CN106191158B - 一种清洁和安全的木质纤维原料预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种清洁和安全的木质纤维原料预处理方法。该方法以天然木质纤维素为原料，粉碎后利用10％～20％的醋酸(质量浓度)在120～150℃条件下预处理10～60min，经减压蒸发回收醋酸得到预处理物料，再加入纤维素酶进行酶水解得到葡萄糖。采用本方法能够降解天然木质纤维原料中75％以上的半纤维素及少部分木质素，显著破除半纤维素及木质素对纤维素酶催化水解的化学阻碍作用，进而将纤维素酶水解得率提高至85％以上。与现有预处理方法相比，可显著降低反应温度和热能消耗及抵制物生成量；更为重要的是醋酸比无机酸具有更加安全、温和的优势，对生产设备耐腐蚀性能要求更低，并且采用常规的减压蒸发即可以实现完全回收醋酸，因而该方法更加清洁、安全和经济。
Description
一、技术领域
本发明涉及生物质的高效转化与利用领域，特别涉及一种清洁和安全的木质纤维原料预处理方法。
二、背景技术
我国拥有丰富的秸秆等农林废弃物，目前绝大部分被直接焚烧，不仅浪费了宝贵的生物质资源，而且造成了严重的环境污染。利用这些廉价的木质纤维素资源生产可发酵糖，进而转化成人类所需的生物基化学品、生物能源及生物基材料，是生物质转化和发展生物经济的重要内容，对于社会经济的可持续性发展具有重要的战略意义。
木质纤维原料富含纤维素、半纤维素和木质素组分，这3种组分以物理或化学结合的方式形成结构紧密的超分子化合物，具有较强的抗水解能力。为了提高木质纤维原料的糖化率，需要对天然木质纤维素进行预处理。目前，运用的预处理方法主要有物理法、物理化学法、化学法及生物法。其中，物理法主要通过机械粉碎、辐射等方式降低纤维素结晶度，增加木质纤维素的表面积，能源消耗高且纤维素糖化率低，工业适应性差。物理化学法主要包括水热法和蒸汽爆破法，通过溶解去除大部分的半纤维素促进酶水解过程，水热法无需添加化学品、废水处理容易，但预处理强度低，纤维素糖化率较低；蒸汽爆破法过程简单，但酸性蒸汽爆破设备要求高。常见的化学法有酸、碱预处理法，酸预处理一般采用普通的强无机酸，会产生大量的抑制物，且腐蚀性强，对设备要求高；碱预处理法可以有效溶解半纤维素和木质素，但废水处理难度大。生物法是利用微生物脱除木质素，该方法无污染、处理条件温和，但处理周期长且预处理后纤维素糖化率低。因此迫切需要开发出高效、低耗、清洁和安全的新型预处理方法。
三、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清洁、安全、经济与高效的木质纤维原料预处理方法，采用可回收的醋酸进行预处理，以提高木质纤维原料的糖化率。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种清洁和安全的木质纤维原料预处理方法，包括以下步骤：
(1)以天然木质纤维素为原料，粉碎后利用10％～20％的醋酸(质量浓度)在120～150℃条件下预处理10～60min以有效水解和溶出半纤维素；
(2)采用减压蒸发回收醋酸得到预处理物料，进行组成成分和物料得率分析；
(3)将上述预处理物料与纤维素酶混合，加入水、pH缓冲液，混合至底物浓度5％～20％，pH控制在4.0～6.0，纤维素酶用量控制在10～40FPIU/g纤维素，在45～55℃、100～200r/min条件下酶水解48～72h得到葡萄糖。
步骤(1)中，所述的木质纤维原料为玉米芯、玉米秸秆和小麦秸秆等中的任何一种或其组合。
所述的醋酸浓度为10％～20％(质量浓度)，反应温度120～150℃，反应时间10～60min。
所述的醋酸回收方法为减压蒸发。
所述的酶解条件为：酶水解底物浓度5％～20％，pH值4.0～6.0，酶用量10～40FPIU/g纤维素，酶水解温度45～55℃，转速100～200r/min，酶水解时间48～72h。
有益效果：与现有木质纤维原料稀酸蒸煮、蒸汽爆破、稀酸蒸汽爆破等预处理方法相比，采用可回收的醋酸进行预处理能够降解天然木质纤维原料中75％以上的半纤维素及少部分木质素，显著破除半纤维素及木质素对纤维素酶催化水解的化学阻碍作用，进而将纤维素酶水解得率提高至85％以上。该方法还可显著降低反应温度和热能消耗，抵制物生成量更少；更为重要的是醋酸比硫酸和盐酸具有更加安全、温和的优势，对生产设备耐腐蚀性能要求更低，生产操控更方便，并且采用常规的减压蒸发即可以实现完全回收醋酸，因而该方法更加清洁、安全和经济。
四、具体实施方式
实施案例1
在15L机械搅拌式不锈钢高压反应罐中，加入10L含有1kg玉米芯和10％醋酸(质量浓度)的反应物，密封，控制搅拌转速150r/min，在140℃条件下处理60min。采用减压蒸发回收醋酸得到预处理物料。对预处理后的玉米芯进行组成成分和物料得率分析，结果表明，半纤维素的脱除率为81％，木质素的脱除率为12％。将上述预处理物料与纤维素酶混合，加入水、pH缓冲液，混合至底物浓度10％，pH控制在4.8，纤维素酶用量25FPIU/g纤维素，在50℃、150r/min条件下酶解48h，酶水解得率为89％。
实施案例2
在15L机械搅拌式不锈钢高压反应罐中，加入5L含有1kg玉米秸秆和20％醋酸(质量浓度)的反应物，密封，控制搅拌转速150r/min，在150℃条件下处理30min。采用减压蒸发回收醋酸得到预处理物料。对预处理后的玉米秸秆进行组成成分和物料得率分析，结果表明，半纤维素的脱除率为76％，木质素的脱除率为10％。将上述预处理物料与纤维素酶混合，加入水、pH缓冲液，混合至底物浓度10％，pH控制在4.8，纤维素酶用量25FPIU/g纤维素，在50℃、150r/min条件下酶解48h，酶水解得率为85％。
Claims (2)
1.一种清洁和安全的木质纤维原料预处理和纤维素酶水解方法，其特征在于，包括以下步骤：
在15L机械搅拌式不锈钢高压反应罐中，加入10L含有1kg玉米芯和质量浓度为10％醋酸的反应物，密封，控制搅拌转速150r/min，在140℃条件下处理60min；采用减压蒸发回收醋酸得到预处理物料；对预处理后的玉米芯进行组成成分和物料得率分析，结果表明，半纤维素的脱除率为81％，木质素的脱除率为12％；将上述预处理物料与纤维素酶混合，加入水、pH缓冲液，混合至底物浓度10％，pH控制在4.8，纤维素酶用量25FPIU/g纤维素，在50℃、150r/min条件下酶解48h，酶水解得率为89％。
2.一种清洁和安全的木质纤维原料预处理和纤维素酶水解方法，其特征在于，包括以下步骤：
在15L机械搅拌式不锈钢高压反应罐中，加入5L含有1kg玉米秸秆和质量浓度为20％醋酸的反应物，密封，控制搅拌转速150r/min，在150℃条件下处理30min；采用减压蒸发回收醋酸得到预处理物料；对预处理后的玉米秸秆进行组成成分和物料得率分析，结果表明，半纤维素的脱除率为76％，木质素的脱除率为10％；将上述预处理物料与纤维素酶混合，加入水、pH缓冲液，混合至底物浓度10％，pH控制在4.8，纤维素酶用量25FPIU/g纤维素， 在50℃、150r/min条件下酶解48h，酶水解得率为85％。
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