CN109337947A - 一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法 - Google Patents

一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法。包括蔗渣原料的碱性过氧化氢预处理、酶解等步骤。将风干粉碎后的蔗渣原料与过氧化氢用量为0～6.25wt%碱性过氧化氢溶液混合，在40～180℃下反应0.5～5h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和添加剂并进行酶解，提高酶解效率。本发明通过碱性过氧化氢预处理和在酶解段加入添加剂，提高酶解效率并缩短酶解时间，节约成本，具有良好的应用前景。

Description

一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的 方法
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碱性过氧化氢预处理和添加剂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，提供一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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，通过此预处理方法提高蔗渣等生物质原料制备葡萄糖的转化率。通过酶解段添加剂的添加提高酶解效率的同时缩短酶解时间，以降低葡萄糖的生产成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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0～6.25wt％碱性过氧化氢溶液置于密闭反应器中，在40～180℃下反应0.5～5h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、纤维素酶以及添加剂，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，所述蔗渣原料与碱性过氧化氢溶液的质量体积比为1:8～15。
优选的，所述步骤S1中，所述碱性过氧化氢溶液中碱用量为1～5wt％。
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，纤维素酶和添加剂的用量相对于预处理后残渣绝干质量分别为10～20FPU/克和100～200毫克/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S2中，所述添加剂为吐温80。
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碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法是一种温和的预处理方法，化学药品用量较少。本发明首先采用碱性过氧化氢对蔗渣原料进行脱木素预处理，去除了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，初步提高了酶解的效率。另外，本发明提供的方法还在酶解过程中加入了添加剂，添加剂的加入极大的缩短了酶解时间，进一步的提高了酶解效率；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是半纤维素/木素的脱除对酶解段葡萄糖收率的影响图。
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三角瓶中，加入500毫升蒸馏水和1.5克NaOH，置于恒温摇床上，转速设定为150转/分，加热使温度快速上升至60℃并开始计时，待反应时间达到4小时，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。对预处理残渣分析可知，半纤维素和木素的脱除率分别达25.5％和11.9％，其对酶解段中葡萄糖收率的影响如图1所示。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)、0.75克吐温80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24小时后取出1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，计算得率为27.9％。在酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为30.8％。
实施例2
称取50克绝干蔗渣原料置于三角瓶中，加入500毫升蒸馏水、10.4克30％H2O2溶液(相当于3.125克H2O2)和1.5克NaOH，置于恒温摇床上，转速为150转/分，加热使温度快速上升至60℃并开始计时，待反应时间达到4小时，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。对预处理残渣分析可知，半纤维素和木素的脱除率分别达36.2％和17.6％，其对酶解段中葡萄糖收率的影响如图1所示。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)、0.75克吐温80和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行24小时后取出1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度得率为36.8％。在酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为39.7％。
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毫升蒸馏水和1.5克NaOH，开启搅拌，加热使温度快速上升至120℃并开始计时，待反应时间达到2小时，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。对预处理残渣分析可知，半纤维素和木素的脱除率分别达30％和11％，其对酶解段中葡萄糖收率的影响如图1所示。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)、0.75克吐温80和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行24小时后取出1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度得率为42.6％。在酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为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毫升蒸馏水、10.4克30％H2O2溶液(相当于3.125克H2O2)和1.5克NaOH，开启搅拌，加热使温度快速上升至120℃并开始计时，待反应时间达到2小时，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。对预处理残渣分析可知，半纤维素和木素的脱除率分别达48.7％和26％，其对酶解段中葡萄糖收率的影响如图1所示。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)、0.75克吐温80和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行24小时后取出1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度得率为46.8％。在酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为50.9％。
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毫升蒸馏水和1.5克NaOH，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1小时，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。对预处理残渣分析可知，半纤维素和木素的脱除率分别达37.4％和16.3％，其对酶解段中葡萄糖收率的影响如图1所示。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)、0.75克吐温80和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行24小时后取出1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度得率为53.8％。在酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为59.8％。
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毫升蒸馏水、10.4克30％H2O2溶液(相当于3.125克H2O2)和1.5克NaOH，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1小时，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。对预处理残渣分析可知，半纤维素和木素的脱除率分别达84.7％和38.9％，其对酶解段中葡萄糖收率的影响如图1所示。
取5克(以绝干计)预处理残渣，加入100FPU的纤维素酶(赛力二代)、0.75克吐温80和250mL的pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液进行酶解。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行24小时后取出1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度得率为72.8％。在酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为77.6％。
对比例1
对比例1与实施例1类似，其区别在于，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72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为28.4％。
其他原料用量及操作步骤与实施例1相同。
实施例1与对比例1相比，在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能缩短酶解时间至24小时。酶解时间均为72小时时，加入吐温80与未加吐温80的酶解液中葡萄糖收率相比，增长率为8.4％。
对比例2
对比例2与实施例2类似，其区别在于，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72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为32.2％。
其他原料用量及操作步骤与实施例2相同。
实施例2与对比例2相比，在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能缩短酶解时间至24小时。酶解时间均为72小时时，加入吐温80与未加吐温80的酶解液中葡萄糖收率相比，增长率为23.3％。
对比例3
对比例3与实施例3类似，其区别在于，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。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为40.0％。
其他原料用量及操作步骤与实施例3相同。
实施例3与对比例3相比，在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能缩短酶解时间至24小时。酶解时间均为72小时时，加入吐温80与未加吐温80的酶解液中葡萄糖收率相比，增长率为17％。
对比例4
对比例4与实施例4类似，其区别在于，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。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为40.5％。
其他原料用量及操作步骤与实施例4相同。
实施例4与对比例4相比，在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能缩短酶解时间至24小时。酶解时间均为72小时时，加入吐温80与未加吐温80的酶解液中葡萄糖收率相比，增长率为25.7％。
对比例5
对比例5与实施例5类似，其区别在于，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。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为52.3％。
其他原料用量及操作步骤与实施例5相同。
实施例5与对比例5相比，在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能缩短酶解时间至24小时。酶解时间均为72小时时，加入吐温80与未加吐温80的酶解液中葡萄糖收率相比，增长率为14.3％。
对比例6
对比例6与实施例6类似，其区别在于，取5克(以绝干计)预处理残渣，并加入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。反应过程中控制温度为50℃，转速为150转/分。酶解进行72小时后取出并进行10min灭活处理，采用真空抽滤的方法分离酶解液与酶解残渣，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为70.2％。
其他原料用量及操作步骤与实施例6相同。
实施例6与对比例6相比，在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能缩短酶解时间至24小时。酶解时间均为72小时时，加入吐温80与未加吐温80的酶解液中葡萄糖收率相比，增长率为10.5％。
通过对比例与相应的实施例的对比，可以得知在葡萄糖得率相当的情况下，酶解过程中吐温80的加入能极大的缩短酶解时间，酶解条件和酶解时间相同时，酶解过程中吐温80的加入能够极大的提高葡萄糖的得率，进而可知酶解过程中吐温80的加入能够极大提高酶解效率。
如图1所示，当以未经预处理的蔗渣为原料时，酶解段葡萄糖的得率为22.4％。随着碱性过氧化氢预处理条件的加剧，半纤维素和木素的脱除逐渐增加，葡萄糖的得率逐渐增加，且葡萄糖的得率分别与半纤维素和木素的脱除呈现线性相关，相关系数分别为0.8186和0.7494。在预处理温度为160℃，时间为1小时，6.25wt％H2O2和3wt％NaOH作用下，半纤维素和木素的脱除分别为84.7％和38.9％时，此时酶解段葡萄糖的收率达到最大，为70.2％。
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 (9)

1.一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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0～6.25wt％碱性过氧化氢溶液置于密闭反应器中，在40～180℃下反应0.5～5h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、纤维素酶以及添加剂，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所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述蔗渣原料与碱性过氧化氢溶液的质量体积比为1:8～15。
4.根据权利要求1所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述碱性过氧化氢溶液中碱用量为1～5wt％。
5.根据权利要求1所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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，纤维素酶和添加剂的用量相对于预处理后残渣绝干质量分别为10～20FPU/克和100～200毫克/克。
7.根据权利要求1所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂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所述的一种通过碱性过氧化氢预处理和添加剂提高蔗渣酶解效率的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述添加剂为吐温80。
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