CN105039460B

CN105039460B - 一种竹材预处理方法及其在酶解糖化中的应用

Info

Publication number: CN105039460B
Application number: CN201510478533.5A
Authority: CN
Inventors: 蒋建新; 秦书百川; 王永淼; 卜令习; 朱莉伟; 孙达峰
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: CN105039460A

Abstract

本发明属于生物乙醇领域，具体涉及一种竹材预处理方法及其在酶解糖化中的应用。目前，利用竹材制备燃料乙醇的过程中，竹材酶解糖化这一过程转化率较低，大大影响了乙醇的收率。本发明针对竹材进行了预处理，并优化了竹材酶解糖化的酶解条件。本发明竹材所采用的预处理方法为首先采用碱性亚硫酸盐对竹材进行预浸渍，然后将预浸渍后的竹材在特定条件下，低强度蒸汽爆破。本发明通过对竹材的预处理，有效提高了竹材酶解时转化为葡萄糖的转化率，并同时获得碱木素和木素磺酸盐的副产物，提高了竹材的利用价值。本发明葡萄糖转化率可高达92.3％。

Description

一种竹材预处理方法及其在酶解糖化中的应用

技术领域

本发明属于生物乙醇领域，具体涉及一种竹材预处理方法及其在酶解糖化中的应用。

背景技术

随着人们对全球变暖和石油危机的日益关注，发展低碳循环经济成为关注重点。木质生物质原料生产乙醇是第二代生物燃料中最富活力、最具发展前景的产业。生物质工程需要解决的首要问题是将大分子糖，如纤维素和半纤维素降解为可生物利用的还原糖。木质纤维原料主要含有纤维素、半纤维素和木质素，木质素对纤维素、半纤维素的包裹作用以及纤维素本身的结晶结构使得木质纤维素在酶解糖化中酶的可及度降低，因此必须对木质纤维原料进行预处理。目前针对木质纤维素原料的预处理方法主要有：粉碎与研磨、高压蒸汽爆破、热解、碱处理、酸处理、氧化处理、生物处理以及几种方法的联合。

在众多的木质纤维原料中，竹材分布广泛，在亚洲和南美洲有大面积的竹林。竹子属于禾本科植物，已经广泛用于造纸、食材、建筑和材料等各个方面。同时，由于其具有生长时间短，择伐周期短和便于运输，并且竹材含有40～50％纤维素，10～20％半纤维素，灰分含量低，竹材在生产生物能源和生物化学品上已经成为极具潜力和竞争力的原料之一。

与其他木质纤维原料相比，竹材最大的优势在于其生长周期短(3～5年)。然而，竹材比农业废弃物和一些树木更难有效降解，使得竹材酶解糖化转化率低。有数据表明，小麦秸秆采用不添加药剂的低压蒸汽爆破处理，后续酶解中，纤维素-葡萄糖转化率可以达到90％。相比而言，竹材经过3.5Mpa的高压蒸汽爆破后，纤维素-葡萄糖转化率只能达到42.6％，即使在此基础上采用SO₂蒸汽辅助，该转化率也只能提高到62.7％。

本发明的目的是利用竹材的特点，创造性的采用碱性亚硫酸盐进行预浸渍，并与低压蒸汽爆破相结合(1.25Mpa)，大幅度的提升酶解过程中纤维素-葡萄糖转化率的同时，降低成本投入，简化预处理工艺，高效回收可发酵性单糖、碱木素和木素磺酸盐。此发明方法工艺简洁高效，有利于投入工业生产中。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明旨在提供一种竹材预处理方法及其在酶解糖化中的应用，具体包含以下步骤：

步骤(1)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为2～8g/L；采用氢氧化钠调节pH为9.5～10.5，预浸渍10～15h；

步骤(2)低强度蒸汽爆破：将预浸渍后的竹材在1～1.5Mpa下，蒸汽爆破3～5min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣。

针对结构致密的竹材，本发明采用碱性亚硫酸钠浸渍处理。本发明通过氢氧化钠调节亚硫酸钠的pH值，两者的协同作用，使其具有强渗透和润胀纤维作用，并大大提高了竹子的亲水性能。相比传统的稀酸法、酸性亚硫酸盐法，能够更有效去除竹材中的木质素，从而增加纤维素和半纤维素的纯度。本发明特定条件下的低压蒸汽爆破在节省蒸汽爆破能耗的同时，能够使竹片结构疏松，但对碳水化合物(纤维素和半纤维素)脱除量低，有利于碳水化合物的保留和后续利用。

本发明优选将竹材预先处理为长1～3cm，宽、厚各1～3mm的竹材棒状结构；向所述竹材棒状结构中加入水，并控制水的加入量，使竹材质量含量为5～10％，得竹材水溶液；优选所述竹材含水率小于10％。

本发明通过大量实验发现，将竹材预先处理为长1～3cm，宽、厚各1～3mm的竹材棒状结构时，既可以节约机械能，又能使竹材在后续处理中，使木质素与纤维素和半纤维素充分分离，从而提高竹材酶解糖化的效率。另外，如果竹材中含水率过高，将增加机械破碎时的机械耗能。

本发明优选所述步骤(1)中，亚硫酸钠含量为4～6g/ml，调节pH值为10。

本发明采用碱性亚硫酸钠对竹材进行浸渍处理，可在常温下进行。本发明通过实验发现，通过亚硫酸钠的磺化作用和氢氧化钠的简化断裂作用以及两者的协同作用，可以在浸渍和后续爆破过程中有效去除竹材中的木质素，且能有效保留竹材中的碳水化合物成分。本发明优选所述步骤(1)中，亚硫酸钠含量为4～6g/ml，调节pH值为10。本发明通过大量实验发现，在该条件下，竹材的木质素与纤维素和半纤维素分离更彻底。

本发明将所述步骤(2)预浸渍后的竹材爆破处理前，预先经过压榨处理，控制其含水率为50～55％。经过步骤(1)浸渍后的竹材含水量较高，不利于爆破处理的进行，控制其含水率为50～55％，可以有效提升爆破效率。

本发明优将所述步骤(2)中固体竹材渣压榨至其含水率为50～55％。优选压榨处理前，加入去离子水冲洗固体竹材渣，以除去固体竹材渣中的杂质离子。

本发明提供了一种竹材预处理方法在竹材酶解糖化中的应用，将所述竹材采用上述预处理方法进行处理。

本发明竹材酶解糖化过程为：向所述固体竹材渣中加水，并加入纤维素酶进行酶解；酶解温度为45～50℃，酶解时间为70～75h；优选控制水的加入量，使固体竹材渣的质量含量为5～10％。本发明酶解时的纤维素酶优选采用活力值为18～22FPU/g的纤维素酶进行酶解。

本发明向所述酶解过程中加入pH为4.5～5的醋酸钠缓冲液；优选pH为4.8。醋酸钠缓冲液的加入,可以有效控制酶解过程的pH值，维持酶解过程的顺利进行

本发明优选向所述酶解过程中加入质量含量为0.5～1％的无患子皂素。无患子作为表面活性剂的加入，可以有效提高酶解的效率，降低木质素的抑制作用，提高酶解的速度。

本发明向所述爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；将所述滤液经膜分离、浓缩、干燥，得木素磺酸盐。

本发明向所述步骤(2)爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；所述滤液经膜分离、浓缩干燥，得木素磺酸盐。本发明通过对爆破液的进一步处理，可以得到碱木素和木素磺酸盐产品，从而提高竹材资源的利用价值。

本发明通过碱性亚硫酸钠预浸渍与低强度蒸汽爆破相结合的预处理方法，能够有效的脱除竹材中的木质素，使竹片的结构疏松，纤维充分润胀。本发明特定条件的低强度蒸汽爆破，与高强度蒸汽爆破相比，能耗低，碳水化合物保留率高，后续酶解效率高。本发明通过用氢氧化钠调节pH为9.5～10.5，既可以有效去除竹材中的木质素，又能够有效保留竹材中的碳水化合物成分。本发明低强度蒸汽爆破液中含有大量碱化木素和磺化木素，经过酸析可制备碱化木素，再通过膜分离、减压浓缩可制备木素磺酸盐，工艺简洁高效，所得样品纯度较高，可以直接用进行商业应用。本发明预处理工艺路线简化，和现有工业具有良好兼容性。本发明预浸渍竹材后的碱性亚硫酸钠溶液，补加少量药液后，浸渍液即可循环使用，化学品消耗低，环境污染小。

本发明竹材酶解糖化转化率可高达92.3％，远高于现有技术平均水平。

本发明浓度均为质量浓度。

附图说明

图1为本发明实施例4的流程图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。

以下各实施例中所采用的竹材为普通竹材，本发明所使用检测分析手段为本领域常规技术手段。

实施例1：

本实施例提供了一种竹材预处理方法，具体包含以下步骤：

步骤(1)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为2g/L；采用氢氧化钠调节pH为9.5，浸渍10h；

步骤(2)低强度蒸汽爆破：将预浸渍后的竹材在1Mpa下，蒸汽爆破3min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣。

实施例2：

步骤(1)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为8g/L；采用氢氧化钠调节pH为10.5，浸渍15h；

步骤(2)低强度蒸汽爆破：将预浸渍后的竹材在1.5Mpa下，蒸汽爆破5min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣。

实施例3：

步骤(1)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为6g/L；采用氢氧化钠调节pH为10，浸渍15h；

步骤(2)低强度蒸汽爆破：将预浸渍后的竹材在1.5Mpa下，蒸汽爆破3min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣。

实施例4：

本实施例提供了一种竹材预处理方法在酶解糖化中的应用，具体包含以下步骤：

步骤(1)原料准备：将竹材预先处理为长2cm，宽、厚各2mm的竹材棒状结构；向所述竹材棒状结构中加入水，并控制水的加入量，使竹材质量含量为5％，得竹材水溶液；

步骤(2)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为2g/L；采用质量浓度为10％的氢氧化钠调节其pH为10.5，于25℃下浸渍15h；

步骤(3)蒸汽爆破：将浸渍后的竹材预先经过压榨处理，控制其含水率为50％；然后在1.25Mpa下蒸汽爆破处理4min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣；

步骤(4)酶解糖化：向所述固体残渣中加水，使固体残渣的质量含量为5％，加入pH为4.8的醋酸钠缓冲液，加入质量含量为0.5％的无患子皂素，并加入22FPU/g的纤维素酶进行酶解，即得；所述酶解温度为47.5℃，酶解时间为72h；

步骤(5)酸析分离：向所述爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；将所述滤液经膜分离、浓缩干燥，得木素磺酸盐。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为70.43％，碱木素得率为10.23％，木素磺酸盐得率为19.40％。

本实施例的流程图如说明书附图1所示。

实施例5

步骤(1)原料准备：将竹材预先处理为长1cm，宽、厚各1mm的竹材棒状结构；向所述竹材棒状结构中加入水，并控制水的加入量，使竹材质量含量为5％，得竹材水溶液；

步骤(2)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为2g/L；采用质量浓度为10％的氢氧化钠调节其pH为10.5，于20℃下浸渍10h；

步骤(3)蒸汽爆破：将浸渍后的竹材预先经过压榨脱水处理，控制其含水率为50％；然后在1Mpa下蒸汽爆破处理3min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣；

步骤(4)酶解糖化：向所述固体残渣中加水，使固体残渣的质量含量为5％，加入pH为4.5的醋酸钠缓冲液，加入质量含量为0.5％的无患子皂素，并加入18FPU/g的纤维素酶进行酶解，即得；所述酶解温度为45℃，酶解时间为70h；

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为36.22％，碱木素得率为10.23％，木素磺酸盐得率为19.40％。

实施例6

步骤(1)原料准备：将竹材预先处理为长3cm，宽、厚各3mm的竹材棒状结构；向所述竹材棒状结构中加入水，并控制水的加入量，使竹材质量含量为10％，得竹材水溶液；

步骤(2)预浸渍：向竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为8g/L；采用质量浓度为10％的氢氧化钠调节其pH为9.5，于25℃下浸渍15h；

步骤(3)蒸汽爆破：将浸渍后的竹材爆破处理前，预先经过压榨脱水处理，控制其含水率为55％；然后在1.5Mpa下蒸汽爆破处理5min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣；

步骤(4)酶解糖化：向所述固体残渣中加水，使固体残渣的质量含量为10％，加入pH为5的醋酸钠缓冲液，加入质量含量为1％的无患子皂素，并加入22FPU/g的纤维素酶进行酶解，即得；所述酶解温度为50℃，酶解时间为75h；

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为64.43％，碱木素得率为8.21％，木素磺酸盐得率为23.48％。

实施例7

步骤(1)原料准备：将竹材预先处理为长1.5cm，宽、厚各2.5mm的竹材棒状结构；向所述竹材棒状结构中加入水，并控制水的加入量，使竹材质量含量为8％，得竹材水溶液；

步骤(2)预浸渍：向所述竹材水溶液中加入亚硫酸钠，控制亚硫酸钠加入量，使其含量为6g/L；采用质量浓度为1％的氢氧化钠调节其pH为10，于22℃下浸渍12h；

步骤(3)蒸汽爆破：将浸渍后的竹材爆破处理前，预先经过压榨脱水处理，控制其含水率为52％；然后在1.2Mpa下蒸汽爆破处理4min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣；

步骤(4)酶解糖化：向所述固体残渣中加水，使固体残渣的质量含量为7.5％，加入pH为4.8的醋酸钠缓冲液，加入质量含量为0.8％的无患子皂素，并加入20FPU/g的纤维素酶进行酶解，即得；所述酶解温度为48℃，酶解时间为72h；

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为65.37％，碱木素得率为9.15％，木素磺酸盐得率为22.50％。

实施例8

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中步骤(2)中向所述竹材水溶液中加入亚硫酸钠进行预浸渍，控制其加入量使其含量为4g/L。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为65.03％，碱木素得率为8.72％，木素磺酸盐得率为23.02％。

实施例9

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中步骤(2)中，通过氢氧化钠调节pH为9.5。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为68.90％，碱木素得率为9.75％，木素磺酸盐得率为19.11％。

实施例10

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中步骤(4)中，加入0.5g/L的无患子皂素。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为92.30％，碱木素得率为10.23％，木素磺酸盐得率为19.40％。

实施例11

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中步骤(4)中纤维素酶的活力值为18FPU/g。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为63.55％，碱木素得率为10.23％，木素磺酸盐得率为19.40％。

对比例1

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中不包含步骤(2)的预浸渍步骤，即本实施例的竹材未经碱性亚硫酸钠浸渍处理。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为31.36％，未获得碱木素和木素磺酸盐。

对比例2

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中不包含步骤(2)的预浸渍过程，以及步骤(3)的蒸汽爆破过程。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为5.06％，未获得碱木素和木素磺酸盐。

对比例3

与实施例4相比，本实施例区别仅在于：本实施例中不包含步骤(2)的预处理步骤，本实施例中步骤(4)所述酶解过程中加入0.5g/L的无患子皂素。

经检测，本实施例竹材中纤维素转化为葡萄糖的转化率为41.46％，未获得碱木素和木素磺酸盐。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作出一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种竹材预处理方法，其特征在于，包含以下步骤：

将竹材预先处理为长1～3cm，宽、厚各1～3mm的竹材棒状结构；向所述竹材棒状结构中加入水，并控制水的加入量，使竹材质量含量为5～10％，得竹材水溶液；

步骤(2)低强度蒸汽爆破：将预浸渍后的竹材在1～1.5Mpa下，蒸汽爆破3～5min，经过滤，得爆破液和固体竹材渣；

将所述步骤(2)预浸渍后的竹材爆破处理前，预先经过压榨处理，控制其含水率为50～55％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，亚硫酸钠含量为4～6g/L，采用氢氧化钠调节pH为10。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述步骤(2)中固体竹材渣压榨至其含水率为50～55％。

4.一种竹材预处理方法在竹材酶解糖化中的应用，其特征在于，将所述竹材采用权利要求1或2所述的预处理方法进行预处理。

5.一种竹材预处理方法在竹材酶解糖化中的应用，其特征在于，将所述竹材采用权利要求3所述的预处理方法进行预处理。

6.如权利要求4所述的应用，其特征在于，向所述固体竹材渣中加水，并加入纤维素酶进行酶解，酶解温度为45～50℃，酶解时间为70～75h；控制水的加入量，使固体竹材渣的质量含量为5～10％。

7.如权利要求5所述的应用，其特征在于，向所述固体竹材渣中加水，并加入纤维素酶进行酶解，酶解温度为45～50℃，酶解时间为70～75h；控制水的加入量，使固体竹材渣的质量含量为5～10％。

8.如权利要求4所述的应用，其特征在于，向所述酶解过程中加入pH为4.5～5的醋酸钠缓冲液。

9.如权利要求5-7任一项所述的应用，其特征在于，向所述酶解过程中加入pH为4.5～5的醋酸钠缓冲液。

10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述酶解过程中加入pH为4.8的醋酸钠缓冲液。

11.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述酶解过程中加入pH为4.8的醋酸钠缓冲液。

12.如权利要求4所述的应用，其特征在于，向所述酶解过程中加入质量含量为0.5～1％的无患子皂素。

13.如权利要求5-8、10-11中任一项所述的应用，其特征在于，向所述酶解过程中加入质量含量为0.5～1％的无患子皂素。

14.如权利要求9所述的应用，其特征在于，向所述酶解过程中加入质量含量为0.5～1％的无患子皂素。

15.如权利要求4所述的应用，其特征在于，向所述爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；将所述滤液经膜分离、浓缩干燥，得木素磺酸盐。

16.如权利要求5-8、10-12、14中任一项所述的应用，其特征在于，向所述爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；将所述滤液经膜分离、浓缩干燥，得木素磺酸盐。

17.如权利要求9所述的应用，其特征在于，向所述爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；将所述滤液经膜分离、浓缩干燥，得木素磺酸盐。

18.如权利要求13所述的应用，其特征在于，向所述爆破液中加入盐酸，过滤，得碱木素和滤液；将所述滤液经膜分离、浓缩干燥，得木素磺酸盐。