CN105886554A - 一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的两步法预处理方法 - Google Patents

一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的两步法预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用玉米秸秆生产乙醇的两步预处理方法。该方法为：取玉米秸秆原料风干、切断、粉碎、筛分，得到玉米秸秆碎片；将玉米秸秆粉末平衡水分，加入水和稀酸进行弱酸性中压蒸汽爆破预处理，反应结束后,利用脱水机将爆破的样品和水解液分离，样品放入塑料封口袋中平衡水分，然后取具有代表性的试样，加入水和稀酸进行弱酸性蒸煮预处理，反应结束后，利用脱水机将蒸煮后的样品和液体离心分离，收集固体样品a；将反应后的样品a用于后续酶解发酵制取的底物。本发明提供了科学的整体工艺，所得预处理样品在酶水解制备纤维素乙醇方面获得很好的应用效果，为玉米秸秆转化为纤维素乙醇的工程化应用提供一定的技术指导。

Description

一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的两步法预处理方法
技术领域
本发明属于利用非木材原料生产乙醇的技术领域，尤其是涉及一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的两步法预处理方法。
背景技术
能源需求的日益增长与环保观念的日益提升，促使人们急需一种能够替代化石能源的环保可再生能源。地球上储量丰富、可再生循环的生物质资源成为人们关注的焦点。我国生物质资源量巨大，年均约有7亿t标准煤的生物质能可作为能源利用，其中纤维素类生物质年产量约6亿t，玉米秸秆年产量达到2.2亿t。玉米秸秆中含有大量的纤维素，这些纤维素经纤维素酶催化后可水解为还原糖，再经过酵母菌的发酵即可转化为燃料乙醇，然而由于纤维素是葡萄糖单元以β-O-4糖苷键连接的高分子化合物，有着紧密的结晶结构，同时由于纤维素被共价结合的木质素和半纤维素包覆而存在大量的结晶区，因此有必要对木质纤维素进行有效的预处理，破坏木质素的包裹，改变纤维素的结晶结构，以增大酶与纤维素的接触面积，提高木质纤维的利用率。
目前，玉米秸秆的预处理方法大致可分为物理法、化学法和生物法。物理法主要是采用粉碎、高能辐射、蒸汽爆破等方式降低纤维素的结晶度，提高其可及度；化学法主要是用酸、碱、有机溶剂等除去半纤维素、木素，但对环境的污染严重；生物法则主要采用一些微生物(主要是白腐菌、褐腐菌)降解木质素，但这些微生物发酵周期长、效率低，无法工业生产。当前研究多集中在单步法预处理，而对两步法预处理过程中纤维原料的结构变化的研究相对少，本专利以我国丰富的农业废弃物玉米秸秆为原料，研究了“爆破+蒸煮预处理”两步法预处理对玉米秸秆的化学组成和纤维特性的影响，为玉米秸秆等木质纤维原料转化为生物乙醇提供一定的科学基础和理论依据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有纤维质原料生产纤维素乙醇预处理技术的不足，提供一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的预处理方法。采用本发明方法可以有效提高酶的可及度，提高解得效率。
一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的新型预处理方法，以玉米秸秆为原料，将玉米秸秆磨碎后进行弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理两步预处理方法，然后通过对比研究，得出弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理两步法预处理的产物更有利于后续酶解反应的进行。
本发明的发明目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种玉米秸秆生产乙醇的两步预处理方法，该方法的具体步骤为：
S1：取玉米秸秆原料，机械切断粉碎至2～4cm，筛除泥沙等杂志，在自然状态下风干至水分为5％～10％，得到玉米秸秆碎片，常温干燥环境条件下贮存，备用；
S2.预处理：将S1步骤所得玉米秸秆碎片平衡水分，加入水和稀酸进行弱酸性中压蒸汽爆破预处理，反应结束后,利用脱水机将爆破的样品和水解液分离，样品放入封口塑料袋中平衡水分，然后取具有代表性的试样，加入水和稀酸进行稀酸蒸煮预处理，反应结束后，利用脱水机将蒸煮后的样品和液体离心分离，收集固体样品a，供后续分析使用；
S3.对S2所得到的预处理样品进行化学成分分析和形态结构分析；
S4.取S2预处理后的样品a，洗涤干净后，得到用于后续酶解制取纤维素乙醇的底物。
上述方法中，所述玉米秸秆取自我国东北地区。
上述方法中，所述爆破中的酸液为硫酸溶液，蒸煮中的酸液为硫酸溶液。
上述方法中，所述弱酸性中压蒸汽爆破预处理的条件为：底物浓度为0～20％，酸液质量分数为0～2％，爆破压力为0.8～1.0MPa，反应时间为0～15min；所述稀酸蒸煮预处理的条件为：底物浓度为0～20％，酸液质量分数为0～6％，蒸煮压力0.55-0.60MPa，升温时间为40-60min，保温时间为40-60min。
上述方法中，分析仪器为实验室爆破实验装置，KRK蒸煮锅，Olympus BX51生物显微镜、Carl Zeiss EVO18型扫描电子显微镜、IC 5000离子色谱仪、MetsoFS-300自动纤维分析仪、Micro Meritics ASAP2020全自动比表面积孔隙分析仪以及其它常规分析仪器。
本发明的有益效果是：
本发明采用弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理两步预处理技术对玉米秸秆进行预处理，硫酸用量少，预处理效果最好，更有利于降低生产成本，提高酶解效率。
本发明采用弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮技术对玉米秸秆进行预处理，在提高玉米秸秆产糖率的同时，去除了对发酵过程具有抑制作用的半纤维素和少量木质素，为进一步进行燃料乙醇等产品的清洁高效生产提供了一条有效途径。
附图说明
图1为样品a预处理SEM图；
图2为样品b预处理SEM图；
图3为玉米秸秆原料SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明采用的试剂和原料为本领域常规市购的试剂和原料。除非特别说明，本发明实施例中涉及的百分数为质量百分数。
实施例1
原料选择：本发明所用玉米秸秆取自我国东北地区。
1.仪器：
植物粉碎机，精密电子天平，马弗炉，水浴锅，鼓风干燥箱，循环水真空泵，快速水分测定仪，电热板，DR5000分光光度计，索氏抽提器。
2原料及处理：
玉米秸秆取自我国吉林长春，随机取具有代表性的原料，机械粉碎至3～5cm，在自然状态下风干至水分10％左右。常温干燥环境条件下贮存于塑料袋中平衡水分，供后续测定分析玉米秸秆化学成分和预处理时使用。
3.结果：
所述品种的玉米秸秆的化学组分分析结果列于下表1中。
表1玉米秸秆的化学组分
从表1可以看出，该玉米秸秆也主要由纤维素、半纤维素(聚戊糖)、木素组成，这三大部分约占原料总质量的86％，其中综纤维素(包括纤维素和半纤维素)含量为68.53％，这些组分理论上都可以转化为乙醇；至于木素，这一组分含量相对较高，总含量为17.50％，由于木素和纤维素、半纤维素紧密相连形成复合物，因此需要在预处理过程中尽量使其剥离，以充分暴露出纤维素。玉米秸秆的热水抽出物含量为20.07％，1％NaOH抽出物含量超过50％，由此可见玉米秸秆原料易处理，在热水和碱性条件下会有部分物质发生降解，溶解在溶液中。另外，从表1还可以看出，原料还含有3.86％的灰分，这是植物纤维原料化学成分中的少量组分。
实施例2
玉米秸秆的弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理
1.仪器：
KRK蒸煮锅；蒸汽爆破装置；Olympus BX51生物显微镜；Carl Zeiss EVO18型扫描电子显微镜；IC 5000离子色谱仪；Metso FS-300自动纤维分析仪；MicroMeritics ASAP2020全自动比表面积孔隙分析仪。
2.原料预处理：
将实施例1所得玉米秸秆粉末平衡水分，加入水和稀酸，进行弱酸性中压蒸汽爆破预处理，水解反应结束后，将爆破样品和水解液离心分离，收集样品，(参数详见表2)；平衡水分后，放入KRK蒸煮锅加入水和稀酸进行稀酸蒸煮预处理，反应结束后，将蒸煮样品和液体离心分离，分别收集样品供后续分析使用(具体参数见表3)；底物放入封口塑料袋中平衡水分后，供分析得率使用。然后取具有代表性的底物试样，自然风干后，供化学组分分析和纤维形态分析。
表2酸性爆破预处理工艺条件
注：绝对量为组分在预处理样中的实际含量；
相对量＝绝对量×水解得率
从表4的数据可以看出，“酸性爆破+酸性蒸煮”得率较低，只有39.9％，主要是因为玉米秸秆中的很多半纤维素和木素都在酸性条件下发生了降解。从各组分的相对量来看，两步法预处理后样品的聚戊糖含量降到1.14％，比原料减少了18.8％，说明聚戊糖在酸性条件下发生了大量水解，酸性条件使聚戊糖很容易溶出；两步法预处理后各样品的木素总量也呈下降趋势，其值从17.45％降至8.51％，溶出的木素较多。
实施例3
玉米秸秆的弱酸性蒸煮预处理
1.仪器：
KRK蒸煮锅；Olympus BX51生物显微镜；Carl Zeiss EVO18型扫描电子显微镜；IC 5000离子色谱仪；Metso FS-300自动纤维分析仪；Micro MeriticsASAP2020全自动比表面积孔隙分析仪。
2.原料及处理：
将实施例1所得玉米秸秆粉末平衡水分，放入KRK蒸煮锅加入水和稀酸进行弱酸性蒸煮预处理(具体反应参数见表7)，反应结束后，将蒸煮样品和液体离心分离，分别收集样品和水解液，供后续分析使用；底物放入封口塑料袋中平衡水分后，供分析得率使用。然后取具有代表性的底物试样，自然风干后，供化学组分分析和纤维形态分析。
表7弱酸性蒸煮预处理工艺条件
3.结果：
3.1水解样化学组分分析
按前述方法处理水解样，进行水解样化学组分分析，所得结果列于表3中。
表8稀酸蒸煮预处理样的化学组分
注：绝对量为组分在预处理样中的实际含量；
相对量＝绝对量×水解得率；
从表8的数据可以看出，采用酸性蒸煮预处理，残余固形物量为60.86％，比两步法预处理得率高，主要是因为两步法化学处理条件较激烈，溶出的化学组分更多。从表8中各组分的绝对含量来看，与未处理原料相比，处理后样品的聚戊糖含量呈下降趋势，酸性爆破预处理聚戊糖含量降为3.04％，与两步法预处理的样品中聚戊糖含量相近。从木素绝对含量来看，稀酸处理后样品的木素总量变化不大，也说明稀酸蒸煮对原料中的木素影响不大。
综合表4和7发现，弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮比弱酸性蒸煮溶出的聚戊糖和木素更多，主要指因为聚戊糖在酸性条件下很容易水解成单糖而溶出，有研究指出，稀酸蒸汽爆破协同作用包括稀酸的软化和蒸汽爆破的活化两种机制。稀酸能够脱除大部分的半纤维素，破坏半纤维素与木素之间的相互作用，从而软化纤维组织。蒸汽爆破利用瞬间的降压过程能将高温高压条件下活化的纤维素超分子结构“冻结”，进而有利于纤维素酶的接触。与此同时，有关研究认为在酸爆破处理作用下，木质素的分子链变短，更容易在酸性蒸煮条件下而形成改性的木质素而在。预处理的主要目的是脱除木质纤维素生物质中的木质素,降低纤维素的结晶度以及提高基质的孔隙率,增加酶与基质的接触面积，增加反应活性。两步法预处理。两步法预处理能够克服酸性蒸煮条件下聚戊糖和木素溶出较少的缺点，是一种很有效的预处理方法。
表9各样品的样品的比表面积和孔径
表9显示了各样品原料的比表面积、孔容和孔径分布。从表9可以看出，与原料相比，两步法处理的样品，其比表面积较原料提高了2个数量级，增加倍数达60-70倍，孔容也增加了200-300倍，这进一步说明纤维发生了断裂和内部破坏，表面变得凸面不平，并出现了较多孔洞，这都非常有利于后续酶解处理。而样品a以中空(2-50nm)居多，而样品b以大孔(>50nm)，处理条件越剧烈，原料表面出现的中孔越多。酸化汽爆通过高压下突然减压实现爆破产生机械破坏作用，使原本致密的秸秆结构变得松散，表面出现很多孔洞，有利于酶解的顺利进行。
表10爆破处理样品的纤维长度、宽度、细小纤维含量
表10显示了两步法处理后样品的纤维长度、宽度和细小纤维的含量。从表10可以看出，经过预处理后，样品的纤维长度发生了巨大变化，纤维大量断裂。由于纤维变短，样品的L/W也大幅降低；同时，细小组分含量则显著提高，进一步说明纤维发生了显著断裂。经过两步处理后，数均纤维长度为0.11mm，细小组分的数量比例也在87％左右。稀酸处理能通过润胀作用解开一些高度结合在一起的结晶结构，使木质纤维素结晶度下降，使纤维长度变短。同时可以看出，对比样品a和b主要是0.2mm以下的纤维，说明纤维受破坏的程度逐渐加深，稀酸蒸煮预处理破坏纤维结构，这进一步说明酸性爆破+酸性蒸煮对杂细胞等杂质的溶出作用要比其他预处理方式可以溶出更多的组分。
从上述的对比研究可以看出，在爆破预处理过程中，半纤维素大量降解溶出，含量降低，木质素也降解溶出，样品纤维结构发生破坏，且弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理对纤维结构的影响更大。物料的粒度变小，纤维束相互分开松散、纤维比表面积增大、孔径增加，更有利于后续酶解反应的进行。
从图1(玉米秸秆的弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理)、图2(玉米秸秆的弱酸性蒸煮预处理)和图3(玉米秸秆原料)的微观扫描电镜照片来看，未处理原料纤维表面致密，连接紧密。经过两步法预处理后，纤维表层开始脱落，表面孔洞增多且清晰可见，且纤维表层发生剥落，沟壑加深，并出现了断裂和大的孔洞，这些都有利于提高酶的可及度、增加酶的作用效率。而经过弱酸性蒸煮预处理之后，纤维表层虽然剥落，但仍然比较规整。相比较而言，两步法预处理样侵蚀脱落的最为明显，除表层剥落外，纵深方向也发生了剥落，细胞壁变薄，孔洞增大，结构变得更为疏松，这非常有利于后续的酶解处理。
实施例4
玉米秸秆酶解底物的制备:
将实例2和实例3的预处理样品洗涤干净，放入封口塑料袋中平衡水分24h。分别称取绝干质量为10g的预处理样品，得到用于后续酶解的纤维素样品a1和b1。分别称取绝干质量为1g的样品a1和样品b1以固液比1:20，加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，纤维素酶用量为20FPU/g(绝干底物)，在50℃、200rpm的恒温振荡器中反应48h。酶解完成后，测定酶解样品的得率和酶解液中的还原糖转化率。经测定，样品a1和样品b1经酶解后，还原糖转化率分别为81.45％和63.82％，其还原糖转化率与实例2和实例3的分析结果一致。该实验结果表明，弱酸性中压蒸汽爆破+弱酸性蒸煮预处理两步预处理效果明显优于弱酸性蒸煮预处理。则可将两步法预处理样品作为酶解底物，用于后续酶解发酵生产乙醇。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种玉米秸秆生产纤维素乙醇的两步法预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取玉米秸秆原料，机械切断粉碎至2~4cm，筛除泥沙，在自然状态下风干至水分为8%-10%，得到玉米秸秆碎片，常温干燥环境条件下贮存，备用；
S2. 预处理：将S1步骤所得玉米秸秆碎片平衡水分，加入水和稀酸进行弱酸性中压蒸汽爆破预处理，反应结束后，利用脱水机将爆破的样品和水解液分离，爆破后的样品放入封口塑料袋中平衡水分，然后取试样，加入水和稀酸进行弱酸性蒸煮预处理，反应结束后，利用脱水机将蒸煮后的样品和液体离心分离，收集固体样品a，供后续分析使用；
S3. 对S2预处理后的样品a，进行化学成分分析和形态结构分析；
S4. 取S2预处理后的样品a，洗涤干净后，得到用于后续酶解制取乙醇的底物。
2.根据权利要求1所述玉米秸秆生产纤维素乙醇的预处理方法，其特征在于，所述玉米秸秆取自我国东北地区。
3.根据权利要求1所述玉米秸秆生产纤维素乙醇的预处理方法，其特征在于，所采用的预处理方法为两步法预处理，所述弱酸性中压蒸汽爆破预处理中的酸液为硫酸溶液，弱酸性蒸煮预处理中的酸液为硫酸溶液。
4.根据权利要求1所述玉米秸秆生产纤维素乙醇的预处理方法，其特征在于，S2中所述弱酸性中压蒸汽爆破预处理的条件为：底物质量百分比浓度为0~20%，酸液质量分数为0~2%，爆破压力为0.8~1.0MPa，反应时间为0~15min；所述稀酸蒸煮预处理的条件为：底物质量百分比浓度为0~20%，酸液质量分数为0~6%，蒸煮压力0.55-0.60MPa，升温时间为40-60min，保温时间为40-60min。
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