CN106318996A - 一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质材料处理技术领域，公开了一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法。所述预处理方法为：将脱蜡处理的阔叶木原料加入到NaOH水溶液中，然后加入H2O2混合均匀得到混合物料，再将混合物料进行水浴振动加热处理、洗涤和超声处理，最后将超声处理后的物料进行离心脱水，得到预处理物料。本发明采用超声化学法预处理，能够大量脱除细胞壁中木质素，打破植物细胞壁的致密结构，提高纤维素的可及度，能够在很大程度上提高原料的酶解糖化效率。
Description
技术领域
本发明属于生物质材料处理技术领域，具体涉及一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法。
背景技术
随着化学工业的快速发展，能源需求量的增长与不可再生石化资源的短缺之间的矛盾日益突出，利用可再生资源生产新能源已成为科技工作者研究的热点。相对于传统的谷物燃料，木质纤维素燃料具备“不与人争粮、不与粮争地”的优势被认为是最具发展前景的可持续能源之一。
由于植物细胞壁具有复杂的化学结构及顽抗的抗降解性，增加了木质纤维素转化为能源产品过程中的难度，因此对植物纤维原料进行预处理是提高其高效利用的必要途径。预处理的目的是疏松或破坏纤维素的致密结构以及木质素和半纤维素对纤维素的包裹，使纤维素、半纤维素和木素相对容易分离，从而提高水解剂对纤维素的可及度和催化效率，使碳水化合物易于转变成可发酵性糖，从而用来生产燃料乙醇。在植物纤维原料转变为可发酵性糖的过程中，预处理过程一直被认为是成本耗费最高的一个步骤。在木质纤维原料中，阔叶木原料(如杨木)具有生长周期短、木素含量低、产量高等优点。因此，有必要研究开发一种能够提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理工艺，以达到降低预处理成本和提高预处理效率的目的。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，包括如下步骤：
(1)将脱蜡处理的阔叶木原料加入到NaOH水溶液中，然后加入H2O2混合均匀；
(2)对步骤(1)所得物料进行水浴振动加热处理；
(3)洗涤步骤(2)所得物料；
(4)对步骤(3)所得物料进行超声处理；
(5)将步骤(4)超声处理后的物料进行离心脱水，得到预处理物料。
优选地，所述的阔叶木原料是指杨木。
优选地，步骤(1)中所述脱蜡处理的步骤如下：将阔叶木原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％(v/v)的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃、时间为5-6h，抽提后的物料在45～55℃下烘干，得到脱蜡处理后的物料。
优选地，步骤(1)中所述阔叶木原料与NaOH水溶液质量比为1:(10～30)，所述NaOH水溶液的质量分数为1％～2％；所述H2O2加入的质量分数为1％～2％。
优选地，步骤(2)中所述水浴振动加热处理的条件为：温度为70-90℃、时间为30-50min，振动转速为150～200rpm/min。
优选地，步骤(3)中所述洗涤是指洗涤至物料的pH在6.5～7.5之间。
优选地，步骤(4)中所述超声处理的条件为：超声处理温度为30-50℃、时间为4～8min、功率为360W。
优选地，步骤(5)中所述离心转速为3800～5000rpm/min。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)常规的化学法预处理方法需要较高的温度和较长的处理时间，而本发明采用超声化学法预处理，能够大量脱除细胞壁中木质素，打破植物细胞壁的致密结构，提高纤维素的可及度，能够在很大程度上提高原料的酶解糖化效率；
(2)本发明运用超声化学法对阔叶木原料进行预处理，显显降低了预处理的温度和时间，节约了预处理的能源消耗；
(3)本发明为生产纤维素乙醇提供了一种有效的预处理工艺方法，提高了阔叶木原料的利用价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将杨木粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后的物料在50℃下烘干；
(2)将步骤(1)中所得物料与质量分数为1％的NaOH溶液在反应釜中按照质量比1:10的比例混合，并向该混合液中加入H2O2；所述的H2O2用量为混合液质量分数的1％；
(3)对步骤(2)的反应釜在水浴振动器中进行加热，温度为70℃、时间为30min，振动器的转速为150rpm/min；
(4)对步骤(3)所得物料进行洗涤，直到物料的pH在6.5～7.5之间；
(5)对步骤(4)所得物料进行超声处理，温度为40℃、时间为5min、功率为360W；
(6)对步骤(5)所得物料进行离心脱水；离心转速为3800rpm/min，对物料通过离心机进行固液分离，得到预处理后的杨木物料。
将本实施例所得预处理后的杨木物料进行纤维素酶水解，温度为50℃，时间为60h，酶活为20FPU/g(基质)；经酶解后的最终葡萄糖浓度为8.76g/L，是未经预处理物料酶解后的7.2倍。
实施例2
(1)将杨木粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后的物料在50℃下烘干；
(2)将步骤(1)中所得物料与质量分数为1％的NaOH溶液在反应釜中按照质量比1:20的比例混合，并向该混合液中加入H2O2；所述的H2O2用量为混合液质量分数的1％；
(3)对步骤(2)的反应釜在水浴振动器中进行加热，温度为70℃、时间为30min，振动器的转速为150rpm/min；
(4)对步骤(3)所得物料进行洗涤，直到物料的pH在6.5～7.5之间；
(5)对步骤(4)所得物料进行超声处理，温度为40℃、时间为5min、功率为360W；
(6)对步骤(5)所得物料进行离心脱水；离心转速为3800rpm/min，对物料通过离心机进行固液分离，得到预处理后的杨木物料。
将本实施例所得预处理后的杨木物料进行纤维素酶水解，温度为50℃，时间为60h，酶活为20FPU/g(基质)；经酶解后的最终葡萄糖浓度为10.01g/L，是未经预处理物料酶解后的8.3倍。
实施例3
(1)将杨木粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后的物料在50℃下烘干；
(2)将步骤(1)中所得物料与质量分数为2％的NaOH溶液在反应釜中按照质量比1:20的比例混合，并向该混合液中加入H2O2；所述的H2O2用量为混合液质量分数的2％；
(3)对步骤(2)的反应釜在水浴振动器中进行加热，温度为70℃、时间为30min，振动器的转速为150rpm/min；
(4)对步骤(3)所得物料进行洗涤，直到物料的pH在6.5～7.5之间；
(5)对步骤(4)所得物料进行超声处理，温度为40℃、时间为5min、功率为360W；
(6)对步骤(5)所得物料进行离心脱水；离心转速为3800rpm/min，对物料通过离心机进行固液分离，得到预处理后的杨木物料。
将本实施例所得预处理后的杨木物料进行纤维素酶水解，温度为50℃，时间为60h，酶活为20FPU/g(基质)；经酶解后的最终葡萄糖浓度为13.65g/L，是未经预处理物料酶解后的11.3倍。
实施例4
(1)将杨木粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后的物料在50℃下烘干；
(2)将步骤(1)中所得物料与质量分数为2％的NaOH溶液在反应釜中按照质量比1:20的比例混合，并向该混合液中加入H2O2；所述的H2O2用量为混合液质量分数的2％；
(3)对步骤(2)的反应釜在水浴振动器中进行加热，温度为70℃、时间为30min，振动器的转速为150rpm/min；
(4)对步骤(3)所得物料进行洗涤，直到物料的pH在6.5～7.5之间；
(5)对步骤(4)所得物料进行超声处理，温度为45℃、时间为7min、功率为360W；
(6)对步骤(5)所得物料进行离心脱水；离心转速为3800rpm/min，对物料通过离心机进行固液分离，得到预处理后的杨木物料。
将本实施例所得预处理后的杨木物料进行纤维素酶水解，温度为50℃，时间为60h，酶活为20FPU/g(基质)；经酶解后的最终葡萄糖浓度为14.15g/L，是未经预处理物料酶解后的11.7倍。
实施例5
(1)将杨木粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃，时间为5h，抽提后的物料在50℃下烘干；
(2)将步骤(1)中所得物料与质量分数为2％的NaOH溶液在反应釜中按照质量比1:20的比例混合，并向该混合液中加入H2O2；所述的H2O2用量为混合液质量分数的2％；
(3)对步骤(2)的反应釜在水浴振动器中进行加热，温度为70℃、时间为30min，振动器的转速为150rpm/min；
(4)对步骤(3)所得物料进行洗涤，直到物料的pH在6.5～7.5之间；
(5)对步骤(4)所得物料进行超声处理，温度为45℃、时间为4min、功率为360W；
(6)对步骤(5)所得物料进行离心脱水；离心转速为3800rpm/min，对物料通过离心机进行固液分离，得到预处理后的杨木物料。
将本实施例所得预处理后的杨木物料进行纤维素酶水解，温度为50℃，时间为60h，酶活为20FPU/g(基质)；经酶解后的最终葡萄糖浓度为10.96g/L，是未经预处理物料酶解后的9.1倍。
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，其它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 (8)
1.一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将脱蜡处理的阔叶木原料加入到NaOH水溶液中，然后加入H2O2混合均匀；
(2)对步骤(1)所得物料进行水浴振动加热处理；
(3)洗涤步骤(2)所得物料；
(4)对步骤(3)所得物料进行超声处理；
(5)将步骤(4)超声处理后的物料进行离心脱水，得到预处理物料。
2.根据权利要求1所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于：所述的阔叶木原料是指杨木。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于步骤(1)中所述脱蜡处理的步骤如下：将阔叶木原料粉碎成40-60目的物料，将甲苯和95％的乙醇按照体积比2:1的比例混合成苯醇抽提液，用该溶液抽提粉碎后的物料，抽提温度为80℃、时间为5-6h，抽提后的物料在45～55℃下烘干，得到脱蜡处理后的物料。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于：步骤(1)中所述阔叶木原料与NaOH水溶液质量比为1:(10～30)，所述NaOH水溶液的质量分数为1％～2％；所述H2O2加入的质量分数为1％～2％。
5.根据权利要求1或2所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于步骤(2)中所述水浴振动加热处理的条件为：温度为70-90℃、时间为30-50min，振动转速为150～200rpm/min。
6.根据权利要求1或2所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于：步骤(3)中所述洗涤是指洗涤至物料的pH在6.5～7.5之间。
7.根据权利要求1或2所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于步骤(4)中所述超声处理的条件为：超声处理温度为30-50℃、时间为4～8min、功率为360W。
8.根据权利要求1或2所述的一种提高阔叶木原料纤维素酶解糖化率的预处理方法，其特征在于：步骤(5)中所述离心转速为3800～5000rpm/min。
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2016
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