CN105063100A

CN105063100A - 一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法

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Publication number: CN105063100A
Application number: CN201510553015.5A
Authority: CN
Inventors: 卿青; 周琳琳; 黄美子; 张跃; 何玉财; 王利群
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2015-11-18

Abstract

本发明公开了一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，属于再生能源技术领域。按照下述步骤进行：将非木材纤维原料浸泡在混合溶剂中，底物浓度5～20g/L，在50～120℃处理1～6h，反应结束后加0.5～2倍体积的去离子水室温搅拌10～30min再生纤维素原料，固体残渣用水洗涤，即完成预处理过程。预处理后的固体回收率在40%～80%之间，木质素去除率在20%～90%之间，纤维素保留率75%～95%之间，半纤维素保留率70～90%之间。该预处理方法有效的去除木质素，大量的保留纤维素和半纤维素，从而提高酶水解糖化效率。

Description

一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法

技术领域

本发明涉及一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，属于再生能源技术领域。

背景技术

能源安全和温室气体排放问题使得以非石油资源作为替代能源日益引起世界各国的重视。生物质能源是一种合适的环境友好且可再生的替代能源。目前生产的生物乙醇主要以淀粉和糖类为原料，因此对其可持续性一直有相当多的争论。在这种情况下，木质纤维素生物质因其不与粮争地和价格优廉等优势成为了替代淀粉乙醇的一个值得关注的选择。利用木质纤维素原料生产纤维素乙醇已得到大家公认。但是由于我国木材资源有限，所以非木材木质纤维素原料尤其是农业废弃物及食品加工厂废料得到了很大的关注。

木质纤维素原料主要由三种相互关联的不同类型的聚合物（即纤维素，半纤维素和木质素）组成。纤维素完全水解可得到葡萄糖，葡萄糖经发酵可转化成酒精。在植物组织中，纤维素与半纤维素、纤维素与木质素分子之间主要通过氢键结合，半纤维素与木质素之间的连接除了氢键外，还存在醚键、酯键等化学键，形成一种天然屏障包裹着纤维素，使其很难被微生物或催化剂直接水解释放出可发酵的单糖。通过预处理可以破坏非木材木质纤维素原料结构，降低纤维素的结晶度，脱除或分离部分木质素和半纤维素，从而增加非木材木质纤维素原料表面的孔隙度、松散度，提高催化剂或酶对纤维素的可及性，从而提高酶水解糖化效率，提高乙醇得率。

目前，常用的预处理技术可以归纳为四类，即物理、化学、物理-化学和生物预处理，或者是这些方法的组合使用。化学法预处理主要指用氧化剂、有机溶剂、无机酸、碱、盐等作为预处理催化剂。碱法预处理是由于半纤维素与木质素分子之间的酯键发生皂化作用，随着酯键的减少，部分木质素溶解于反应液中，木质纤维素原料的空隙率增加，纤维素得到润胀、结晶度降低，增加其比表面积，从而提高酶水解效率，常用的碱是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙和氨水等。氧化剂预处理可以有效的分解木质素和溶解大量的半纤维素，从而提高纤维素的可及性，常用的氧化剂是双氧水和过氧乙酸。

本课题组发现利用碱性盐结合双氧水作为预处理试剂，可以有效的去除非木材木质纤维素原料中木质素和部分半纤维素，降低纤维素的聚合度和结晶度，从而提高其酶水解效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于非木材纤维原料的提高酶水解糖化效率的预处理方法。通过本发明预处理的方法，可使大量的高聚糖保留的前提下，合理地去除部分木质素和灰分，从而有效提高其后续的酶水解糖化效率，有效地降低非木材纤维原料生产生物能源的预处理成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，按照下述步骤进行：将非木材纤维原料浸泡在混合溶剂中（质量分数5～20%碱性盐和质量分数1～10%的双氧水），底物浓度5～20g/L，在50～120℃处理1～6h，反应结束后加0.5～2倍体积的去离子水室温搅拌10～30min再生纤维素原料，固体残渣用水洗涤，即完成预处理过程。

其中，所述的非木材纤维原料为玉米秸秆、稻草、麦秆、春笋皮、甘蔗渣、芒草、竹叶。优选来源最为广泛、价格最低廉的玉米秸秆、甘蔗渣或春笋皮等农业加工即食品加工剩余物。

其中，所述的碱性盐主要是磷酸钠、碳酸钠、硫化钠、亚氯酸钠。

其中，将非木材纤维与混合溶剂混合后，底物浓度5～20g/L，更高或更低的液固比在理论上是可行的，但是液固比过高或过低的都会引起生产成本的增加或操作上的不便。优选的范围是5～10g/L。

其中，所述的混合溶剂为质量分数5～20%碱性盐和质量分数1～10%双氧水，更高的溶剂溶度在理论上是可行的，但较高的浓度将增加生产成本。优选的范围是碱性盐质量分数5～15%和双氧水质量分数1～5%。

其中，预处理加热方式可采用油浴或蒸汽加热，预处理温度一般为50～120℃，预处理时间一般为1～6h，过高或过低的处理温度以及过长或过短的处理时间都将导致预处理均匀性差或预处理效率过低。处理温度与处理时间有关，一般高温需要时间短，低温需要较长的反应时间。优选的是，预处理温度80～120℃，预处理时间1～3h。

其中，反应结束后加0.5～2倍体积的去离子水室温搅拌10～30min再生纤维素原料，过多或过少的水在理论上是可行的，但是其会降低解吸效果或增加生产成本。优选的是，等体积。

非木材纤维原料经本发明的预处理方法加工后，呈现以下特性：

（1）预处理后非木材纤维原料固体回收率在40%～80%之间。

（2）预处理后非木材纤维原料的木质素去除率在20%～90%之间。

（3）预处理后非木材纤维原料的纤维素保留率在75%～95%之间。

（4）预处理后非木材纤维原料的半纤维素保留率在50～90%之间。

非木材纤维原料经过上述预处理方法处理之后，可直接进行酶水解糖化，即直接采用复合酶在50℃、pH4.8醋酸-醋酸钠缓冲液下水解72h，得到各种单糖。

其中，所述的复合酶为纤维素酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶的混合物。三种酶单位体积的酶活比为纤维素酶:木聚糖酶:β-葡萄糖苷酶=1FPU:1FXU:2CBU（FPU即纤维素酶的滤纸酶活单位，FXU是木聚糖酶的酶活单位，CBU是β-葡萄糖苷酶的酶活单位）。

其中，FPU、FXU和CBU分别为：

（1）FPU即纤维素酶的滤纸酶活单位，一个FPU单位表示以1*6cm(50mg)滤纸为底物，纤维素酶在pH4.8、温度50℃下，1min内产生1μmol葡萄糖所需的酶量。

（2）FXU是木聚糖酶的酶活单位，一个FXU单位表示以木聚糖为底物，木聚糖酶在pH4.8、温度50℃下，1min内产生1μmol木糖所需的酶量。

（3）CBU是β-葡萄糖苷酶的酶活单位，一个CBU单位是指以纤维二糖为底物，β-葡萄糖苷酶在pH4.8、温度50℃下，1min内产生1μmol葡萄糖所需的酶量。

其中，复合酶优选用量为10～30FPU/(g底物)。

通过上述预处理方法及复合酶水解方法，非木材纤维原料的酶水解还原糖得率在40%～90%之间，优化后的还原糖得率超过70%。

本发明的优点

本发明的预处理方法可以利用非木材纤维原料生产包括纤维素乙醇、生物柴油在内的生物质能源，同时该预处理方法也适用于各种以糖类为基础原料的化工生产。所述的预处理方法可以利用农业废弃物及食品加工厂废料为原料，利用现有成熟的设备与装置就能实现工业化生产。这种预处理方法可减轻环境和能源压力，又可创造经济价值。

附图说明

图1为春笋皮磷酸钠预处理温度对固体回收率和预处理pH的影响。

图2为春笋皮磷酸钠预处理碱浓度固体回收率和预处理pH的影响。

图3为春笋皮不同温度磷酸钠处理后酶水解还原糖得率和葡萄糖得率。

图4为春笋皮不同浓度的磷酸钠预处理后酶水解还原糖得率和葡萄糖得率。

图5为玉米秸秆磷酸钠预处理前后的扫描电子显微镜(SEM)图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施案例所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限制权利要求书中所详细描述的本发明。

还原糖得率=还原糖浓度×0.9%/酶水解底物浓度

葡萄糖得率=葡萄糖浓度×0.9%/酶水解底物浓度

实施例1：以春笋皮为原料的预处理及酶水解方法。

将春笋皮洗涤风干，粉碎至小于5mm备用。纤维素酶（SpezymeCP，酶活110FPU/mL）、β-葡萄糖苷酶（Novozyme188，603CBU/mL）和木聚糖酶（MultifectXylanase，1600FXU/mL），均购自Sigma(St.Louis,MO)，由美国Genencor酶制剂公司提供。用醋酸～醋酸钠缓冲液（pH4.8）把纤维素酶、木聚糖酶和β-葡萄糖苷酶以酶活比为1FPU:1FXU:2CBU配成混合酶液，混合酶液的酶活以滤纸酶活计算。

预处理工艺：

称取1g的风干春笋皮放入圆底烧瓶中，加入20mL混合溶剂（即底物浓度5g/L），其中混合溶剂为1%H₂O₂和1、3、5、7、9、11、15和20%Na₃PO₄，搅拌在50、60、70、80和90℃下反应2h，反应结束后加0.5倍体积的去离子水室温搅拌10min再生纤维素原料。然后过滤洗涤，固体残渣置于密封塑料袋中备用。

酶水解工艺：

将处理和未处理的原料置于150mL的锥形瓶中，加入混合酶液10FPU/g底物，补充一定量的pH4.8醋酸-醋酸钠缓冲液，使最终酶水解底物浓度为20g/L。将锥形瓶置于恒温振荡器（DHZ-052D）中，在160r/min、50℃下震荡处理72h。水解结束后在8000r/min离心10min分离，用DNS法测定还原糖以及HPLC测葡萄糖含量。

春笋皮原料在不同温度和碱量条件下，处理后固体回收率和处理液pH的变化如图1和2所示。不同条件预处理样品酶水解还原糖得率和葡萄糖得率如图3和4所述。在相同的温度下，随着碱量的增加，固体回收率逐渐降低，pH的呈上升趋势然后趋于不变，还原糖得率先快速增加然后趋于平稳，葡萄糖得率趋势与还原糖相同；在相同的碱量下，随着温度的升高，固体回收率逐渐降低，pH的先增加后降低趋势，还原糖得率先快速增加然后趋于平稳，葡萄糖得率趋势与还原糖相同。在9%Na₃PO₄、80℃下，还原糖得率和葡萄糖得率最大分别为73.31%和49.93%。在此条件下，固体回收率48.5%，木质素去除率85.12%，纤维素保留率81.96%，半纤维素保留率55.91%。

实施例2：以玉米秸秆为原料的预处理方法及酶水解方法。

将玉米秸秆洗涤风干，粉碎至小于5mm备用。混合酶液与实施例1相同。

称取1g的风干玉米秸秆放入圆底烧瓶中，加入5mL混合溶剂（即底物浓度20g/L），其中混合溶剂为10%H₂O₂和20%Na₃PO₄，搅拌在120℃下反应1h，反应结束后加2倍体积的去离子水室温搅拌30min再生纤维素原料。然后过滤洗涤，固体残渣置于密封塑料袋中备用。酶水解工艺与实施例1相同，其中复合酶30FPU/(g底物)。通过上述预处理和酶水解最终还原糖得率和葡萄糖得率分别为70.71%和51.01%，比未处理玉米秸秆还原糖得率高出50.1%。在此条件下，固体回收率54.2%，木质素去除率84.11%，纤维素保留率83.85%，半纤维素保留率64.46%。通过玉米秸秆磷酸钠预处理前后的扫描电子显微镜(SEM)图5所示，发现未处理的玉米秸秆表面光滑紧致，处理后玉米秸秆表面粗糙不平秸秆松散。

实施例3：以春笋皮为原料的预处理方法及酶水解方法。

将春笋皮洗涤风干，粉碎至小于5mm备用。混合酶液与实施例1相同。

称取1g的风干春笋皮放入圆底烧瓶中，加入10mL混合溶剂（即底物浓度10g/L），其中混合溶剂为5%H₂O₂和9%Na₃PO₄，搅拌在50℃下反应6h，反应结束后加等体积的去离子水室温搅拌30min再生纤维素原料。然后过滤洗涤，固体残渣置于密封塑料袋中备用。酶水解工艺与实施例1相同，其中复合酶30FPU/(g底物)。通过上述预处理和酶水解最终还原糖得率和葡萄糖得率分别为76.41%和52.77%。在此条件下，固体回收率42.2%，木质素去除率92.16%，纤维素保留率85.14%，半纤维素保留率62.57%。

Claims

1.一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于按照下述步骤进行：将非木材纤维原料浸泡在混合溶剂中，底物浓度5～20g/L，在50～120℃处理1～6h，反应结束后加0.5～2倍体积的去离子水室温搅拌10～30min再生纤维素原料，固体残渣用水洗涤，即完成预处理过程。

2.根据权利要求1所述的一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于所述的非木材纤维原料为玉米秸秆、稻草、麦秆、春笋皮、甘蔗渣、芒草、竹叶。

3.根据权利要求1所述的一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于其中所述的混合溶剂中含有质量分数5～20%碱性盐和质量分数1～10%的双氧水，其余为水。

4.根据权利要求3所述的一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于所述的碱性盐主要是磷酸钠、碳酸钠、硫化钠、亚氯酸钠；碱性盐质量分数5～15%和双氧水质量分数1～5%。

5.根据权利要求1所述的一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于其中底物浓度5～10g/L。

6.根据权利要求1所述的一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于预处理温度80～120℃，预处理时间1～3h。

7.根据权利要求1所述的一种碱性盐结合双氧水预处理非木材纤维原料的方法，其特征在于其中反应结束后加等体积的去离子水室温搅拌再生纤维素原料。