CN109453747B

CN109453747B - 一种基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法

Info

Publication number: CN109453747B
Application number: CN201811426176.8A
Authority: CN
Inventors: 牟洪燕; 黄瑾; 樊慧明
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: CN109453747A

Abstract

本发明一种基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法。主要方法为将碱木质素与一定量的浓硫酸环境下分别与苯二酚或苯三酚低温反应一定时间，得到木质素酚类物质，并将此物质用于纤维素酶蛋白的吸附回收应用中。合成的木质素基酚类物质对牛血清蛋白和纤维素酶蛋白的吸附能力较高。吸附的纤维素酶仍具备良好的活性活性。通过改变pH能够达到酶脱附，且木质素基吸附剂的重复吸收效果好，能够实现循环利用和纤维素酶回收。该种吸附剂使用的木质素原料是造纸和生物质精炼企业的主要副产品，原料来源方便，成本低廉，合成方法简单，吸附效果好，具有环境友好和经济性的特点，应用前景大。

Description

一种基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法

技术领域

本发明涉及生物质资源综合利用领域，具体涉及一种基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法。

背景技术

以天然生物质原料生产生物乙醇被认为是替代和补充化石能源危机的解决途径之一。基于环保和能源问题的考虑，国内外都在积极推行生物乙醇作为交通燃油的应用。酶水解是关系生物乙醇经济性和生产得率的重要生产环节，主要是因为纤维素酶成本较高，如果能够进行回收，能够大大降低生物乙醇生产成本。木质素是生物质原料中仅次于纤维素的第二大天然生物高分子材料。作为主要的副产品，木质素主要来源于造纸和生物质精炼企业，一般被用于焚烧发电，高附加值利用较少，不仅污染环境，还造成资源浪费。在生物质精炼产业，酶水解是在生物乙醇生产过程中重要的技术环节，纤维素酶回收能够有效降低酶解成本是生物乙醇生产经济性的重要影响因素。木质素对蛋白质有一定的吸附能力，对此特性通过化学法进行改进，提高其对纤维素酶吸附容量的同时保持酶的活性，并且在一定条件下能够脱附下来，才能够用于纤维素酶回收，从而有效降低酶解效率成本，提高生物乙醇生产经济性。

为解决以上问题，通过化学法提高木质素的蛋白吸附容量，并能够简单的调节pH值能够使酶分离下来，然后能够重复用于酶吸附，既能够降低乙醇生产成本又能够避免资源浪费。

发明内容

本发明提供一种木质素酚类吸附剂的制备与应用，该种方法流程简单，以木质素为原料成本低，为纤维素酶回收提供了一条便捷的途径。

本发明技术方案如下。

一种基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，包括如下步骤：

（1）将间苯二酚或者联苯三酚在溶于丙酮中，充分溶解后，加入木质素，混合均匀；

（2）将混合溶液中的丙酮蒸发回收，得到充分混合的粉末；

（3）将得到的粉末与浓硫酸溶液反应50 min-70 min小时；

（4）反应完成后，在混合物中加入过量的蒸馏水，充分搅拌后过滤分离沉淀物和酸液；

（5）过滤得到的固体用蒸馏水冲洗直至滤液呈中性，固体物质进行冷冻干燥；

（6）干燥后的固体物质加入丙酮溶解，再滴入乙醚析出沉淀，旋转蒸发分离回收溶剂与沉淀物即为纯化后的木质素衍生物；

（7）将步骤（6）说得的木质素衍生物与纤维素酶进行吸附反应，吸附条件是pH4.5-5，45-55 ℃；

（8）调节pH值将吸附的纤维素酶与木质素酚脱附分离。

上述方法中，步骤（1）中，所述联苯三酚或间苯二酚的用量与木质素的质量比例为1:8-1:12。

上述方法中，步骤（3）中，所述硫酸溶液的质量百分比浓度为70%-75%，所述硫酸溶液中的硫酸与所述粉末的质量比为1:15-1:20，所述反应的温度为28-32℃。

上述方法中，步骤（4）中，蒸馏水用量为混合物的3-5倍，搅拌后过滤分离得到固体沉淀物。

上述方法中，步骤（5）中，分离后的固体沉淀物，不断用蒸馏水清洗至滤液pH值中性。

上述方法中，步骤（6）中，纯化时，木质素与丙酮的固液比为1:8-1:12（g/ml），固体物全部溶解后，再加入过量的乙醚直至沉淀全部析出，再用蒸馏水洗涤3次后干燥，即得到纯化合成物。

上述方法中，步骤（7）的具体方法为：

将木质素衍生物吸附剂放入含有纤维素酶的缓冲液中，吸附条件是pH 4.5-5，45-55 ℃，吸附2-24 h，6小时达到最大吸附饱和值，木质素二酚或木质素三酚的最大吸附容量为0.8288 mg/mg和 0.9114 mg/mg。

上述方法中，步骤（8）中，将吸附饱和后的混合物溶液，调节pH值至碱性约9-11，50℃解吸3 h，脱附率分别在57.3% 和30.2%以上。

上述方法中，脱附后的木质素吸附剂进行重吸附，吸附容量依然是初次吸附能力的70% 和30%。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

（1）木质素酚衍生物能够在6小时内达到对纤维素酶的最大吸附容量；

（2）吸附后的纤维素酶保持较大活性，可通过调节pH值脱附；

（3）木质素酚能够重复利用。

具体实施方式如下

本发明技术方案不局限于一下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间任意组合。

实施例1

1、将20g间苯二酚在圆底烧瓶中溶于适量的丙酮（间苯二酚与丙酮的质量比为1:1），充分溶解后并倒入2g桉碱木质素，混合均匀；

2、用旋转蒸发仪先除去丙酮，得到充分混合的粉末；

3、室温下向烧瓶中加入40g 72%浓硫酸溶液，立即搅拌，并反应60min；

4、反应结束后，把反应液倒入装有大量蒸馏水的烧杯中，搅拌后固体沉淀出来，进行过滤分离；

5、过滤得到的固体用大量蒸馏水过滤清洗，直到滤液呈中性；

6、将清洗后的固形物在低温40 ℃下干燥；

7、干燥后的产品进行纯化。首先将产品溶于丙酮，再滴入乙醚直至析出沉淀完全；

8、最后经过旋转蒸发后回收得到纯化后的木质素衍生物；

9、酶吸附反应是将木质素衍生物在pH 4.8的缓冲液中，固液比为2.5：1（g/L）， 50℃下，木质素与纤维素酶液（Celluclast, Novozyme）反应2-24 h；经过测试6小时达到最大吸附饱和值，木质素二酚最大吸附容量为0.8288 mg/mg；

10、吸附结束后进行解吸附反应，调节pH 10的缓冲液中，固液比保持2.5:1（g/L）；50 ℃下解吸3小时；脱附率在57.3%；

11、重吸附实验与步骤9反应条件一致，经过测试吸附容量依然是初次吸附能力的70%。

实施例2

1、将20g联苯三酚在圆底烧瓶中溶于适量的丙酮（间苯二酚与丙酮的质量比为1:2），充分溶解后并倒入2g桉碱木质素，混合均匀；

2、用旋转蒸发仪先除去丙酮，得到充分混合的粉末；

6、将清洗后的固形物在低温40 ℃下干燥；

8、最后经过旋转蒸发后回收得到纯化后的木质素衍生物；

9、酶吸附反应是将木质素衍生物在pH 4.8的缓冲液中，固液比为2.5：1（g/L）， 50℃下，木质素与纤维素酶液（Celluclast 1.5L, Novozyme）反应2-24 h；经过测试6小时达到最大吸附饱和值，木质素三酚最大吸附容量为0.9114 mg/mg；

10、吸附结束后进行解吸附反应，调节pH 10的缓冲液中，固液比保持2.5:1（g/L）；50 ℃下解吸3小时；脱附率在30.2%；

11、重吸附实验与步骤9反应条件一致，经过测试吸附容量依然是初次吸附能力的30%。

Claims

1.一种基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将间苯二酚或者联苯三酚在溶于丙酮中，充分溶解后，加入木质素，混合均匀；

(2)将混合溶液中的丙酮蒸发回收，得到充分混合的粉末；

(3)将得到的粉末与浓硫酸溶液反应50min-70min小时；

(4)反应完成后，在混合物中加入过量的蒸馏水，充分搅拌后过滤分离沉淀物和酸液；

(5)过滤得到的固体用蒸馏水冲洗直至滤液呈中性，固体物质进行冷冻干燥；

(6)干燥后的固体物质加入丙酮溶解，再滴入乙醚析出沉淀，旋转蒸发分离回收溶剂与沉淀物即为纯化后的木质素衍生物；

(7)将步骤(6)所得的木质素衍生物与纤维素酶进行吸附反应，吸附条件是pH 4.5-5，45-55℃；

(8)调节pH值将吸附的纤维素酶与木质素酚脱附分离；

步骤(1)中，所述联苯三酚或间苯二酚的用量与木质素的质量比例为1:8-1:12；

步骤(7)的具体方法为：

将木质素衍生物吸附剂放入含有纤维素酶的缓冲液中，吸附条件是pH 4.5-5，45-55℃，吸附2-24h，6小时达到最大吸附饱和值，木质素二酚或木质素三酚的最大吸附容量为0.8288mg/mg和0.9114mg/mg。

2.根据权利要求1所述基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述浓硫酸溶液的质量百分比浓度为70％-75％，所述浓硫酸溶液中的浓硫酸与所述粉末的质量比为1:15-1:20，所述反应的温度为28-32℃。

3.根据权利要求1所述基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，步骤(4)中，蒸馏水用量为混合物的3-5倍，搅拌后过滤分离得到固体沉淀物。

4.根据权利要求1所述基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，步骤(5)中，分离后的固体沉淀物，不断用蒸馏水清洗至滤液pH值中性。

5.根据权利要求1所述基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，步骤(6)中，纯化时，木质素与丙酮的固液比为1:8-1:12(g/ml)，固体物全部溶解后，再加入过量的乙醚直至沉淀全部析出，再用蒸馏水洗涤3次后干燥，即得到纯化后的木质素衍生物。

6.根据权利要求1所述基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，步骤(8)中，将吸附饱和后的混合物溶液，调节pH值至碱性9-11，50℃解吸3h，脱附率分别在57.3％和30.2％以上。

7.根据权利要求1所述基于木质素制备用于纤维素酶吸附剂的方法，其特征在于，脱附后的木质素吸附剂进行重吸附，吸附容量依然是初次吸附能力的70％和30％。