CN105087721A - 一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法 - Google Patents

一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法 Download PDF

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刘同军
张宁
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Abstract

本发明涉及一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，它将二亚乙基三胺五亚甲基膦酸、NaOH、H2O2与去离子水混合均匀，加入预处理后的木质纤维素原料，调节混合反应液pH至10～12，然后于温度28～35℃、转速120～200rpm条件下，保温反应20～30小时，反应后固液分离，固体用去离子水洗涤、干燥，得处理后的木质纤维素；本发明的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸与过氧化氢共同作用可大大提高木质纤维素酶解转化率，降低过氧化氢的快速分解，使过氧化氢能充分作用到木质素上，更多地去除木质素对其后酶解的阻碍作用，有效提高了葡萄糖的转化率。

Description

一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法
技术领域
本发明涉及一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，属于生物质资源转化利用技术领域。
背景技术
木质纤维素是地球上最丰富廉价的可再生资源，蕴储着巨大的生物质能。主要来源于农业废弃物，森林废弃物和城市废弃物。随着化石燃料的枯竭和环境的日益恶化，将木质纤维素糖转化成葡萄糖和木糖等，并进一步用于生物基化学品如燃料乙醇等能源产物的生产，受到日益关注。我国是农业大国，农作物秸秆资源相当丰富，年产近8亿吨，然而长期以来，大部分秸秆被丢弃或焚烧，既浪费了资源又污染了环境，秸秆资源的合理综合利用对于保护环境、缓解能源危机和促进农业可持续发展具有重要意义。
利用木质纤维素生产重要的生物基化学品如燃料乙醇等主要包括预处理、酶解转化和发酵等步骤。其中预处理技术是木质纤维素转化的关键步骤，通过破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，去除木质素，以使纤维素酶及半纤维素酶有效接触纤维素和半纤维素，从而提高酶解效率。
但是酸法预处理木质纤维素容易产生抑制微生物生长的糠醛和羟甲基糠醛等物质；汽爆法成本高，产物复杂，有焦油形成。
中国专利文献CN102758028A(申请号201110104494.4)公开了一种预处理木质纤维素原料，再转化为还原糖的方法。它采用液固比5-50，将木质纤维素在质量分数0-5％氢氧化钠和质量分数0-5％的双氧水的混合溶液中处理1-10小时，处理后所得固体残留物用水洗涤烘干。然后在酸解时间10-120min，酸解温度30-150℃，硫酸质量浓度0-10％，液固比5-50处理得固体残留物，调节pH值至7，然后烘干。该处理工艺可使木质素有效去除，而且半纤维素在稀酸条件下水解得五碳糖，经进一步反应可得高附加值产品。
但上述方法用于木质纤维素酶法水解的预处理过程中，酶解转化率相对较低，无法满足相关要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMPA)提高木质纤维素酶解转化率的处理方法。
本发明的技术方案如下：
一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，包括步骤如下：
将二亚乙基三胺五亚甲基膦酸、NaOH、H2O2与去离子水混合均匀，加入预处理后的木质纤维素原料，得混合反应液，调节混合反应液pH至10～12，然后于温度28～35℃、转速120～200rpm条件下，保温反应20～30小时，反应后固液分离，固体用去离子水洗涤、干燥，得处理后的木质纤维素；
所述混合反应液中，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.05～0.3g/g预处理后的木质纤维素原料，NaOH的加入量为0.1～0.5g/g预处理后的木质纤维素原料，H2O2的加入量为0.05～0.3g/g预处理后的木质纤维素原料，去离子水的加入量为50～60ml/g预处理后的木质纤维素原料。
根据本发明优选的，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.08～0.25g/g预处理后的木质纤维素原料，进一步优选的，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料。
根据本发明优选的，NaOH的加入量为0.1～0.3g/g预处理后的木质纤维素原料，进一步优选的，NaOH的加入量为0.1～0.15g/g预处理后的木质纤维素原料。
根据本发明优选的，H2O2的加入量为0.1～0.2g/g预处理后的木质纤维素原料，进一步优选的，NaOH的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料。
根据本发明优选的，去离子水的加入量为50ml/g预处理后的木质纤维素原料。
根据本发明优选的，预处理后的木质纤维素原料为原料清除杂物，然后将木质素纤维素经风干、粉碎、过5mm孔径的筛子，得预处理后的木质纤维素原料。
根据本发明优选的，木质纤维素原料选自玉米秸秆、麦秆、棉秆、稻草、油菜秆、甜高粱茎秆、甘蔗渣、木屑、废纸和/或柳枝稷。
根据本发明优选的，先将NaOH加入溶解量的去离子水中溶解后，再加入体系中。
根据本发明优选的，调节混合反应液pH至11.5，使用的pH调节剂为0.5mol/L的NaOH溶液。
一种利用上述处理后的木质纤维素生产木糖和葡萄糖的方法，包括如下：
a、向上述制得的处理后的木质纤维素中加入四环素、环己酰亚胺和柠檬酸缓冲液，四环素的添加量为使四环素终浓度达到35～45μg/mL，环己酰亚胺的添加量为使环己酰亚胺终浓度达到25～35μg/mL，柠檬酸缓冲液的的添加量为使柠檬酸缓冲液终浓度达到40～60ul/mL；
b、然后加入复合酶，酶蛋白总加量为40～60mg/g纤维素，在45～50℃条件下，搅拌反应65～75小时，经离心，取上清，制得木糖和葡萄糖溶液。
本发明优选的，柠檬酸缓冲液的浓度为1mol/L，pH为4.8。
本发明优选的，所述复合酶组分为β-葡萄糖苷酶和纤维素酶Accelerase1000，β-葡萄糖苷酶与纤维素酶Accelerase1000的蛋白质比为1：4。
根据本发明优选的，所述步骤b中搅拌速度为100～200rpm，离心为在4℃、12000rpm的条件下离心15min。
本发明人意外发现，本发明的处理方法，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸与过氧化氢共同作用可大大提高木质纤维素酶解转化率，通过进一步研究，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMPA)作为过氧化氢的稳定剂能降低过氧化氢的快速分解，使过氧化氢能充分作用到木质素上，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMPA)的添加量是本领域的技术人员经过长期的实验摸索得到的，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMPA)的添加量过小对转化率的提高起不到作用，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMPA)的添加量过大相反起抑制作用，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸使过氧化氢完全作用于木质素，更多地去除木质素对其后酶解的阻碍作用，有效提高了葡萄糖的转化率。
本发明的有益效果如下：
经过本发明的处理方法，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸与过氧化氢共同作用可大大提高木质纤维素酶解转化率，促使纤维素的糖转化率进一步提高，该预处理过程简单易行，不产生难处理的废水。
附图说明
图1、实施例1处理方法与对比例1不加入二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的处理方法对葡萄糖和木糖的转化率影响的柱状图；
图2、实施例2处理方法与对比例2不加入二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的处理方法对H2O2的残留影响曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
β-葡萄糖苷酶和纤维素酶Accelerase1000购自杜邦公司；
二亚乙基三胺五亚甲基膦酸购自美国SantaCruzBiotechnology,Inc.，型号sc-239750。
实施例1
一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸协同应用提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，步骤如下：
(1)清除玉米秸秆中的杂物，然后将木质素纤维素经风干、粉碎、过5mm孔径的筛子筛分，得预处理后的木质纤维素原料；
(2)将二亚乙基三胺五亚甲基膦酸、NaOH、H2O2与去离子水混合均匀，加入预处理后的木质纤维素原料，得混合反应液，使用0.5mol/L的NaOH溶液调节混合反应液pH至11.5，然后于温度30℃、转速150rpm条件下，保温反应24小时，反应后固液分离，固体用去离子水洗涤、干燥，得处理后的木质纤维素；
所述混合反应液中，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料，NaOH的加入量为0.15g/g预处理后的木质纤维素原料，H2O2的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料，去离子水的加入量为50ml/g预处理后的木质纤维素原料。
实施例2
一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸协同应用提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，步骤如下：
(1)清除玉米秸秆中的杂物，然后将木质素纤维素经风干、粉碎、过5mm孔径的筛子筛分，得预处理后的木质纤维素原料；
(2)将二亚乙基三胺五亚甲基膦酸、NaOH、H2O2与去离子水混合均匀，加入预处理后的木质纤维素原料，得混合反应液，使用0.5mol/L的NaOH溶液调节混合反应液pH至11.5，然后于温度30℃、转速150rpm条件下，保温反应24小时，反应后固液分离，固体用去离子水洗涤、干燥，得处理后的木质纤维素；
所述混合反应液中，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.15g/g预处理后的木质纤维素原料，NaOH的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料，H2O2的加入量为0.15g/g预处理后的木质纤维素原料，去离子水的加入量为60ml/g预处理后的木质纤维素原料。
对比例1
实验条件同实施例1，不同之处在于，该方法步骤(2)不加入二亚乙基三胺五亚甲基膦酸。
对比例2
中国专利文献CN104404108A公开的一种提高木质纤维糖转化率的预处理方法，该处理方法步骤(2)不加入二亚乙基三胺五亚甲基膦酸，但在步骤(3)中加入激活剂氰胺。
试验例1
一种利用木质纤维素生产木糖和葡萄糖的方法，包括如下：
a、向实施例1～2制得的处理后的木质纤维素中加入四环素、环己酰亚胺和浓度为1mol/L，pH为4.8的檬酸缓冲液，四环素的添加量为使四环素终浓度达到40μg/mL，环己酰亚胺的添加量为使环己酰亚胺终浓度达到30μg/mL，柠檬酸缓冲液的的添加量为使柠檬酸缓冲液终浓度达到50ul/mL；
b、然后加入复合酶，复合酶组分为β-葡萄糖苷酶和纤维素酶Accelerase1000，β-葡萄糖苷酶与纤维素酶Accelerase1000的蛋白质比为1：4，酶蛋白总加量为50mg/g纤维素然后在转速为150rpm条件下摇床50℃恒温水解72h，以12000rpm的条件下离心15min，取上清，制得木糖和葡萄糖溶液。
采用对比例1制备的预处理后的木质纤维素，按照上述方法生产木糖和葡萄糖溶液，记为对照组1。
采用对比例2备的预处理后的木质纤维素，按照上述方法生产木糖和葡萄糖溶液，记为对照组2。
按照NREL(美国国家可再生能源实验室)的标准方法(NREL/TP-510-42618；
NREL/TP-510-42619；NREL/TP-510-42623)检测含水量、纤维素、半纤维素、酸溶性木质素、酸不溶性木质素的含量。利用高效液相色谱法测定上述制得的产物中的葡萄糖和木糖含量，按照如下公式计算萄糖和木糖转化率：
纤维素转化率＝C葡萄糖*V*0.9/水解前纤维素总量
半纤维素转化率＝C木糖*0.88/水解前半纤维素总量
残留H2O2的检测方法：将2ml稀释的H2O2溶液缓缓加入100ml去离子水中，边加边搅拌。然后加入10ml10％H2SO4和10mlKI，同时加入2滴20％饱和度的钼酸铵溶液。然后用0.1N的硫代硫酸钠以大约1滴/秒的速度滴定以使碘产生。当颜色变为浅黄色时将淀粉溶液加入，继续滴定，直到溶液澄清，并在连续搅拌条件下持续保持澄清30秒。H2O2的浓度可根据下式计算：
H2O2(g/l)＝稀释度X硫代硫酸钠浓度X17/用于滴定的H2O2的体积ml
通过图1，本发明实施例1、实施例2的处理方法与对比例1、2处理方法不对葡萄糖和木糖的转化率对比，本发明的处理方法在提高葡萄糖的转化率明显优于对比例1的，本发明的DTMPA作为稳定剂，能有效降低过氧化氢的分解。综合图1和2，由于DTMPA的加入，使碱性条件下易分解的H2O2得到有效稳定，残留的H2O2可以更加充分地作用于木质素，更多地去除木质素对其后酶解的阻碍作用，有效提高了葡萄糖的转化率。

Claims (10)

1.一种二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，包括步骤如下：
将二亚乙基三胺五亚甲基膦酸、NaOH、H2O2与去离子水混合均匀，加入预处理后的木质纤维素原料，得混合反应液，调节混合反应液pH至10～12，然后于温度28～35℃、转速120～200rpm条件下，保温反应20～30小时，反应后固液分离，固体用去离子水洗涤、干燥，得处理后的木质纤维素；
所述混合反应液中，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.05～0.3g/g预处理后的木质纤维素原料，NaOH的加入量为0.1～0.5g/g预处理后的木质纤维素原料，H2O2的加入量为0.05～0.3g/g预处理后的木质纤维素原料，去离子水的加入量为50～60ml/g预处理后的木质纤维素原料。
2.根据权利要求1所述的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，其特征在于，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.08～0.25g/g预处理后的木质纤维素原料，优选的，二亚乙基三胺五亚甲基膦酸的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料。
3.根据权利要求1所述的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，其特征在于，NaOH的加入量为0.1～0.3g/g预处理后的木质纤维素原料，优选的，NaOH的加入量为0.1～0.15g/g预处理后的木质纤维素原料。
4.根据权利要求1所述的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，其特征在于，H2O2的加入量为0.1～0.2g/g预处理后的木质纤维素原料，优选的，NaOH的加入量为0.1g/g预处理后的木质纤维素原料。
5.根据权利要求1所述的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，其特征在于，去离子水的加入量为50ml/g预处理后的木质纤维素原料。
6.根据权利要求1所述的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，其特征在于，预处理后的木质纤维素原料为原料清除杂物，然后将木质素纤维素经风干、粉碎、过5mm孔径的筛子，得预处理后的木质纤维素原料，木质纤维素原料选自玉米秸秆、麦秆、棉秆、稻草、油菜秆、甜高粱茎秆、甘蔗渣、木屑、废纸和/或柳枝稷。
7.根据权利要求1所述的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸提高木质纤维素酶解转化率的处理方法，其特征在于，调节混合反应液pH至11.5，使用的pH调节剂为0.5mol/L的NaOH溶液。
8.一种利用权利要求1处理后的木质纤维素生产木糖和葡萄糖的方法，包括如下：
a、向上述制得的处理后的木质纤维素中加入四环素、环己酰亚胺和柠檬酸缓冲液，四环素的添加量为使四环素终浓度达到35～45μg/mL，环己酰亚胺的添加量为使环己酰亚胺终浓度达到25～35μg/mL，柠檬酸缓冲液的的添加量为使柠檬酸缓冲液终浓度达到40～60ul/mL；
b、然后加入复合酶，酶蛋白总加量为40～60mg/g纤维素，在45～50℃条件下，搅拌反应65～75小时，经离心，取上清，制得木糖和葡萄糖溶液。
9.根据权利要求8所述的利用处理后的木质纤维素生产木糖和葡萄糖的方法，其特征在于，柠檬酸缓冲液的浓度为1mol/L，pH为4.8，所述复合酶组分为β-葡萄糖苷酶和纤维素酶Accelerase1000，β-葡萄糖苷酶与纤维素酶Accelerase1000的蛋白质比为1：4。
10.根据权利要求8所述的利用处理后的木质纤维素生产木糖和葡萄糖的方法，其特征在于，所述步骤b中搅拌速度为100～200rpm，离心为在4℃、12000rpm的条件下离心15min。
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