CN105039456B - 一种提高木质纤维素酶解糖化得率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于木质纤维素酶解技术领域，公开了一种以阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素酶解糖化得率的方法。该方法以阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂进行木质纤维素酶解。本发明利用阴离子表面活性剂与阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素的酶解糖化得率，添加低至0.5‰的阴离子表面活性剂和0.01‰的阳离子表面活性剂，就能使糖化得率提高44～115％。且可使用制浆造纸副产物木质素磺酸盐、木质纤维素的酸性亚硫酸盐法预处理废液直接作为阴离子表面活性剂进行利用，省去木质纤维素底物与预处理液的分离，将预处理液变废为宝，实现木质纤维素资源的综合利用。

Description

一种提高木质纤维素酶解糖化得率的方法
技术领域
本发明属于木质纤维素酶解技术领域，特别涉及一种以阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素酶解糖化得率的方法。
背景技术
石油资源日益枯竭，利用木质纤维素原料生产生物燃料和化学品的研究成为近年来的研究热点。由于木质纤维素具有来源丰富、价格低廉、区域性强等特点，为避免与人争粮，木质纤维素将成为生物乙醇生产最具潜力的原料。木质纤维素生产生物乙醇通常包括预处理、酶解、发酵、蒸馏等工艺。但目前该工艺面临着众多的瓶颈问题，如预处理成本高、酶解效率低、纤维素酶利用效率低等，导致了生物乙醇的总生产成本高，制约着生物乙醇的工业化生产。
目前针对如何提高木质纤维素酶解效率、降低生产成本等问题，国内外众多研究学者已展开了研究。研究发现，聚氧乙烯醚和吐温等非离子表面活性剂可以提高木质纤维素的酶解效率，十六烷基三甲基溴化胺等阳离子表面活性剂提高纤维素酶解的效果不明显，十二烷基硫酸钠等阴离子表面活性剂却抑制木质纤维素的酶解(Eriksson,T.,J.,Tjerneld,F.Mechanism of surfactant effect in enzymatichydrolysis of lignocellulose.Enzyme and Microbial Technology,2002,31,353-364)。但是非离子表面活性剂价格昂贵，不利于降低生物乙醇的生产成本。
最近的研究发现，来自制浆造纸废液的木质素磺酸盐和来自SPORL法预处理松木的废液都可以有效提高木质纤维素的酶解糖化得率(Zhou H.F.,Lou H.M.,Yang D.J.etal.Lignosulfonate to enhance enzymatic saccharification of lignocelluloses:role of molecular weight and substrate lignin.Industrial&EngineeringChemistry Research,2013,52(25):8464-8470；Wang,Z.J.,Lan,T.Q.,Zhu,J.Y.Lignosulfonate and elevated pH can enhance enzymatic saccharification oflignocelluloses.Biotechnology for Biofuels,2013,6:9)。由于木质素磺酸盐是木质纤维素酸性亚硫酸盐法预处理液的主要成分，也可以由生物乙醇生产过程中产生的酶解残渣经过磺化反应后得到。因此，利用木质素磺酸盐为主的预处理液和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，可以省去木质纤维素底物与预处理液分离的传统步骤。将抑制木质纤维素酶解的预处理液变废为宝，与阳离子表面活性剂复配，提高木质纤维素的酶解糖化得率，实现生物质的综合利用，可以降低纤维素乙醇的生产成本，有助于推动纤维素乙醇的工业化。
发明内容
为了克服木质纤维素酶解工艺现有技术所存在的酶解效率低、可发酵糖浓度低、生产成本高等缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种以阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素酶解糖化得率的方法。
本发明另一目的在于提供一种以制浆造纸副产物木质素磺酸盐阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素酶解糖化得率的方法，实现木质素磺酸盐的资源化利用。
本发明再一目的在于提供一种以木质纤维素的酸性亚硫酸盐法预处理废液作为阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素酶解糖化得率的方法。既可以省去木质纤维素底物与预处理液分离的工艺，也可以将抑制木质纤维素酶解的预处理液变废为宝，实现木质纤维素资源的综合利用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种提高木质纤维素酶解糖化得率的方法，该方法以阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂进行木质纤维素酶解。
上述方法具体包括以下步骤：
将木质纤维素加入缓冲溶液中，再加入阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和纤维素酶，加热反应，得到木质纤维素的糖化水解液。
所述的阴离子表面活性剂可为本领域常用阴离子表面活性剂即可，如十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、萘磺酸盐甲醛缩合物、木质素磺酸盐和木质纤维素的酸性亚硫酸盐法预处理废液中的至少一种。
所述的木质素磺酸盐优选为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙和木质素磺酸镁中的至少一种。
所述的木质素磺酸盐优选为制浆造纸副产物木质素磺酸盐。
所述的阴离子表面活性剂优选为制浆造纸副产物木质素磺酸盐。
所述的阴离子表面活性剂更优选为木质纤维素的酸性亚硫酸盐法预处理废液。
所述的阳离子表面活性剂可为本领域常用阳离子表面活性剂即可，如苯基三甲基溴化铵、十烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基乙基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、双十六烷基二甲基溴化铵、氯化十六烷吡啶、苯扎氯铵、聚丙烯酰胺和聚二甲基二烯丙基氯化铵中的至少一种。
所用木质纤维素、阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的质量比为100:(0.05～100):(0.001～100)。
所述的缓冲溶液的pH优选为4.5～6.0，离子强度优选为25～100mmol/L。
所述的缓冲溶液优选为醋酸-醋酸钠缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液和磷酸盐缓冲液中的至少一种。
所用缓冲溶液的量优选为木质纤维素质量的5～50倍。
所述加热反应的条件优选为40～60℃温度下反应48～96h。
所用纤维素酶的量以木质纤维素中的葡聚糖含量计优选为3～30FPU/g。
所述的木质纤维素可为滤纸纤维素、微晶纤维素、松木、桉木、杨木、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣和稻草中的至少一种。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明利用阴离子表面活性剂与阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂，提高木质纤维素的酶解糖化得率，其中制浆造纸副产物木质素磺酸盐可以作为阴离子表面活性剂，其来源丰富、价格低廉且可再生，是一种绿色环保的添加剂。
(2)本发明利用木质纤维素的酸性亚硫酸盐法预处理废液与阳离子表面活性剂复配，明显提高木质纤维素的酶解糖化得率，既可以省去木质纤维素底物与预处理液的分离工艺，也可以将抑制木质纤维素酶解的预处理液变废为宝，实现木质纤维素资源的综合利用。
(3)本发明所述的方法，添加低至0.5‰(占木质纤维素底物)的阴离子表面活性剂和0.01‰(占木质纤维素底物)的阳离子表面活性剂，就能使木质纤维素的糖化得率提高44～115％。
(4)本发明方法有利于降低生物乙醇的生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
下列实施例中所用试剂均可从市场购买得到。
实施例1
取100质量份PH101微晶纤维素，加入到5000质量份pH为4.5，离子强度为25mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入0.05质量份木质素磺酸钠与0.001质量份苯基三甲基溴化铵，再加入5FPU/g以纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下反应72h。反应结束后，固液分离获得纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例2
取100质量份稀酸法预处理过的桉木，加入到2500质量份pH为6.0，离子强度为100mmol/L的磷酸盐缓冲溶液中，加入10质量份十二烷基硫酸钠与1质量份十烷基三甲基溴化铵，再加入5FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在40℃温度下反应72h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例3
取100质量份稀酸法预处理过的松木，加入到2500质量份pH为5.0，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入100质量份十二烷基苯磺酸钠与100质量份十二烷基三甲基氯化铵，再加入10FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下反应72h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例4
取100质量份酸性亚硫酸钠预处理过的松木，加入到5000质量份pH为5.0，离子强度为50mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入100质量份松木的酸性亚硫酸钠预处理液与5质量份十六烷基三甲基氯化铵，再加入20FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在60℃温度下反应48h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例5
取100质量份酸性亚硫酸钠预处理过的杨木，加入到500质量份pH为4.8，离子强度为25mmol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，加入50质量份杨木的酸性亚硫酸钠预处理液与25质量份十六烷基三甲基溴化铵，再加入10FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下反应72h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例6
取100质量份蒸汽爆破预处理过的玉米秸秆，加入到5000质量份pH为5.5，离子强度为50mmol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，加入10质量份木质素磺酸钙与1质量份聚丙烯酰胺，再加入5FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下反应96h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例7
取100质量份稀酸法预处理过的玉米芯，加入到1000质量份pH为4.8，离子强度为100mmol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入10质量份木质素磺酸钙与5质量份聚丙烯酰胺，再加入3FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下反应72h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
实施例8
取100质量份稀酸法预处理过的麦秆，加入到1000质量份pH为5.0，离子强度为50mmol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，加入10质量份萘磺酸盐甲醛缩合物与1质量份聚二甲基二烯丙基氯化铵，再加入30FPU/g以木质纤维素中的葡聚糖含量计的纤维素酶，在50℃温度下反应96h。反应结束后，固液分离获得木质纤维素水解液，通过生物传感分析仪测定葡萄糖含量，统计结果如表1所示。
以上实施例同时做了对应的空白对比例、单独添加等量阴离子表面活性剂或等量阳离子表面活性剂的对比例，与采用本发明方法的实施例进行木质纤维素酶解糖化得率的比较。
采用本发明方法的实施例1～8及加入单一的阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂和空白对比例的质纤维素酶解糖化得率如表1所示。小分子阴离子表面活性剂抑制木质纤维素的酶解、高分子阴离子表面活性剂木质素磺酸盐提高木质纤维素的酶解效率不够明显，阳离子表面活性剂对不同木质纤维素底物的酶解情况不同，而由表1可见，本发明方法可以高效提高不同木质纤维素底物的酶解糖化得率，与空白例相比，提高的酶解糖化得率为44～115％。
特别的是实施例4和实施例5中，与空白例相比，酸性亚硫酸盐法预处理的木质纤维素废液和阳离子表面活性剂复配能使木质纤维素的酶解糖化得率分别提高达48％和61％，即木质纤维素通过酸性亚硫酸盐法预处理后的废液可直接作为阴离子表面活性剂，不需要脱毒分离预处理液，调节pH后加入阳离子表面活性剂，就可以进行酶解糖化，酶解糖化得率提高显著，可以大大降低生物乙醇的生产成本。
表1 各实施例和对比例木质纤维素酶解糖化得率的比较
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提高木质纤维素酶解糖化得率的方法，其特征在于该方法以阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配作为酶解助剂进行木质纤维素酶解；
所用木质纤维素、阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的质量比为100:（10～100）:（1～100）；
所述的阳离子表面活性剂为苯基三甲基溴化铵、十烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基乙基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、双十六烷基二甲基溴化铵、氯化十六烷吡啶、苯扎氯铵、聚丙烯酰胺和聚二甲基二烯丙基氯化铵中的至少一种；
所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、萘磺酸盐甲醛缩合物中的至少一种；此时，所用阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的质量比为100:（10～100）；
或所述的阴离子表面活性剂为木质素磺酸盐；所述的木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钙和木质素磺酸镁中的至少一种；此时，所用阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的质量比为100:（2～50）；
或所述的阴离子表面活性剂为木质纤维素的酸性亚硫酸盐法预处理废液；此时，所用阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂的质量比为100:（5～50）；
具体包括以下步骤：
将木质纤维素加入缓冲溶液中，再加入阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和纤维素酶，加热反应，得到木质纤维素的糖化水解液；
所述的缓冲溶液的pH为4.5～6.0，离子强度为25～100 mmol/L；所用纤维素酶的量以木质纤维素中的葡聚糖含量计为3～30 FPU/g；所述加热反应的条件为40～60℃温度下反应48～96 h。
2.根据权利要求1所述的提高木质纤维素酶解糖化得率的方法，其特征在于：所述的木质纤维素为滤纸纤维素、微晶纤维素、松木、桉木、杨木、玉米芯、玉米秸秆、麦秆、甘蔗渣和稻草中的至少一种。
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金属离子对纤维素酶活力影响的研究;李德莹等;《酿酒科技》;20090618(第6期);40-46 *

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