CN106011199A - 一种农作物秸秆的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农作物秸秆的预处理方法，农作物秸秆经水热法预处理后，用稀氢氧化钠溶液在常温下抽提预处理物料中的半纤维素和木质素，得到易于酶水解的物料。该法具有纤维素回收率高、碱抽提过程中不生成发酵抑制物质以及预处理物料易于酶解的优点。

Description

一种农作物秸秆的预处理方法

技术领域

本发明涉及可发酵性糖制备技术领域，具体涉及一种农作物秸秆的预处理方法。

技术背景

中国有丰富的农业废弃物资源，仅农作物秸秆每年产量近7亿吨。目前，农作物秸秆存在利用率低、附加值不高等问题，除部分用于还田，少量用于造纸、饲料、生物质发电和家庭燃料外，大多数农作物秸秆尚未被工业化利用。农作物秸秆在田间地头焚烧，不仅严重污染了环境，而且造成了大量可再生资源的浪费，因此，农作物秸秆的高效利用，已成为我国各级政府和科学家的关注热点。农作物秸秆中的纤维素可在纤维素酶的作用下水解成可发酵性单糖，可发酵性单糖经不同微生物发酵可转化生成各种能源和化学品。

木质纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素、半纤维素和木质素以各种物理和化学结合方式形成复杂的超分子结构，使得纤维素很难被纤维素酶水解成可发酵性单糖。因此，木质纤维原料在酶水解前必须经过预处理步骤，以破坏原料中纤维素、半纤维素和木质素形成的致密结构，实现纤维素、半纤维素和木质素的有效分离，从而提高纤维素酶对纤维素的水解得率。常规的以生产可发酵性糖为目标的木质纤维原料预处理方法主要包括稀酸预处理法、稀碱预处理法和蒸汽爆破法等，这些预处理方法的应用在提高纤维素酶水解得率方面取得了积极的效果，但上述预处理方法仍然存在一些问题。例如稀酸预处理、蒸汽爆破预处理方法存在预处理过程中少量纤维素和部分半纤维素发生降解和分解作用产生不利于后续酶解、发酵的抑制物质；稀碱预处理过程中纤维素在高温、碱性条件下发生剥皮反应，造成纤维素回收率低等问题。

水热法也是木质纤维原料预处理的一种方法，是木质纤维原料与水混合，于高温下蒸煮的一种预处理方法。水热法预处理的机理是木质纤维原料半纤维素上的乙酰基在高温下发生脱落，与水中的水合氢离子结合形成乙酸，导致蒸煮液的pH值降低，形成一个弱酸性的反应环境，随后，半纤维素在高温弱酸环境下发生降解而溶出；同时，水热法预处理过程中，木质纤维原料中的少量木质素在弱酸性条件下发生碎片化而以小分子的形式溶出。因此，水热法预处理实现了木质纤维原料中纤维素、半纤维素和木质素的一定分离，有利于提高预处理物料的酶水解得率。但水热法预处理过程中的高温弱酸环境蒸煮强度较低，仅能部分降解和溶解半纤维素和木质素，纤维素、半纤维素和木质素分离程度不够，对纤维素酶水解得率的提高程度低于常规的稀酸预处理、稀碱预处理和蒸汽爆破预处理。

除了从木质纤维原料中分离出半纤维素而实现纤维素、半纤维素和木质素的有效分离外，从原料中分离出木质素也是实现纤维素、半纤维素和木质素有效分离的一种方法。常规的从木质纤维原料中分离木质素的方法通常是在高温碱性条件下进行，但在高温碱性条件下分离木质素存在能耗大、纤维素回收率低的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种农作物秸秆的预处理方法，该法具有纤维素回收率高、碱抽提过程中不生成发酵抑制物质以及预处理物料易于酶解的优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种农作物秸秆的预处理方法，农作物秸秆水热法预处理后，用稀碱在常温下抽提半纤维素和木质素，得到易于酶水解的物料。

一种农作物秸秆的预处理方法，包括以下步骤：

(1)农作物秸秆按固液比1:10(g:mL)与水混合，于140℃-160℃下蒸煮40min，将蒸煮物固液分离；

(2)农作物秸秆经步骤(1)水热法预处理、固液分离获得的固体渣按固液比1:30(g:mL)与浓度为2-6％(质量百分浓度)的NaOH溶液混合，于室温(20℃)下浸泡1h，固液分离，用水洗涤固液分离后的固体渣至中性，获得易于酶水解的物料。

所述的农作物秸秆包括麦草、玉米秸秆等农业废弃物。

本发明的木质纤维原料在水热法预处理过程中，降解和溶解部分半纤维素和少量木质素后，破坏了木质纤维素原有的致密结构，提高了原料的比表面积和孔隙率，同时原料中的部分木质素、木质素-碳水化合物复合物成分在水热法预处理过程中也发生了一些反应，使得水热法预处理后的物料中的半纤维素和木质素易于提取，仅需在室温、低碱浓度下即可提取大量木质素，从而可实现原料中纤维素、半纤维素和木质素的有效分离。经水热法-常温稀碱抽提耦合预处理获得的物料，十分有利于后续的酶水解，可获得与化学法相当甚至更好的酶水解效果。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过水热法预处理降解和溶解原料中部分半纤维素和少量木质素，破坏了木质纤维原料原有的致密结构，修饰了原料中半纤维素和木质素的结构，提高了原料的比表面积和孔隙率，从而使水热预处理物料中的半纤维素和木质素在室温稀碱条件下容易被抽提分离，最终实现原料中纤维素、半纤维素和木质素的有效分离，使预处理物料易于酶解。同时，本发明与常规化学预处理方法相比，具有纤维素回收率高、能耗低、发酵抑制物生成量少的优点。

附图说明

图1是水热法-常温碱抽提预处理对麦草酶水解得率的影响结果图。

具体实施方式

以下结合具体实施对本发明做进一步阐述。实施例是为说明而非限制本发明。本领域中任何普通技术人员能够理解这些实施例，不以任何方式限制本发明，可做适当的修改而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。

实施例1

麦草的水热法预处理：50g绝干麦草与蒸馏水于固液比1:10(g:mL)、140℃和160℃条件下蒸煮40min，蒸煮结束后，抽滤，用500mL蒸馏水分3次洗涤、抽滤，固体部分用于分析。麦草水热预处理过程中纤维素回收率、半纤维素溶解率和木质素脱除率如表1所示。

表1水热法预处理对麦草主要组分变化的影响

温度(℃)	纤维素回收率(％)	半纤维素溶解率(％)	木素脱除率(％)
				140	100.00	6.91	5.49
160	98.20	18.86	8.75

结果表明，麦草分别在140℃和160℃条件下水热法预处理，纤维素降解很少。半纤维素在水热作用下发生一定的降解和溶解，但发生降解和溶解的半纤维素不多，在6.91％-18.86％之间。同样，木质素在水热条件下也发生一定的降解和溶解作用，木质素脱除率在5.94％-8.75％之间。由此可知，水热预处理条件下，尽管半纤维素和木质素都发生一定的降解和溶解作用，但降解和溶解的半纤维素和木质素比例较低，虽然水热法预处理实现了麦草中纤维素、半纤维素和木质素组分的一定分离，有利于后续的纤维素酶水解，但纤维素、半纤维素和木质素分离程度不高，难以获得高的纤维素酶水解得率。

实施例2

麦草的水热法-常温碱抽提预处理，步骤如下：

(1)50g绝干麦草与蒸馏水于固液比1:10(g:mL)、140℃和160℃条件下蒸煮40min，蒸煮结束后，抽滤，得到固体渣。

(2)将步骤(1)获得的固体渣用浓度为2-6％(质量百分浓度)、固液比为1:30(g:mL)的NaOH溶液在常温下(20℃)浸泡1h，抽滤，用1000mL蒸馏水分6次洗涤、抽滤，固体部分用于分析。水热法-常温碱抽提预处理过程中麦草纤维素回收率、半纤维素溶解率和木质素脱除率如表2所示。

表2水热法-常温碱抽提预处理对麦草主要组分变化的影响

结果表明，麦草于140℃水热法预处理后，用2-6％的NaOH溶液于常温下抽提1h，半纤维素溶解率为23.22％-50.76％、木质素脱除率为33.83％-47.90％；麦草于160℃水热法预处理后，用2-6％的NaOH溶液于常温下抽提1h，半纤维素溶解率为52.90％-72.23％、木质素脱除率为48.23％-50.07％。可见麦草经水热法预处理后，即使在常温下，水热预处理物料中的半纤维素和木质素容易被稀碱抽提，且纤维素回收率高，从而实现麦草中纤维素、半纤维素和木质素的有效分离，有利于后续的纤维素酶水解。

实施例3

水热法-常温碱抽提预处理麦草的纤维素酶水解，步骤如下：

(1)50g绝干麦草与蒸馏水于固液比1:10(g:mL)、140℃和160℃条件下蒸煮40min，蒸煮结束后，抽滤，得到固体渣。

(2)将步骤(1)获得的固体渣用浓度为2-6％(质量百分浓度)、固液比为1:30(g:mL)的NaOH溶液在常温下(20℃)浸泡1h，抽滤，用蒸馏水反复洗涤、抽滤直至水洗液呈中性。固体渣用于酶水解。

(3)称取绝干重2.5g的步骤(2)得到的固体渣于150mL酶解瓶中，加入1mol/L柠檬酸缓冲液2.5mL，按纤维素酶用量25FPU/g纤维素加入纤维素酶，最后补充蒸馏水使酶解体系体积为50mL。将酶解瓶置于150rpm、50℃恒温摇床中酶解72h。酶解结束后，取1mL酶解样，于10000rpm下离心5min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，并计算酶水解得率。其中，纤维素酶水解得率(％)＝[(水解液中葡萄糖浓度g/L×0.9+水解液中纤维二糖浓度g/L×0.95)×0.05/(底物绝干重g×纤维素含量)]×100％。式中：0.9为葡萄糖与纤维素的转换系数；0.95为纤维二糖与纤维素的转换系数；0.05为水解体系体积，L。

结果如图1所示，表明水热法预处理麦草在常温下经稀碱(NaOH)抽提处理后所获得的物料，十分有利于纤维素酶的水解。由图1可知，在140℃-160℃、NaOH浓度在2％-6％范围内，水热法预处理温度越高、抽提碱浓度越大，后续物料的酶水解得率越高。麦草分别于140℃和160℃条件下水热预处理，然后于常温下用6％的NaOH抽提1h获得的物料经纤维素酶水解72h，纤维素酶水解得率分别为79.30％和84.78％％。

比较例1

水热法预处理麦草的纤维素酶水解，步骤如下：

(1)50g绝干麦草与蒸馏水于固液比1:10(g:mL)、140℃和160℃条件下蒸煮40min，蒸煮结束后，抽滤，得到固体渣。

(2)将步骤(1)的固体渣用蒸馏水反复洗涤、抽滤直至水洗液呈中性。固体渣用于酶水解。

(3)称取绝干重2.5g的步骤(2)得到的固体渣于150mL酶解瓶中，加入1mol/L柠檬酸缓冲液2.5mL，按纤维素酶用量25FPU/g纤维素加入纤维素酶，最后补充蒸馏水使酶解体系体积为50mL。将酶解瓶置于150rpm、50℃恒温摇床中酶解72h。酶解结束后，取1mL酶解样，于10000rpm下离心5min，取上清液测定其中的葡萄糖浓度和纤维二糖浓度，并计算酶水解得率。

结果表明，麦草经水热法预处理后直接用于酶水解，由于水热法预处理过程中半纤维素溶解率和木质素脱除率都不高，纤维素、半纤维素和木质素三个主要组分没有实现很好的分离，因此酶水解得率较低。麦草分别于140℃、160℃条件下水热预处理后经纤维素酶水解72h，纤维素酶水解得率分别为30.03％和37.83％，远远低于麦草水热法预处理-稀碱常温抽提后物料的酶水解得率。

Claims (5)

1.一种农作物秸秆的预处理方法，其特征在于：农作物秸秆水热法预处理后，用稀碱在常温下抽提半纤维素和木质素，得到易于酶水解的物料。

2.根据权利要求1所述的农作物秸秆的预处理方法，其特征在于：所述的水热法预处理步骤中，原料与水按固液比1:10混合后，于140℃-160℃下蒸煮40min。

3.根据权利要求1所述的农作物秸秆的预处理方法，其特征在于：所述的常温碱浸泡步骤中，固液比为1:30，碱液氢氧化钠浓度为2-6%，浸泡时间1h。

4.根据权利要求1所述的农作物秸秆的预处理方法，其特征在于：所述的农作物秸秆包括麦草、玉米秸秆。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的农作物秸秆的预处理方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）农作物秸秆按固液比1:10与水混合，于140℃-160℃下蒸煮40min，将蒸煮物固液分离；

（2）将固液分离获得的固体渣按固液比1:30与浓度为2-6%的NaOH溶液混合，于室温下浸泡1h，固液分离，用水洗涤固液分离后的固体渣至中性，获得易于酶水解的物料。