CN105154493A

CN105154493A - 一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法

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Publication number: CN105154493A
Application number: CN201510573688.7A
Authority: CN
Inventors: 龚文博; 李滨; 刘超; 牟新东; 杜海顺
Original assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Current assignee: Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: CN105154493B

Abstract

本发明属于生物质的高效转化与利用领域，具体的说是一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法。采用碳酸盐和过氧化氢组合液，在较低温度下对木质纤维素类生物质进行预处理。本发明方法采用的碱试剂为碳酸盐，比常用的氢氧化物(如氢氧化钠)容易回收，且过氧化氢为绿色氧化剂，其与碳酸盐的组合使用，可以提高木质素的脱除率，并使木质素的结构发生改变，从而使更多的纤维素暴露出来，获得较高的可发酵糖得率。

Description

一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法

技术领域

本发明属于生物质的高效转化与利用领域，具体的说是一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法。

背景技术

随着社会的发展和人类生活水平的提高，全球能源的需求越来越多，加重了能源问题和环境问题。可再生能源的开发和利用日趋受到重视，而生物质能源的开发与利用是解决能源、环境问题的最好途径之一，并且生物质能源的研究早已受到各国研究者的关注。生物质是地球上最丰富的可再生能源之一，全球年产量约为1.1×10¹¹吨。其中，木质纤维素生物质储量最丰富，且具有来源广泛(例如玉米秸秆、麦秆、稻秆等)和廉价易得等优点，被认为是生产生物燃料最具应用前景的原材料。然而，在漫长的进化过程中，木质纤维素生物质形成了天然抗降解屏障(复杂的高分子结构)来抵制微生物等的破坏作用。因此，开发经济、绿色、高效的预处理技术来增加木质纤维素中多糖的可及性，进而提高可发酵糖的得率，是实现木质纤维素制备生物燃料和化工产品的关键步骤。预处理方法通常分为物理法、化学法、生物法和复合方法等。

物理法预处理(AppliedEnergy,2015,142,240-246)包括剪切和研磨、微波处理和高能辐射等。物理法预处理可以减小木质纤维素生物质的原料尺寸，增加其比表面积，降低纤维素的结晶度，进而提高酶的纤维可及度，但其能耗高、经济性较低。生物预处理法(EnergyConversionandManagement,2015,93,23-30)主要是利用真菌，包括褐腐菌、白腐菌和软腐菌等来降解半纤维素和木质素，使更多的纤维素暴露出来，以提高酶解效率。生物法预处理过程中处理时间较长，且处理后酶解得率一般较低。化学法预处理(JournaloftheScienceofFoodandAgriculture,95,843-850)主要包括碱法、酸法、氧化法、离子液体法、有机溶剂法等。一般情况下，化学法预处理的效果要优于单一的物理法和生物法。但是，化学法预处理也存在不少问题，例如：酸法预处理对设备有腐蚀作用，且反应试剂会造成环境污染；氧化法处理过程中对氧化剂的消耗较大，成本较高；有机溶剂法溶剂挥发性大，且有腐蚀性和毒性作用等。复合预处理(BiotechnologyAdvances,2011,29,675-685)是指采用物理、化学、生物中至少两种方法联合进行预处理。例如，用超声或双氧水预处理后再用微生物法脱除木质素(BioresourceTechnology,2009,100,903-908)、氨气爆破法(AFEX)预处理(BiotechnologyAdvances,2011,29,675-685)、过氧化氢辅助AFEX预处理(EnergyFuels，2014,28,6392-6397)、FPI磨浆辅助碱预处理(BioresourceTechnology,2014,169,19-26)、双螺杆挤压辅助碱预处理(BiotechnologyforBiofuels,2013,6,97)等。复合预处理方法效率优于单一的预处理方法，但其工艺更复杂，对设备的要求也更严格。

在以上化学预处理方法中，以碱性试剂为主要添加试剂的预处理方法常简称为碱法预处理。碱法预处理技术主要利用碱的特性，破坏木质素和半纤维素，以及木素之间的酯键、醚键，使半纤维素和木素溶出，从而提高纤维素酶解糖化的速率和产率。传统的木质纤维素的碱法预处理是采用强碱，如NaOH、KOH等。Xu等(BioresourceTechnology,2014,169,19-26)用氢氧化钠预处理玉米秸秆，在氢氧化钠用量10wt％，160℃，30min条件下，原料的木聚糖回收率为66.9％，葡聚糖回收率为93.1％,总糖得率为66.2％。中国专利CN104593449A提供了一种基于在线生产和回用木质素磺酸盐的改良碱法预处理木质纤维素类生物质的方法。在用碱量(如NaOH)为2-15wt％(相对于木质纤维素类生物质质量)，氧化剂用量0.01-0.5wt％(相对于木质纤维素类生物质质量),木质素磺酸盐用量0.5-8wt％(相对于木质纤维素类生物质质量)，温度60-170℃，0-0.8Mpa的压力下进行预处理，原料的固体回收率为58.9％，葡萄糖的酶解效率为91.5％，木糖酶解效率为78.6％，总糖得率为82.2％，其中木质素磺酸盐是分离出的黑液直接在线磺化制得的。Yu等(EnergyFuels，2014,28,4282-4287)对玉米秸秆进行了NaOH预处理研究。在NaOH用量2wt％,105℃，60min条件下，木质素脱除率为63％，葡聚糖得率为65％。碱法预处理是比较有效的木质纤维素类生物质原料预处理方法，并且世界上90％的化学浆是通过碱法过程生产的。因此，碱法预处理可以利用造纸工业成熟的设备和配套的化学品回收系统，被认为是最具有应用前景的预处理方法之一。

除了强碱，弱碱，如碳酸钠、氢氧化钙、氨水等也常单独用做碱法预处理的化学试剂。Zhang等(JournalofAgriculturalandFoodChemistry，2014,62，4661-4667)研究了氢氧化钙对玉米芯的预处理效果，氢氧化钙的用量为0.8mmol/g时，最终的木聚糖得率，葡聚糖得率和总糖得率分别为0.306g/g,0.305g/g和0.661g/g(相对于原始原料)。Kim等(BioresourceTechnology,2014,152,316-320)运用响应面法综合研究了碳酸钠预处理玉米秸秆的过程条件。结果表明，在碳酸钠用量4.1％，142.6℃条件下，处理玉米秸秆18min，最终葡聚糖得率为0.268g/g(相对于原始原料)。金永灿等(BioresourceTechnology,2014,137,294-301)研究了碳酸钠预处理对小麦秸秆酶解性能的影响，并且对小麦秸秆的径和叶也分别进行了研究。研究结果表明，小麦秸秆在碳酸钠预处理后保留更多的糖，而小麦的叶相对于径在碳酸钠预处理中更易脱除木质素，总糖得率可达74.5％，相比小麦径高16％。中国专利(CN102827883A)提出一种用绿液对风干植物纤维原料进行碱处理的方法。在8wt％用碱量,140℃,保温1h，硫化度40％的条件下进行碱法预处理后，先酶解制备糖液，然后糖液发酵制备出生物乙醇。中国专利(CN103370418A)提供了一种预处理生物质的方法。在反应器中让气态氨冷凝于水中处理生物质，并且对液态氨进行了回收处理。在弱碱预处理过程中，一般预处理效率比较低，需要的处理温度略高，处理时间较长。绿液预处理虽然效果较好，但是废液中的硫元素可能对环境造成负面的影响。由于碱预处理条件下加入过氧化氢或氧气可以更好的脱除木质素，同时没有抑制物生成。因此，弱碱预处理常需要添加氧化剂(氧气、过氧化氢、臭氧等)辅助处理。

氧气和臭氧是常用的碱法预处理助剂。中国专利(CN101134970)提供了一种氧气辅助碳酸钠预处理玉米秸秆的方法。先将玉米秸秆切成段，然后用碳酸钠5％-15％碱液喷淋后,通入0.1-1MPa氧气或富氧空气，100℃-165℃饱和蒸汽进行蒸煮,最终将预处理后玉米秸秆进行发酵制备生物乙醇。Geng等(BioresourceTechnology,2014,161,63-68)研究了碳酸钠-氧气和氢氧化钠-氧气对小麦秸秆的预处理效果。结果表明，在110℃，氧气压力0.5Mpa，保温1h条件下，碳酸钠-氧气和氢氧化钠-氧气的总糖得率分别达到了63.8％和71.9％。Ma(BioresourceTechnology,2009,100,1608-1613)对小麦和黑麦秸秆进行臭氧预处理研究。结果显示，臭氧增加了原料的酶水解度，提高了可发酵糖的得率，经处理后小麦和黑麦的酶水解糖转化率分别达到了88.6％和57％。臭氧、氧气作为预处理辅助试剂，工艺中需要用到加气加压装置，使整个预处理操作难度增加，设备投资费用较高。

过氧化氢是一种非常弱的酸，具有较强氧化性。工业上常用做消毒剂、漂白剂等。在碱液中过氧化氢以过氧氢离子存在，它可破坏木质素中吸收可见光的发色基团，主要是作用在碳-碳双键和木素的羰基或者醌式结构上，并且过氧化氢分解产生的自由基(HOO·，O₂·等)可以攻击木质素的侧链和片段化木质素，使木质素大分子降解为低分子量的化合物。因此，碱性过氧化氢在制浆工业中用来深度脱木素。

由于制浆过程与木质纤维素生物质的预处理过程很相似，碱性过氧化氢也发展成一种预处理方法。Liu等(EnergyandFuels,2014,28,542-548)研究了过氧化氢辅助氢氧化钠和氨水对芒草的预处理效果。在氨水用量10wt％、氢氧化钠用量1wt％，过氧化氢用量1wt％的条件下进行预处理，最终得到的木质素脱除率为83％，可发酵糖得率为90％。Banerjee等(Biotechnologyforbiofuels,2011,4,16)研究了碱性过氧化氢预处理玉米秸秆中过程因素(生物质的含量、pH、过氧化氢用量等)的影响。在常温常压下，固液比1/10，过氧化氢用量0.5g/g(相对于原始原料)，pH11.5(用NaOH调节)的条件下处理8h，最终葡聚糖得率可达到83％。Liu等(Biotechnologyforbiofuels,2014,7,48)对碱性过氧化氢预处理玉米秸秆进行了改良研究。先用80℃的NaOH溶液抽提玉米秸秆1h，然后用25mg/g(相对于原始原料)的过氧化氢在pH为11.5的条件下室温处理24h，最终葡聚糖得率可达到90％以上。中国专利CN102758028A提供了一种碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法。木质纤维素原料在质量分数5％氢氧化钠和质量分数5％的双氧水的混合溶液中处理10小时，最终半纤维素转化率达到80％,木糖得率达到50％，预处理样品的酶解率比未处理原料高出60％以上。中国专利CN102839198A提供一种超声强化碱性过氧化氢预处理木质纤维素的方法。用0.25mol/L的氢氧化钠溶液处理10g玉米芯，并同时进行超声波作用，处理40min，然后加入3.3mL30％(v/v)过氧化氢。最终酶解效率可达到89.8％。然而，采用氨水对设备的密闭性要求较高，而采用氢氧化钠的碱回收较为复杂且成本较高。

综上所述，现有的木质纤维素类生物质碱性过氧化氢法预处理主要存在总糖得率不高，污染严重，处理时间长，化学品回收成本高等问题。所以，开发一种经济高效、绿色环保的木质素纤维素类生物质碱性过氧化氢预处理的新方法具有非常重要的实际意义。虽然，碱性过氧化氢预处理方法已经有了一定的研究，但是现在文献和专利中出现的碱性过氧化氢预处理方法基本都是选用NaOH作为碱剂，而且处理温度较低，处理时间较长。现尚未有用碳酸盐作为碱性试剂进行碳酸盐过氧化氢的预处理工艺报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，采用碳酸盐和过氧化氢组合液，在较低温度下对木质纤维素类生物质进行预处理。

具体说，将木质纤维素类生物质粉碎，在与碳酸盐和过氧化氢组合液混合,并在80-150℃、0-0.6MPa下对木质纤维素类生物质进行预处理；其中，碳酸盐和过氧化氢组合液中碳酸盐的加入量为木质纤维素类生物质质量的5-60％，过氧化氢用量为木质纤维素类生物质质量的2-30％，碳酸盐为碳酸钠、过碳酸钠和/或碳酸钾。

所述预处理过程中加入表面活性剂或过氧化氢稳定剂；表面活性剂的加入量为木质纤维素类生物质质量的0-3％，过氧化氢稳定剂的用量为木质纤维素类生物质质量的0-1％；所述表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、聚乙二醇、吐温、十二烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙中的一种或几种；所述稳定剂选自二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、氧化镁、硫酸镁、碳酸镁中的一种或几种。

所述木质纤维类生物质来源于林业废弃物、农业废弃物、木片、竹子、能源植物、工业废弃物、城市废弃物中的一种或几种。

所述预处理后的木质纤维素类生物质物料洗涤至中性，经磨浆处理后酶解糖化。

所述磨浆采用磨浆机磨浆，磨浆浓度为5-20％，磨浆机磨盘间隙为0.15-0.4mm，磨浆压力为常压。

所述酶解条件为：酶水解固含量1-15％，pH值4.0-5.7，酶水解温度40-60℃，酶水解时间为24-96h；酶为纤维素酶、β葡萄糖苷酶和木聚糖酶中的一种或几种。

原理说明：在碳酸盐(碳酸钠、过碳酸钠或碳酸钾或其组合)过氧化氢预处理过程中，碳酸钠、过碳酸钠或碳酸钾提供的碱性环境，能破坏半纤维素和木质素，以及木质素之间的酯键、醚键，使木质素溶出；过氧化氢主要与木质素侧链上的羰基和双键反应，使得苯环和支链上的共轭键破坏，将蒸煮过程中形成的醌式结构破坏，此外，还能使一些木质素的苯环结构发生开环反应，使木质素易于溶出，提高木质素脱除率，进而增加后续酶对纤维素的可及性，以提高可发酵糖的得率。若采用过碳酸钠，在预处理过程中，过碳酸钠可分解为碳酸钠和过氧化氢，进而达到相似的预处理效果。

本发明的优点在于：

1.本发明所用的预处理方法可在相对温和的条件下进行(例如，110℃)，温和的温度可以减少能耗，并提高碳水化合物的保留率。

2.本发明采用碳酸盐(碳酸钠、碳酸钾等)作为碱剂，过氧化氢作为氧化剂，预处理后过氧化氢分解为水和氧气，无污染，且黑液pH在7-9左右，对环境污染较小，并且在预处理过程中可以加入少量表面活性剂其可以促进化学药品的渗透和木质素的脱除。以及可以加入少量过氧化氢稳定剂，以防止过氧化氢的无效分解。稳定剂的加入可以螯合水中的过渡金属离子(如Fe³⁺，Cu²⁺，Mn²⁺)，从而减少过渡金属离子对过氧化氢的催化分解。与传统的NaOH预处理相比，其碱回收可以省去苛化阶段，从而简化化学药品回收工艺，使生产成本降低；本发明碳酸盐与过氧化氢的复合使用，可以提高木质素的脱除率，从而使更多的纤维素暴露出来，获得较高的可发酵糖得率，进而取得很好的预处理效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的碳酸钠过氧化氢预处理前后玉米秸秆表面形貌的扫描电镜图；其中，(a)预处理前的玉米秸秆；(b)碳酸钠预处理后的玉米秸秆；(c)碳酸钠过氧化氢预处理后的玉米秸秆。

图2为本发明实施例提供的碳酸钠过氧化氢预处理前后玉米秸秆的红外光谱图；其中，(a)预处理前的玉米秸秆；(b)碳酸钠预处理后的玉米秸秆；(c)碳酸钠过氧化氢预处理后的玉米秸秆。

图3为本发明实施例提供的碳酸钠过氧化氢预处理前后玉米秸秆的XRD图；其中，(a)预处理前的玉米秸秆；(b)碳酸钠预处理后的玉米秸秆；(c)碳酸钠过氧化氢预处理后的玉米秸秆。

具体实例方式

本发明用以下实例说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1)玉米秸秆粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.05-1cm，收集到自封袋中待用。

2)玉米秸秆预处理

取适量切碎的玉米秸秆原料装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)，并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在30min内升温至120℃，升温后保温60min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为8：1(质量比)，化学药品为碳酸钠和过氧化氢，碳酸钠的加入量为30％(相对于绝干玉米秸秆质量)，过氧化氢的用量为15％(相对于绝干玉米秸秆质量)。

将上述预处理后物料的黑液挤出，用自来水清洗浆料至pH值为中性，然后收集到自封袋中冷藏待用。

3)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经预处理清洗后的玉米秸秆浆料根据NREL/TP-510-42618中描述的方法(http://www.nrel.gov/biomass/pdfs/42618.pdf)分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(51.8％)，木聚糖(22.45％)，木质素(13.5％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素也被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理，磨浆后酶解糖化。

PFI磨浆浓度为10％，磨浆转数为4000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm。

磨浆后在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和5U/g底物的木聚糖酶(源自Thermomyceslanuginosus)，以2％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解48h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为60.89％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解得率为83.02％，木糖的酶解得率为62.43％；基于初始物料的总糖得率为76.11％(比不加过氧化氢的结果高约9％)。这表明，玉米秸秆经本发明的方法预处理后，能够容易地被酶降解，并且单糖的酶解率和总糖得率都很高。

4)预处理后物料的扫描电镜分析

预处理前后玉米秸秆形貌的扫描电镜图如附图1所示(预处理后未磨浆的物料)。预处理前的玉米秸秆表面结构紧密且较为平整，而预处理后的玉米秸秆表面较为疏松，特别是经碳酸钠过氧化氢预处理后的玉米秸秆表面疏松度和孔隙率明显增加，这主要是由于木质素的脱除而造成的。表面结构疏松和孔隙率的增加，可以提高酶的对纤维素的可及性，从而使最终的总糖得率提高。

实施例2

1)玉米秸秆粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.5-2cm，收集到自封袋中待用。

2)玉米秸秆预处理

取适量切碎的玉米秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在30min内升温至120℃，升温后保温70min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为7：1(质量比)，化学药品为碳酸钠和过氧化氢，碳酸钠的加入量为40％(相对于绝干玉米秸秆质量)，过氧化氢的用量为15％(相对于绝干玉米秸秆质量)。

3)处理后秸秆的分析和糖化

将上述经预处理清洗后的玉米秸秆浆料根据NREL/TP-510-42618中描述的方法分析其化学成分，并用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)检测其碳水化合物的含量。

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(52.19％)，木聚糖(22.3％)，木质素(12.0％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素脱除率随着用碱量的增加而增加。

PFI磨浆浓度为15％，磨浆转数为6000转，磨浆间隙为0.20mm，磨浆转速为1400rpm。

磨浆后在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和5U/g底物的木聚糖酶(fromThermomyceslanuginosus)，以4％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解60h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为60.5％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为89.9％，木糖的酶解率为65.3％；基于初始物料的总糖得率为81.63％(比不加过氧化氢的结果高约10％)。

4)预处理后物料的红外光谱分析

预处理前后玉米秸秆的红外光谱图如附图2所示。与未处理的玉米秸秆相比(附图2中a所示)，预处理后玉米秸秆的红外光谱在2847cm^-1(木质素-CH₃中C-H键的振动吸收)，1740cm^-1(乙酰基C＝O振动吸收)，1510cm^-1(木质素中C＝C键振动吸收)和805cm^-1(木质素苯环C-H键平面外振动)处的峰强度明显减弱，说明预处理后玉米秸秆中的木质素和乙酰基已被大量脱除；而预处理后玉米秸秆的红外光谱在3350cm^-1(OH振动)，1158cm^-1(纤维素中C-O-C伸缩振动)，897cm^-1(纤维素中β糖苷键的振动)处的峰强度明显增强，说明预处理后玉米秸秆中的纤维素含量显著增加。木质素的脱除，使纤维素更多的暴露出来，从而增加了酶对纤维素的接触，进而使酶水解后总糖得率增加。

实施例3

1)玉米秸秆粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到1-3cm，收集到自封袋中待用。

2)玉米秸秆预处理

取适量切碎的玉米秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)，并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在30min内升温至110℃，升温后保温90min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为8：1(质量比)，化学药品为碳酸钠和过氧化氢，碳酸钠的加入量为50％(相对于绝干玉米秸秆质量)，过氧化氢的用量为10％(相对于绝干玉米秸秆质量)。

3)处理后秸秆的分析和糖化

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(53.02％)，木聚糖(22.48％)，木质素(11.32％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素也被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理，以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。PFI磨浆浓度为11％，磨浆转数为4000转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm。

磨浆后在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，2IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和6U/g底物的木聚糖酶(源自Thermomyceslanuginosus)。以8％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解48h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为59.9％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为85.4％，木糖的酶解率为61.1％；基于初始物料的总糖得率为77.25％(比不加过氧化氢的结果高约8％)。

4)预处理物料的XRD(X射线衍射)分析

预处理前后玉米秸秆的XRD图如附图3所示。根据XRD谱图数据计算，预处理前玉米秸秆的结晶度为45.7％，而经碳酸钠过氧化氢预处理后玉米秸秆的结晶度为54.6％(比只用碳酸钠预处理的高约3％)。预处理后玉米秸秆结晶度的提高主要是由于木质素的脱除引起的。木质素脱除越多，预处理后玉米秸秆的结晶度则越高。

实施例4

1)玉米秸秆和麦秆混合料(质量比为1:1)的粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆和麦秆的混合物料切碎到0.5-4cm，收集到自封袋中待用。

2)玉米秸秆和麦秆混合预处理

取适量切碎的玉米秸秆和麦秆的混合料装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)，并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在30min内升温至120℃，升温后保温40min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为10：1(质量比)，化学药品为碳酸钠和过氧化氢，碳酸钠的加入量为40％(相对于绝干秸秆质量)，过氧化氢的用量为10％(相对于绝干秸秆质量)。

3)处理后秸秆的分析和糖化

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(52.3％)，木聚糖(22.5％)，木质素(11.72％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素也被有效地脱除。

清洗后的浆料用盘磨磨浆机(山东晨钟机械股份有限公司)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。盘磨磨浆浓度为10％，磨浆间隙为0.2mm，磨浆转速为2890rpm。

在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和5U/g底物的木聚糖酶(fromThermomyceslanuginosus)。以9％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解72h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为59.7％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为86.35％，木糖的酶解率为63.62％；基于初始物料的总糖得率为80.72％(比不加过氧化氢的结果高约9％)。

实施例5

1)水稻秸秆的粉碎

用切草机将风干的水稻切碎到2-5cm，收集到自封袋中待用。

2)水稻秸秆的预处理

取适量切碎的水稻秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)，并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在30min内升温至130℃，升温后保温50min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为6：1(质量比)，化学药品为碳酸钾和过氧化氢，碳酸钾的加入量为50％(相对于绝干稻杆质量)，过氧化氢的用量为15％(相对于绝干稻杆质量)。

3)处理后秸秆的分析和糖化

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(50.3％)，木聚糖(21.5％)，木质素(8.72％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，水稻秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素也被有效地脱除。

清洗后的浆料用盘磨磨浆机(山东晨钟机械股份有限公司)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。盘磨磨浆浓度为15％，磨浆间隙为0.2mm，磨浆转速为2890rpm。

在pH4.8，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和5U/g底物的木聚糖酶(fromThermomyceslanuginosus)。以8％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解72h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为56.5％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为89.35％，木糖的酶解率为67.62％；基于初始物料的总糖得率为78.51％(比不加过氧化氢的结果高约11％)。

实施例6

1)玉米秸秆和麦秆混合料(质量比为1:2)的粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆和麦秆的混合物料切碎到0.1-5cm，收集到自封袋中待用。

2)玉米秸秆和麦秆混合预处理

取适量切碎的玉米秸秆和麦秆的混合料装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)，并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在15min内升温至110℃，升温后保温80min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为5：1(质量比)，化学药品为碳酸钠、过碳酸钠、过氧化氢和十二烷基苯磺酸钠，碳酸钠的加入量为15％(相对于绝干秸秆质量)，过碳酸钠用量为5％(相对于绝干秸秆质量)，过氧化氢的用量为6％(相对于绝干秸秆质量)，十二烷基苯磺酸钠的用量为1％(相对于绝干秸秆质量)。

3)处理后秸秆的分析和糖化

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(54.1％)，木聚糖(21.6％)，木质素(8.2％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素也被有效地脱除。

清洗后的浆料用盘磨磨浆机(山东晨钟机械股份有限公司)进行磨浆处理以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。盘磨磨浆浓度为15％，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为2890rpm。

在pH5.0，50℃下，使用20FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，5IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和10U/g底物的木聚糖酶(fromThermomyceslanuginosus)。以8％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解72h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为56.4％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为90.12％，木糖的酶解率为68.34％；基于初始物料的总糖得率为82.3％(比不加表面活性剂的结果高约2％)。

实施例7

1)玉米秸秆粉碎

用切草机将风干的玉米秸秆切碎到0.5-3cm，收集到自封袋中待用。

2)玉米秸秆预处理

取适量切碎的玉米秸秆装载到间歇式预处理反应器中(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL1-00)，并向反应器中加入水(自来水)和化学药品，而后在15min内升温至120℃，升温后保温45min，进而使原料得以预处理。

其中，反应器中液固比为6：1(质量比)，化学药品为碳酸钠、过碳酸钠、过氧化氢和氧化镁，碳酸钠的加入量为5％(相对于绝干玉米秸秆质量)，过碳酸钠的用量为8％(相对于绝干玉米秸秆质量)，过氧化氢的用量为6％(相对于绝干玉米秸秆质量)，氧化镁用量为0.3％(相对于绝干玉米秸秆质量)。

3)处理后秸秆的分析和糖化

结果表明，预处理后的物料中主要含有下列成分(按质量分数计算)：葡聚糖(53.62％)，木聚糖(25.11％)，木质素(9.35％)。这表明，经过本发明的方法预处理后，玉米秸秆中的糖水化合物降解很少，且木质素也被有效地脱除。

清洗后的浆料用PFI磨浆机(陕西咸阳泰斯特实验设备有限公司，PL-1100)进行磨浆处理，以进一步增加预处理后物料的酶的可及性。PFI磨浆浓度为16％，磨浆转数为4500转，磨浆间隙为0.24mm，磨浆转速为1400rpm。

磨浆后在pH4.9，50℃下，使用18FPU/g-底物的纤维素酶(Celluclast1.5L)，2IU/g底物的β葡萄糖苷酶(Novozyme188)，和10U/g底物的木聚糖酶(源自Thermomyceslanuginosus)。以10％的底物浓度将经预处理和磨浆后的物料酶解96h。然后用高效液相色谱(HPLC,Model1200,AgilentTechnologies,USA)分析酶解产物，并计算葡萄糖的酶解效率、木糖的酶解率以及总糖得率。

结果显示，初始物料的预处理回收率为57.5％；经预处理的物料的酶解产物中葡萄糖的酶解率为89.1％，木糖的酶解率为64.7％；基于初始物料的总糖得率为81.41％(比不加氧化镁的结果高约4％)。

Claims

1.一种碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：采用碳酸盐和过氧化氢组合液，在较低温度下对木质纤维素类生物质进行预处理。

2.按权利要求1所述的碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：将木质纤维素类生物质粉碎，在与碳酸盐和过氧化氢组合液混合,并在80-150℃、0-0.6MPa下对木质纤维素类生物质进行预处理；其中，碳酸盐和过氧化氢组合液中碳酸盐的加入量为木质纤维素类生物质质量的5-60％，过氧化氢用量为木质纤维素类生物质质量的2-30％，碳酸盐为碳酸钠、过碳酸钠和/或碳酸钾。

3.按权利要求1或2所述的碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述预处理过程中加入表面活性剂或稳定剂；表面活性剂的加入量为木质纤维素类生物质质量的0-3％，过氧化氢稳定剂的用量为木质纤维素类生物质质量的0-1％；所述表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、聚乙二醇、吐温、十二烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙中的一种或几种；所述稳定剂选自二乙基三胺五乙酸(DTPA)、乙二胺四乙酸(EDTA)、氧化镁、硫酸镁、碳酸镁中的一种或几种。

4.按权利要求1、2或3所述的碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述木质纤维类生物质来源于林业废弃物、农业废弃物、木片、竹子、能源植物、工业废弃物、城市废弃物中的一种或几种。

5.按权利要求1、2或3所述的碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述预处理后的木质纤维素类生物质物料洗涤至中性，经磨浆处理后酶解糖化。

6.按权利要求5所述的碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述磨浆采用磨浆机磨浆，磨浆浓度为5-20％，磨浆机磨盘间隙为0.15-0.4mm，磨浆压力为常压。

7.按权利要求5所述的碳酸盐过氧化氢预处理木质纤维素类生物质的方法，其特征在于：所述酶解条件为：酶水解固含量1-15％，pH值4.0-5.7，酶水解温度40-60℃，酶水解时间为24-96h；酶为纤维素酶、β葡萄糖苷酶和木聚糖酶中的一种或几种。