程在温和条件下进行，只需简单的加热设备即可满足；采用氧试剂辅助NaOH进行预处理，减少了化学试剂用量，使整个预处理过程更加清洁环保；半纤维素和木质素脱除率高，提高了纤维素的酶解糖化率；结果显示：阻碍纤维素酶解的主要组分木质素的最大脱除率达82%，半纤维素最大脱除率达45%，纤维素酶解糖化率超过99%，相比未处理蔗渣原材料的酶解糖化率提高了97%，相比现存预处理方法本发明方法具有酶解效率高、成本低和清洁的优势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1
本实施例所述酶解糖化蔗渣的预处理方法，具体包括如下步骤：
（1）将蔗渣粉碎、筛分制得粒度40目的原料后在105℃下干燥24h。
（2）称取5g蔗渣与50mL NaOH溶液混合，加入到高压反应釜中搅拌均匀，严格控制氧压通氧至0.1MPa，在90℃下预处理0.5h。其中：NaOH溶液的质量百分比浓度为1%, 蔗渣和NaOH溶液的质量体积比为1:10（w/v）。
（3）将预处理后的蔗渣过滤，滤渣用蒸馏水洗涤至滤液为中性，105℃下干燥至恒重，即得到预处理后蔗渣，备用。
将干燥、粉碎、筛分后的未处理的蔗渣和预处理后的蔗渣样品置于105℃干燥至恒重，用硫酸水解法进行纤维素、半纤维素和木质素含量的测定，预处理的目的在于破坏原材料的结构，打破半纤维素和木质素对纤维素的包裹，提高原料中纤维素可及度。
经检测，未处理过的蔗渣原料中纤维素、半纤维素和木质素的相对含量分别为41%，33%和19%；经预处理后的蔗渣的纤维素、半纤维素和木质素相对含量分别为52%，30%和6%，相应的各组分的脱除率分别为10.3%，44.0%和79.2%，半纤维素和木质素的脱除明显。
（4）预处理后的蔗渣用于酶解糖化，即称取预处理后的蔗渣样品1g，加入pH为4.8的0.1M磷酸盐缓冲液50mL，然后加入0.0227g的纤维素酶(百麦纤维素酶，5FPU/g蔗渣)和0.2381g的β-葡萄糖苷酶（锐阳生物，15U/g蔗渣），在温度50℃、转速200rpm条件下反应48h，反应后测定葡萄糖和木糖含量。计算得纤维素酶解糖化率为99.8%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了97%；半纤维素酶解糖化率为96.0%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了91%。
实施例2
本实施例所述酶解糖化蔗渣的预处理方法，具体包括如下步骤：
（1）将蔗渣粉碎、筛分制得粒度在60目间的原料后在105℃下干燥24h。
（2）称取10g蔗渣与50mL NaOH溶液混合，加入到高压反应釜中搅拌均匀，加入H2O2，其在混合液中的浓度为0.3%，在70℃下预处理1h；其中：NaOH溶液的质量百分比浓度为1.2%, 蔗渣和NaOH溶液的质量体积比为1:5（w/v）。
（3）将预处理后的蔗渣过滤，滤渣用蒸馏水洗涤至滤液为中性，105℃下干燥至恒重，即得到预处理后蔗渣，备用。
将干燥、粉碎、筛分后的未处理的蔗渣和预处理后的蔗渣样品置于105℃干燥至恒重，用硫酸水解法进行纤维素、半纤维素和木质素含量的测定，预处理的目的在于破坏原材料的结构，打破半纤维素和木质素对纤维素的包裹，提高原料中纤维素可及度。
经检测，未处理过的蔗渣原料中纤维素、半纤维素和木质素的相对含量分别为41%，33%和19%；经预处理后的蔗渣的纤维素、半纤维素和木质素相对含量分别为50%，31%和7%，相应的各组分的脱除率分别为8.5%，29.5%和72.4%，半纤维素和木质素的脱除明显。
（4）预处理后的蔗渣用于酶解糖化，即称取预处理后的蔗渣样品1g，加入pH为4.8的0.1M磷酸盐缓冲液50mL，然后加入0.0227g的纤维素酶(百麦纤维素酶，5FPU/g蔗渣)和0.2381g的β-葡萄糖苷酶（锐阳生物，15U/g蔗渣），在温度50℃、转速200rpm条件下反应48h，反应后测定葡萄糖和木糖含量。计算得纤维素酶解糖化率为99.0%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了96%；半纤维素酶解糖化率为94.0%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了89%。
实施例3
本实施例所述酶解糖化蔗渣的预处理方法，具体包括如下步骤：
（1）将蔗渣粉碎、筛分制得粒度在80目间的原料后在105℃下干燥24h；
（2）称取5g蔗渣与100mL NaOH溶液混合，加入到高压反应釜中搅拌均匀，严格控制氧压通氧至0.7MPa，在80℃下预处理2h。其中：NaOH溶液的质量百分比浓度为1.1%, 蔗渣和NaOH溶液的质量体积比为1:20（w/v）；
（3）将预处理后的蔗渣过滤，滤渣用蒸馏水洗涤至滤液为中性，105℃下干燥至恒重，即得到预处理后蔗渣，备用。
将干燥、粉碎、筛分后的未处理的蔗渣和预处理后的蔗渣样品置于105℃干燥至恒重，用硫酸水解法进行纤维素、半纤维素和木质素含量的测定，预处理的目的在于破坏原材料的结构，打破半纤维素和木质素对纤维素的包裹，提高原料中纤维素可及度。
经检测，未处理过的蔗渣原料中纤维素、半纤维素和木质素的相对含量分别为41%，33%和19%；经预处理后的蔗渣的纤维素、半纤维素和木质素相对含量分别为55%，28%和5%，相应的各组分的脱除率分别为6.1%，40.6%和81.6%，半纤维素和木质素的脱除明显。
（4）预处理后的蔗渣用于酶解糖化，即称取预处理后的蔗渣样品1g，加入pH为4.8的0.1M磷酸盐缓冲液50mL，然后加入0.0227g的纤维素酶(百麦纤维素酶，5FPU/g蔗渣)和0.2381g的β-葡萄糖苷酶（锐阳生物，15U/g蔗渣），在温度50℃、转速200rpm条件下反应48h，反应后测定葡萄糖和木糖含量。计算得纤维素酶解糖化率为100%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了97%；半纤维素酶解糖化率为93.0%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了88%。
实施例4
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程的最终氧压为0.3MPa。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为31.5%和78.2%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，得纤维素酶解糖化率99.1%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了96%；半纤维素酶解率为95.4%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了90%。
实施例5
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程的最终氧压为0.5Mpa。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为33.1%和78.5%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，得纤维素酶解糖化率为99.6%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了97%；半纤维素酶解率为95.5%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了90%。
实施例6
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程的最终氧压为0.7Mpa。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为40.5%和77.5%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，得纤维素酶解糖化率为99.1%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了96%；半纤维素酶解率为94.8%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了90%。
实施例7
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程改为加入H2O2，其在混合液中的浓度为0.9%。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为45.0%和82.1%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，得纤维素酶解糖化率为99.8%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了97%；半纤维素酶解率为94.0%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了90%。
实施例8
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程改为加入H2O2，其在混合液中的浓度为0.3%。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为38.0%和77.8%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，得纤维素酶解糖化率为99.3%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了96%；半纤维素酶解率为94.0%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了89%。
实施例9
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程改为加入H2O2，其在混合液中的浓度为0.5%。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为40.5%和77.7%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，计算得纤维素酶解糖化率为99.5%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了97%；半纤维素酶解率为92.0%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了89%。
实施例10
本实施例所述的甘蔗渣预处理方法，具体步骤同实施例1，不同在于：通氧过程改为加入H2O2，其在混合液中的浓度为0.7%。经预处理后半纤维素和木质素的脱除率分别为41.2%和79.8%。预处理后的蔗渣用于酶解糖化，计算得纤维素酶解糖化率为99.1%，相比未处理蔗渣原料的酶解糖化率提高了96%；半纤维素酶解率为92.7%，相比未处理蔗渣原材料的酶解效率提高了88%。
Claims (5)
1.一种酶解糖化蔗渣的预处理方法，其特征在于，包括以下的工艺步骤：
（1）蔗渣经干燥、粉碎、筛分制得粒度在40~80目间的蔗渣原料；
（2）按步骤（1）得到的蔗渣原料与NaOH溶液按质量体积比为1:5~1:20的比例将蔗渣原料加入到NaOH溶液中，然后放入高压反应釜中，密闭后加入含氧试剂，在70~90℃条件下处理0.5~2h；
（3）将步骤（2）所得的蔗渣过滤，滤渣用蒸馏水洗涤至滤液呈中性，然后干燥至恒重得到预处理后蔗渣，备用于后续酶解糖化。
2.根据权利要求1所述的酶解糖化蔗渣的预处理方法，其特征在于：所述NaOH溶液的质量百分比浓度为1~1.2%。
3.根据权利要求1所述的酶解糖化蔗渣的预处理方法，其特征在于：步骤（2）所述的含氧试剂为H2O2、O2中的一种。
4.根据权利要求3所述的酶解糖化蔗渣的预处理方法，其特征在于：H2O2在混合溶液中的浓度为0.3~0.9%。
5.根据权利要求3所述的酶解糖化蔗渣的预处理方法，其特征在于：O2压力为0.1~0.7MPa。
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