CN105154495A - 一种通过溶解再生处理秸秆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过溶解再生处理秸秆的方法，粉碎的秸秆首先经过硫酸乙醇水溶液预处理，去除半纤维素和木质素；然后预处理秸秆干燥并经过有机溶剂活化；其次活化秸秆溶解于氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺中得秸秆溶液；接着秸秆溶液注入水中再生，得再生秸秆；最后水洗再生秸秆去除有机溶剂和盐离子，采用纤维素复合酶酶解。本发明秸秆处理方法简单，秸秆中纤维素和半纤维素酶解率大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于秸秆水解技术领域，具体地说涉及一种通过溶解再生处理秸秆的方法。
背景技术
木质纤维素是地球上最丰富、廉价的可再生资源。我国是一个农业大国，木质纤维素资源丰富，仅农作物秸秆年产量就达7亿吨。但秸秆的利用率低，超过30%被丢弃或焚烧，不仅造成资源的浪费，而且产生严重的污染。近年来，随着煤、石油等不可再生化石燃料资源的减少，环境问题的日益加剧，秸秆资源的高效利用越来越引起人们关注。
秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，还含有少量的灰分和溶剂提取物。将木质纤维素中的多糖组分即纤维素和半纤维素水解为微生物可以直接利用的糖，然后通过微生物转化为生物燃料或其他化工产品是木质纤维素高效利用的有效途径。秸秆中纤维素排列整齐，形成致密的结晶结构，半纤维素是由几种不同的单糖构成的杂多糖，其中主要是木聚糖成分，木质素是酚类衍生物结构单元构成的高分子化合物，半纤维素和木质素填充于纤维素构架外，通过共价键或非共价键相互连接，防止其被纤维素酶降解。因此，天然木质纤维素的生物降解非常困难，预处理可以提高酶解效果。
预处理的目的是降低木质纤维素中木质素保护，溶解或部分溶解半纤维素，降低纤维素的结晶度，提高纤维素酶对纤维素的可及性以提高酶解效果。目前常用的秸秆预处理方法包括：化学法、物理法、生物法和物理化学法。其中，化学法主要包括酸、碱、有机溶剂及氧化剂处理；物理法主要包括机械粉碎、高温热解、高能辐射等；生物方法采用真菌产酶对木质纤维素进行处理；物理化学法主要包括蒸汽爆破，氨爆或二氧化碳爆破等。这些预处理方法，虽然可以去除或部分去除半纤维素和木质素，但预处理后的样品中纤维素的结晶度仍然很高，因此预处理样品的酶解率仍然不高。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有的秸秆预处理技术处理后的秸秆纤维素和半纤维素酶解率低的问题，提出一种通过溶解再生处理秸秆的方法，处理后的秸秆中纤维素和半纤维素酶解率大幅提高。
本发明的技术解决方案是该秸秆处理方法是：粉碎的秸秆首先经过硫酸乙醇水溶液预处理，去除半纤维素和木质素；然后预处理秸秆干燥并经过有机溶剂活化；其次活化秸秆溶解于氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺中得到秸秆溶液；接着秸秆溶液注入水中再生，得到再生秸秆；最后水洗再生秸秆去除有机溶剂和盐离子，采用纤维素复合酶酶解。
其中，上述秸秆处理方法具体步骤如下：
（1）将秸秆粉碎并过20目筛后，与硫酸浓度为1～4%（m/v）、乙醇浓度为50～70%（v/v）的硫酸乙醇水溶液以固液比1:5～1:8混合，在115～135°C条件下反应120～180分钟；
（2）将步骤（1）预处理后的秸秆用水洗涤并烘干，与N,N-二甲基乙酰胺以1:40～1:70的固液比混合，在130～170°C条件下活化30～90分钟，并过滤和烘干；
（3）将步骤（2）烘干后的活化秸秆以1:40～1:70的固液比与浓度为8～12%（m/v）的氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺混合，在130～170°C条件下溶解120～200分钟，冷却后得到秸秆溶液；
（4）将步骤（3）的秸秆溶液以1:3的体积比注入水中再生，过滤得到再生秸秆，用水洗涤至除尽溶剂和盐离子；
（5）步骤（4）的再生秸秆中加入纤维素复合酶，在50°C条件下，pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解60～108小时。
其中，所选用的秸秆包括小麦秆、稻草、玉米秆、玉米芯、甘蔗渣和油菜秸秆。
其中，所使用的纤维素复合酶为市售纤维素复合酶，纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g。
本发明具有以下优点：秸秆处理方法简单，秸秆中纤维素和半纤维素的酶解率大幅提高。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。
实施例1：将甘蔗渣粉碎后过20目筛，以1:6.5的固液比与硫酸浓度为1%（m/v）乙醇浓度为60%（v/v）的硫酸乙醇水溶液混合，125°C预处理120分钟，冷却后过滤，将滤渣洗涤至pH中性并烘干；将预处理后的甘蔗渣与N,N-二甲基乙酰胺以1:40的固液比混合，在160°C条件下活化40分钟，冷却后过滤并烘干；将活化后的甘蔗渣以1:50的固液比与浓度为10%（m/m）的氯化锂/N，N-二甲基乙酰胺溶液混合，在160°C条件下反应180分钟，得到甘蔗渣溶液；冷却后将甘蔗渣溶液以1:3的体积比注入水中再生，用水洗涤得到再生甘蔗渣；将再生甘蔗渣加入纤维素复合酶，纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g，在50°C条件下，pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解96小时。纤维素的酶解率达到90%，半纤维素的酶解率达到85%。
实施例2：将小麦秆粉碎后过20目筛，以1:7的固液比与硫酸浓度为2.5%（m/v）乙醇浓度为60%（v/v）的硫酸乙醇水溶液混合，125°C预处理120分钟，冷却后过滤，将滤渣洗涤至pH中性并烘干；将预处理后的小麦秆与N,N-二甲基乙酰胺以1:40的固液比混合，在160°C条件下活化60分钟，冷却后过滤并烘干；将活化后的小麦秆以1:50的固液比与浓度为10%（m/m）的氯化锂/N，N-二甲基乙酰胺溶液混合，在160°C条件下反应180分钟，得到小麦秆溶液；冷却后将小麦秆溶液以1:3的体积比注入水中再生，用水洗涤得到再生小麦秆；将再生小麦秆加入纤维素复合酶，纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g，在50°C条件下pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解96小时。纤维素的酶解率达到85%，半纤维素的酶解率达到76%。
实施例3：将小麦秆粉碎后过20目筛，以1:8的固液比与硫酸浓度为2%（m/v）乙醇浓度为70%（v/v）的硫酸乙醇水溶液混合，115°C预处理180分钟，冷却后过滤，将滤渣洗涤至pH中性并烘干；将预处理后的小麦秆与N,N-二甲基乙酰胺以1:50的固液比混合，在130°C条件下活化90分钟，冷却后过滤并烘干；将活化后的小麦秆以1:70的固液比与浓度为12%（m/m）的氯化锂/N，N-二甲基乙酰胺溶液混合，在170°C条件下反应120分钟，得到小麦秆溶液；冷却后将小麦秆溶液以1:4的体积比注入水中再生，用水洗涤得到再生小麦秆；将再生小麦秆加入纤维素复合酶，纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g，在50°C条件下pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解108小时。纤维素的酶解率达到82%，半纤维素的酶解率达到74%。
实施例4：将小麦秆粉碎后过20目筛，以1:6的固液比与硫酸浓度为4%（m/v）乙醇浓度为50%（v/v）的硫酸乙醇水溶液混合，135°C预处理140分钟，冷却后过滤，将滤渣洗涤至pH中性并烘干；将预处理后的小麦秆与N,N-二甲基乙酰胺以1:50的固液比混合，在170°C条件下活化30分钟，冷却后过滤并烘干；将活化后的小麦秆以1:40的固液比与浓度为8%（m/m）的氯化锂/N，N-二甲基乙酰胺溶液混合，在130°C条件下反应200分钟，得到小麦秆溶液；冷却后将小麦秆溶液以1:5的体积比注入水中再生，用水洗涤得到再生小麦秆；将再生小麦秆加入纤维素复合酶，纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g，在50°C条件下pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解108小时。纤维素的酶解率达到83%，半纤维素的酶解率达到66%。
实施例5：将小麦秆粉碎后过20目筛，以1:5的固液比与硫酸浓度为2.5%（m/v）乙醇浓度为60%（v/v）的硫酸乙醇水溶液混合，125°C预处理120分钟，冷却后过滤，将滤渣洗涤至pH中性并烘干；将预处理后的小麦秆与N,N-二甲基乙酰胺以1:50的固液比混合，在170°C条件下活化30分钟，冷却后过滤并烘干；将活化后的小麦秆以1:50的固液比与浓度为10%（m/m）的氯化锂/N，N-二甲基乙酰胺溶液混合，在160°C条件下反应180分钟，得到小麦秆溶液；冷却后将小麦秆溶液以1:5的体积比注入水中再生，用水洗涤得到再生小麦秆；将再生小麦秆加入纤维素复合酶，纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g，在50°C条件下pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解60小时。纤维素的酶解率达到69%，半纤维素的酶解率达到52%。
Claims (4)
1.一种通过溶解再生处理秸秆的方法，其特征是该秸秆处理方法是：粉碎的秸秆首先经过硫酸乙醇水溶液预处理，去除半纤维素和木质素；然后预处理秸秆干燥并经过有机溶剂活化；其次活化秸秆溶解于氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺中得秸秆溶液；接着秸秆溶液注入水中再生，得再生秸秆；最后水洗再生秸秆去除有机溶剂和盐离子，采用纤维素复合酶酶解。
2.根据权利要求1所述的一种通过溶解再生处理秸秆的方法，其特征是该处理方法具体步骤如下：
（1）将秸秆粉碎并过20目筛后，与硫酸浓度为1～4%（m/v）、乙醇浓度为50～70%（v/v）的硫酸乙醇水溶液以固液比1:5～1:8混合，在115～135°C条件下反应120～180分钟；
（2）将步骤（1）预处理后的秸秆用水洗涤并烘干，与N,N-二甲基乙酰胺以1:40～1:70的固液比混合，130～170°C活化30～90分钟，过滤和烘干；
（3）将步骤（2）烘干后的活化秸秆以1:40～1:70的固液比与浓度为8～12%（m/v）的氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺混合，在130～170°C条件下溶解120～200分钟，冷却后得到秸秆溶液；
（4）将步骤（3）的秸秆溶液以1:3～1:5的体积比注入水中再生，过滤得到再生秸秆，用水洗涤至除尽溶剂和盐离子；
（5）步骤（4）的再生秸秆中加入纤维素复合酶酶解，在50°C条件下，pH5.0的0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中酶解60～108小时。
3.根据权利要求1所述的一种通过溶解再生处理秸秆的方法，其特征是：所选用的秸秆包括小麦秆、稻草、玉米秆、玉米芯、甘蔗渣和油菜秸秆。
4.根据权利要求1所述的一种通过溶解再生处理秸秆的方法，其特征是：所使用的纤维素复合酶为市售纤维素复合酶；纤维素复合酶包含纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶活性，其滤纸纤维素酶、β-葡萄糖苷酶和木聚糖酶用量分别是10FPU/g、8CBU/g和1000IU/g。
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