CN109280679A - 一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法。包括蔗渣原料的添加剂强化的金属盐预处理、酶解等步骤。将风干粉碎后的蔗渣原料与浓度为0.01～0.05 mol/L金属盐溶液混合，并加入100～200毫克/克底物的添加剂，在150～170℃下反应5～15min进行预处理，得到富含纤维素的预处理残渣，然后向残渣中加入纤维素酶进行酶解，提高酶解效率。本发明通过添加剂强化的金属盐预处理，提高酶解效率，降低生产成本，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质高效转化与利用的方法，尤其是涉及蔗渣原料经添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法。
背景技术
随着能源的短缺和环境等问题的不断突出，生物质作为可以转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。在地球上丰富的生物质资源中，以木质纤纤维类生物质制液体燃料最受人们关注。
木质纤维类生物质制液体燃料的方法是把该原料中的半纤维素、纤维素水解成木糖、葡萄糖等单糖，通过发酵生产乙醇，或通过催化合成燃油等液体燃料。但由于生物质原料中的纤维素与半纤维素和木素紧密连接在一起，结构稳定，不易被纤维素酶破坏，因此需要对其进行预处理。目前所使用的预处理方法有酸法预处理、碱法预处理、有机溶剂预处理及离子液体预处理。这些预处理通过降解部分半纤维素和/或木素，打破其所形成的网状结构，提高纤维素酶的可及度，进而提高酶解效率。这些预处理方法虽然能提高后续葡萄糖的收率，但通常需要较高的预处理温度、时间、以及化学品用量，因此寻找温和、高效的预处理方法刻不容缓。虽然不同的预处理方法能一定程度地提高后续酶解效率，但若获得较高的酶解效率通常需要较高的纤维素酶用量以及较长的酶解时间，增加了葡萄糖的生产成本，因此迫切需要寻求一种能够提高酶解效率并降低成本的葡萄糖生产方法。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法。本发明为一种高效、温和的预处理方法，通过在金属盐预处理段加入添加剂提高蔗渣等生物质原料的酶解效率，以获得高得率葡萄糖。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其中，包括以下步骤：
S1.将蔗渣原料与一定量的金属盐溶液的置于密闭反应器中，并加入100～200毫克/克底物的添加剂，在150～170℃下反应5～15min进行预处理，分离得到预处理液与预处理残渣；
S2.步骤S1所得的预处理残渣中加入乙酸-乙酸钠缓冲液、纤维素酶，进行酶解，灭活，并进行葡萄糖浓度的测定。
优选的，所述步骤S1中，所述蔗渣原料为从糖厂取得的甘蔗榨糖后所剩余的部分，经风干后粉碎得到。
优选的，所述步骤S1中，所述蔗渣原料与金属盐溶液的质量体积比为1:8～15。
优选的，所述步骤S1中，所述金属盐溶液浓度为0.01～0.05mol/L。
优选的，所述步骤S1中，所述分离为真空抽滤或离心。
优选的，所述步骤S2中，所述酶解反应时间为6～72小时，温度为45～55℃，转速为100～200转/分，缓冲液的pH为4.5～6.0，纤维素酶用量相对于预处理后残渣绝干质量为10～20FPU/克。
优选的，所述步骤S2中，所述酶解过程完成后需对其进行5～15min的灭活处理。
优选的，所述步骤S2中，进行葡萄糖浓度测定的测定方法为高效液相法。
优选的，所述步骤S1中，所述添加剂为吐温80。
优选的，所述步骤S1中，所述金属盐溶液为MgCl2水溶液、FeCl2水溶液、ZnCl2水溶液、CuCl2水溶液、AlCl3水溶液、CrCl3水溶液和FeCl3水溶液中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
本发明提供的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法是一种高效的预处理方法，化学药品用量较少。本发明在金属盐预处理过程中加入添加剂，对蔗渣原料进行脱木素预处理，去除了大部分木素和半纤维素，降低了木素和半纤维素对酶解效率的影响，提高了酶解的效率；酶解效率提高能够有效降低葡萄糖的生产成本。
附图说明
图1是预处理段吐温80的添加对葡萄糖收率增加的影响图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
所用蔗渣原料取自糖厂，经风干、搓丝、粉碎处理后其粒径<1毫米，其组分含量为纤维素41.2％，半纤维素22.8％，木素25.2％。
酶解液中葡萄糖含量用高效液相法分析，其得率的计算方法如下：
式中Y表示预酶解液中葡萄糖得率(克/100克原料)；C表示酶解液中葡萄糖浓度(g/L)；V表示酶解液体积(L)；M表示蔗渣原料中纤维素的质量(g)。
实施例1
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/L MgCl2水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为20.5％和31.4％。
实施例2
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/LFeCl2水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为21.6％和36.4％。
实施例3
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/LZnCl2水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为27.0％和46.8％。
实施例4
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/L CuCl2水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为49.8％和81.8％。
实施例5
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/LAlCl3水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为55.3％和87.7％。
实施例6
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/L CrCl3水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为56.5％和84.9％。
实施例7
称取50克绝干蔗渣原料置于装有热电偶的密闭反应器中，加入500毫升0.025mol/LFeCl3水溶液和7.5克吐温80，开启搅拌，加热使温度快速上升至160℃并开始计时，待反应时间达到10分钟，停止加热，并立即用冷凝水使反应降至室温，采用真空抽滤的方法分离出预处理残渣。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。酶解过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为47.1％和83.6％。
对比例1
对比例1与实施例1类似，其区别在于，本对比例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为18.4％和27.4％。
对比例2
对比例2与实施例2类似，其区别在于，本实施例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例2相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为20.2％和34.2％。
对比例3
对比例3与实施3类似，其区别在于，本实施例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例3相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为19.3％和35.2％。
对比例4
对比例4与实施例4类似，其区别在于，本实施例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例4相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为37.2％和67.3％。
对比例5
对比例5与实施例5类似，其区别在于，本实施例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例5相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为38.9％和71.8％。
对比例6
对比例6与实施例6类似，其区别在于，本实施例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例6相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为41.8％和67.7％。
对比例7
对比例7与实施例7类似，其区别在于，本实施例未在预处理中添加吐温80。其他原料用量及操作步骤与实施例7相同。酶解进行6小时和72小时后取出1mL样品并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算所得葡萄糖得率分别为32.1％和62.0％。
通过实施例与对应对比例的对比可以知道，在其他条件相同的情况下，预处理段吐温80的加入能够极大的提高酶解段葡萄糖的得率。吐温80的加入对不同种类金属盐预处理后样品在酶解6小时以及72小时后葡萄糖增长率的影响如图1所示，在酶解6小时后，葡萄糖的增长率在7-46％之间，FeCl3预处理后样品的增长效率最明显。当酶解时间增至72小时，吐温80的加入仍能增加其葡萄糖收率，但其增长效率明显降低，但对AlCl3预处理后的样品增长率仍能达到22％，此时葡萄糖收率达到最大，为87.7％。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将蔗渣原料与一定量的金属盐溶液的置于密闭反应器中，并加入100～200毫克/克底物的添加剂，在150～170℃下反应5～15min进行预处理，分离得到预处理液与预处理残渣；
S2.步骤S1所得的预处理残渣中加入乙酸-乙酸钠缓冲液、纤维素酶，进行酶解，灭活，并进行葡萄糖浓度的测定。
2.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述蔗渣原料为从糖厂取得的甘蔗榨糖后所剩余的部分，经风干后粉碎得到。
3.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述蔗渣原料与金属盐溶液的质量体积比为1:8～15。
4.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述金属盐溶液浓度为0.01～0.05mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述分离为真空抽滤或离心。
6.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述酶解反应时间为6～72小时，温度为45～55℃，转速为100～200转/分，缓冲液的pH为4.5～6.0，纤维素酶用量相对于预处理后残渣绝干质量为10～20FPU/克。
7.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述酶解过程完成后需对其进行5～15min的灭活处理。
8.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行葡萄糖浓度测定的测定方法为高效液相法。
9.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述添加剂为吐温80。
10.根据权利要求1所述的一种通过添加剂强化的金属盐预处理提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述金属盐溶液为MgCl2水溶液、FeCl2水溶液、ZnCl2水溶液、CuCl2水溶液、AlCl3水溶液、CrCl3水溶液和FeCl3水溶液中的任意一种。
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