CN109423503A - 含木薯渣的原料的预处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物工程领域，公开了一种含木薯渣的原料的预处理方法，该预处理方法包括：在酸剂的存在下，将含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理。采用本发明的预处理方法可以使原料中纤维素内的有序结构发生变化，使含木薯渣的原料更容易被酶解，从而实现对含木薯渣的原料的回收再利用。

Description

含木薯渣的原料的预处理方法
技术领域
本发明涉及生物工程领域，具体地，涉及一种含木薯渣的原料的预处理方法。
背景技术
大力发展生物燃料，实现对化石燃料的逐步替代是社会经济发展的趋势。以乙醇为代表的生物质液体燃料作为洁净和可再生的零碳交通燃料，是目前最可行、可以大量使用的运输燃料，更是减少化石燃油消耗和温室气体排放最经济的方法之一。为了国家实现《可再生能源中长期发展规划》提出的生物燃料发展目标，生物质液体燃料的生物制造不需要消耗粮食资源，也不占用耕地，任何纤维素类的农林废弃物都可以作为原料，完全是一项环境友好的、可持续发展的技术。
木薯作为采用非粮原料，具有较广的分布、相对便宜、高产值、淀粉含量高等优点，被用于生物乙醇的生产。2012年我国木薯燃料乙醇产量已近20万吨，预计未来3-5年内，我国木薯燃料乙醇产量将超过50万吨/年，含有木薯渣的废醪液产量近300万吨，其绿色化处理面临挑战。木薯渣中含有纤维素、半纤维素、木质素、蛋白和残淀粉等多种组分，其复杂的结构能够有效地抵抗外部降解。因此，选择合理的预处理方法打开木薯渣中木质纤维素结构并促进纤维素的酶解是急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种含木薯渣的原料的预处理方法，采用本发明的预处理方法能够使含木薯渣的原料更容易被酶解，从而实现对含木薯渣的原料的回收再利用。
为了实现上述目的，本发明提供了一种含木薯渣的原料的预处理方法，其中，该预处理方法包括：在酸剂的存在下，将含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理。
由于木薯渣的组分复杂，其复杂的结构能够有效地抵抗外部降解，目前尚没有很好地对其进行处理的方法，以实现对其回收利用。本发明的发明人通过大量的研究发现，在酸剂的存在下对含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理，特别是在特定的酸剂(如浓度为0.1-70重量％的稀硫酸)及用量(0.1-10重量％)的情况下，以特定的温度(100-225℃)、压力(0.1-2.5MPa)和处理时间(0.5-30min)对含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理，可以使纤维素内的有序结构发生变化，有利于纤维素酶对其进行酶解，以提高纤维素的回收利用率。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种含木薯渣的原料的预处理方法，其中，该预处理方法包括：在酸剂的存在下，将含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理。
在本发明中，对所述含木薯渣的原料的来源没有特别的限定，例如，可以是生产淀粉或乙醇后产生的含有木薯渣的废料，在优选的情况下，本发明所述的含木薯渣的原料来自于生产乙醇后产生的废料。
根据本发明，以干基计，所述含木薯渣的原料含有以下组分：8-30重量％的纤维素、1-20重量％的半纤维素、20-35重量％的木质素、5-15重量％的蛋白、2-20重量％的淀粉和10-15重量％的灰分。
在本发明中，所述含木薯渣的原料中各组分的含量采用HPLC法进行测定。
在优选的情况下，以干基计，所述含木薯渣的原料含有以下组分：12-20重量％的纤维素、2-12重量％的半纤维素、25-34重量％的木质素、6-12重量％的蛋白、5-18重量％的淀粉和11-15重量％的灰分。
根据本发明，所述含木薯渣的原料还含有水，本发明对所述含木薯渣的原料的含水量没有特别的限定，可以通过常规的手段对含水量进行控制。在优选的情况下，所述含木薯渣的原料中干基的含量为25-60重量％，更优选为30-50重量％，进一步优选为35-45重量％。另外，本发明对所述含木薯渣的原料中干基的含量(或含水量)的控制方法没有特别的限定，只要能够将含木薯渣的原料的干基(或水)的含量控制在预期的范围内即可，例如，可以通过干燥、挤压、过滤等方式，优选地，所述含木薯渣的原料中干基的含量通过挤压脱水处理的方式进行控制。
在本发明中，所述含木薯渣的原料中干基的含量可以通过各种方式测得。除非特殊说明，本发明所述含木薯渣的原料中干基的含量均是指含木薯渣的原料在70-100℃下烘干至恒重的木薯渣的干计重量W2，与含木薯渣的原料的初始重量W1的重量百分比，即干基的含量(重量％)＝W2/W1×100％。
根据本发明，为了获得更好的预处理效果，所述木薯渣的粒径优选为0.05-10mm，更优选为0.1-2mm。其中，控制所述木薯渣的粒径的方法可以采用本领域技术人员公知的各种方法，例如，可以采用粉碎的方式。
根据本发明，对所述酸剂的选择没有特别的限定，只要能够提供酸性环境即可，例如，所述酸剂可以为硫酸、草酸、柠檬酸、磷酸、盐酸和亚硫酸中的至少一种，优选为硫酸和/或草酸。
在本发明中，所述酸剂的浓度优选为0.1-70重量％，更优选为5-50重量％，进一步优选为8-20重量％。
在优选的情况下，相对于100重量份的以干基计的所述含木薯渣的原料，所述酸剂的用量为0.1-10重量份，更优选为0.2-5重量份，进一步优选为0.3-2重量份。
根据本发明，所述蒸汽爆破处理的压力优选为0.1-2.5MPa，更优选为0.5-2MPa，进一步优选为0.6-1.5MPa。本发明中的压力指的是绝压。
根据本发明，所述蒸汽爆破处理的温度优选为100-225℃，更优选为152-213℃，进一步优选为159-200℃。
根据本发明，所述蒸汽爆破处理的时间优选为0.5-30min，更优选为3-20min，进一步优选为5-15min。
在本发明中，所述预处理后的物料还可以进行酶解。优选地，所述酶解过程中使用的酶可以为纤维素酶、木聚糖酶、半乳糖苷酶、甘露糖苷酶、阿拉伯糖苷酶和纤维二糖酶中的至少一种，更优选为纤维素酶。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述酶的用量为7.5％(g/g纤维素)；所述酶解的条件包括：pH 5.0，50℃恒温，100rpm，时间72h。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例和对比例中，含木薯渣的原料中各组分的含量采用HPLC方法进行测定，具体条件为：
Biorad Aminex分析柱HPX-87H
进样体积：20μL
流动相：0.005M硫酸，经过0.2μm过滤膜过滤并脱气
流速：0.6mL/min
柱温：55-65℃
检测器温度：尽量接近柱温
检测器：折光率检测器
运行时间：50min。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
(1)预处理
将含木薯渣的原料(来自于中粮生物化学(安徽)股份有限公司生产乙醇产生的废料；以干基计，含有以下组分：20重量％的纤维素、5重量％的半纤维素、32重量％的木质素、13重量％的灰分、18重量％的淀粉和12重量％的蛋白；粒径为1mm；其中干基的含量为40重量％)，按照表1中实施例1所示的条件在稀硫酸(浓度为10重量％)的存在下进行蒸汽爆破处理，获得预处理物料。
经HPLC法分析，以干基计，在得到的预处理物料中纤维素的含量为17.07重量％，酸溶木质素的含量为0.65重量％，酸不溶木质素的含量为22.01重量％。
(2)酶解
将由步骤(1)得到的预处理物料用去离子水配制成干基含量为10重量％的酶解底物20g，然后按照7.5％(g/g纤维素)的加酶量加入纤维素酶(诺维信Ctec3)进行酶解，酶解的条件：pH 5.0，50℃恒温，100rpm，时间72h，得到酶解液。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(1)中蒸汽爆破的条件如表1中实施例2所示。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(1)中蒸汽爆破的条件如表1中实施例3所示。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(1)中蒸汽爆破的条件如表1中实施例4所示。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(1)中蒸汽爆破的条件如表1中实施例5所示。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，在步骤(1)中使用相同重量的草酸(浓度为10重量％)代替实施例1中使用的稀硫酸。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例7
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，在步骤(1)中，将含木薯渣的原料经挤压脱水处理后，其中干基的含量为20重量％，然后进行蒸汽爆破处理。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例8
本实施例用于说明本发明提供的含木薯渣的原料的预处理方法。
按照实施例1的方法进行，不同的是，在步骤(1)中，将含木薯渣的原料经挤压脱水处理后，其中干基的含量为70重量％，然后进行蒸汽爆破处理。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
实施例9
按照实施例1的方法进行，不同的是，含木薯渣的原料来自于广西中粮生物质能源有限公司生产乙醇产生的废料，以干基计，含有以下组分：18.4重量％的纤维素、5.6重量％的半纤维素、34重量％的木质素、15重量％的灰分、16重量％的淀粉和11重量％的蛋白，粒径为1.5mm。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
对比例1
按照实施例1的方法进行，不同的是，含木薯渣的原料不经过实施例1中的步骤(1)预处理过程。
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
对比例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，预处理方法为高温处理(常压(0.1MPa)，188℃，10min)；
使用HPLC分析酶解液中葡萄糖含量(g/L)、木糖含量(g/L)和阿拉伯糖含量(g/L)，结果如表1所示。
表1
注：“-”表示未使用或不涉及。
通过以上实施例1-9和对比例1-2的结果可以看出，对于含木薯渣的原料，本发明采用特定方法(稀酸蒸汽爆破处理)对其进行预处理后，能够获得糖含量较高的酶解液，提高纤维素的回收利用率，从而更好地实现对木薯渣的回收利用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种含木薯渣的原料的预处理方法，其特征在于，该预处理方法包括：在酸剂的存在下，将含木薯渣的原料进行蒸汽爆破处理。
2.根据权利要求1所述的预处理方法，其中，以干基计，所述含木薯渣的原料含有以下组分：8-30重量％的纤维素、1-20重量％的半纤维素、20-35重量％的木质素、5-15重量％的蛋白、2-20重量％的淀粉和10-15重量％的灰分。
3.根据权利要求1或2所述的预处理方法，其中，所述含木薯渣的原料中干基的含量为25-60重量％，优选为30-50重量％，更优选为35-45重量％。
4.根据权利要求3所述的预处理方法，其中，所述含木薯渣的原料中干基的含量通过挤压脱水处理的方式进行控制。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的预处理方法，其中，所述木薯渣的粒径为0.05-10mm，优选为0.1-2mm。
6.根据权利要求1所述的预处理方法，其中，所述酸剂为硫酸、草酸、柠檬酸、磷酸、盐酸和亚硫酸中的至少一种，优选为硫酸和/或草酸。
7.根据权利要求1或6所述的预处理方法，其中，相对于100重量份的以干基计的所述含木薯渣的原料，所述酸剂的用量为0.1-10重量份，优选为0.2-5重量份，更优选为0.3-2重量份；
优选地，所述酸剂的浓度为0.1-70重量％，优选为5-50重量％，更优选为8-20重量％。
8.根据权利要求1所述的预处理方法，其中，所述蒸汽爆破处理的压力为0.1-2.5MPa，优选为0.5-2MPa，更优选为0.6-1.5MPa。
9.根据权利要求1或8所述的预处理方法，其中，所述蒸汽爆破处理的温度为100-225℃，优选为152-213℃，更优选为159-200℃。
10.根据权利要求1和8-9中任意一项所述的预处理方法，其中，所述蒸汽爆破处理的时间为0.5-30min，优选为3-20min，更优选为5-15min。
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