CN109988797B

CN109988797B - 一种农作物秸秆的低温高固液比碱尿溶液预处理及其酶解转化的方法

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Publication number: CN109988797B
Application number: CN201910315399.5A
Authority: CN
Inventors: 董丽丽; 曹广丽; 任南琪; 刘冰峰; 邢德峰; 武继文; 冯丽萍
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: CN109988797A

Abstract

一种农作物秸秆的低温高固液比碱尿溶液预处理及其酶解转化的方法，属于农作物秸秆酶解领域。本发明解决农作物秸秆酸、碱等预处理过程中很难做到较高的固液比的难题。本发明方法：一、将农作物秸秆烘干后粉碎，再过筛；二、将氢氧化钠/尿素(Urea)水溶液预冷至‑8℃～‑20℃；然后加入经步骤一处理的农作物秸秆，在‑8℃～‑20℃条件下利用机械搅拌器快速搅拌处理3min～48h，然后进行抽滤洗涤至中性，烘干，即完成预处理。酶解转化是通过下述步骤实现的：以上述预处理方法处理的农作物秸秆为底物，加入缓冲液，然后加入纤维素水解混合酶，进行酶解糖化反应。本发明显著增加酶解效率即还原糖得率。

Description

一种农作物秸秆的低温高固液比碱尿溶液预处理及其酶解转化的方法

技术领域

本发明涉及一种农作物秸秆的低温高固液比碱尿溶液预处理及其酶解转化的方法，属于农作物秸秆酶解领域。

背景技术

生物质能在整个能源系统中占有重要地位，它仅次于煤炭、石油和天然气。秸秆是一种丰富的农业废弃物、因其具有充足的供应和低廉的价格，若利用微生物技术及其他新技术生产生物气、燃料乙醇、生物柴油等新能源，既能降低一次能源的使用，同时又能优化能源结构的组成，还能使废弃物得到资源化利用，从清洁能源开发和废物利用的角度都具有极大的社会效益和经济效益。我国作为农业大国，农作物秸秆资源丰富，有效利用秸秆等生物质资源，将其转化为高附加值的生物燃料是秸秆能源化利用中的一项重要途径。然而，秸秆类生物质天然的玩抗性致使其很难高效的进行生物质能源的转化，因此在利用这类物质前，有效的预处理是必要的，但众多的预处理方式都在预处理效果、成本、可操作性、通用性以及规模化应用方面存在一定程度的缺点，这严重制约着秸秆类生物质的工业化广泛应用的进程。因此，降低预处理过程中的总体成本关重要。

近年来，低温碱尿体系对纤维素类物质的提升其酶解效率的效果逐渐引起广泛的关注。然而，就如同其他预处理方式一样，在对秸秆类生物质预处理过程中存在着预处理的负荷低，也就是说预处理过程的固液比较低，通常来说，常规的稀硫酸法、热碱预处理法、氨水预处理、石灰预处理、生物预处理等最高的固液比不超过20％，随着技术的发展，一些新型的预处理方式如热水预处理、蒸汽爆破法、离子液体等能有所提高预处理过程中的固液比，但目前研究显示最高的固液比也不超过70％。尽管在预处理过程中提高固液比的研究进程大大提高了秸秆类生物质利用的经济性，然而在预处理过程中仍然需要投入大量的药剂及水的使用，这无形中增加了预处理成本。而秸秆类生物质的预处理环节是制约其规模化应用的关键步骤。

现有秸秆类生物质预处理技术中预处理效果、成本、可操作性、通用性以及规模化应用方面都存在或多或少的缺点，尤其是预处理过程中很难做到较高的固液比，另外东北地区作为我国的农业大省，每逢秋收过后会集中产生大量的农作物秸秆，加之其季节特点，冬季较长，温度较低，这样的条件更加的阻碍了秸秆规模化应用。

发明内容

本发明目的是提供一种利用廉价可操作性及规模化应用的农作物秸秆的低温条件下高固液比预处理及其酶解的方法；以解决农作物秸秆常规预处理秆(酸、碱等预处理)过程中将固液比提升到很高的难题。

本发明方法解决了预处理过程中干物质负荷较低、对设备要求较高、预处理成本高、可操作性较差、通用性不强以等问题。

为解决上述技术问题，本发明中一种农作物秸秆的低温高固液比碱尿溶液预处理方法，其特征在于所述预处理方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将农作物秸秆烘干后粉碎，再过筛；

步骤二、将氢氧化钠/尿素(Urea)水溶液预冷至-8℃～-20℃；然后按(10～200):100

(w/v)加入经步骤一处理的农作物秸秆，在-8℃～-20℃条件下利用机械搅拌器快速搅拌处理3min～48h，然后进行抽滤洗涤至中性，烘干，即完成预处理；

其中，步骤二所述氢氧化钠/尿素(Urea)水溶液中，氢氧化钠的质量百分比浓度为1％～8％，尿素的质量百分比浓度为2％～14％。

进一步限定，步骤一所述农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆或者小麦秸秆。

进一步限定，步骤一中粉碎后过35～60目筛。

进一步限定，步骤二中所述氢氧化钠的质量百分比浓度为7％，所述尿素的质量百分比

浓度12％。

进一步限定，步骤二中氢氧化钠/尿素(Urea)水溶液预冷至-12℃；

进一步限定，步骤二中利用机械搅拌器快速搅拌处理3min；

进一步限定，步骤二中以300r/min～550r/min速度进行机械搅拌

进一步限定，步骤二中利用蒸馏水真空抽滤装置进行抽滤处理。

本发明中农作物秸秆的酶解转化是通过下述步骤实现的：

以上述预处理方法处理的农作物秸秆为底物，加入缓冲液，然后加入纤维素水解混合酶，酶解糖化反应。

进一步限定，缓冲液为柠檬酸钠和柠檬酸配置，pH值为6.0，按底物量为20g/L～30g/L加入缓冲液。

进一步限定，按照3～5FPU/g秸秆的添加量加入纤维素水解混合酶。

进一步限定，在45℃～60℃条件下酶解糖化反应48h～72h。

本发明的有益效果：

采用本发明的方法，增加酶解效率即还原糖得率。

本发明的方法简单，易操作，大大降低药剂及水的使用量。

本发明的方法尤其适合气候寒冷地区冬季对农作物秸秆进行资源化处理。

本发明方法处理后的秸秆可以长期存放后酶解效率变化不大。

本发明方法适合寒冷地区冬季大规模的预处理农业废弃物。

采用本发明方法低温高固液比预处理木质纤维素生物质(秸秆等)，提高木质纤维素生物质纤维素的富集，降低木质纤维素生物质木质素的含量，再利用酶将其其转化为糖，为高效地提高纤维素利用提供技术理论依据和新思路。

附图说明

图1是经过不同固液比在低温条件下进过氢氧化钠、尿素溶液预处理后进行酶水解的酶解糖化效率图；

图2是经过不同固液比在低温条件下进过氢氧化钠、尿素溶液预处理后进行酶水解的水解液中成分组成图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中一种木质纤维素生物质的低温高固液比预处理方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将水稻秸秆在60℃条件下烘干后粉碎，过40目筛；

步骤b、将7％NaOH-12％Urea水溶液预冷-12℃；然后分别按固液比10:100、20:100、50:100、100:100、130:100、160:100、180:100、200:100(w/v)的比例加入经步骤a处理的水稻秸秆，在-12℃条件下以350r/min的速度进行快速搅拌处理3min，利用蒸馏水真空抽滤装置进行抽滤处理，用水洗涤至中性，在60℃条件下烘干。

本实施方式中木质纤维素生物质酶解转化的方法是按下述步骤进行的：

以上述的低温预处理方法处理的木质纤维素生物质为底物，底物量为30g/L，pH6.0，加入缓冲液，高温蒸汽灭菌30min，然后按照3FPU/g秸秆的添加量加入诺维信公司提供的纤维素水解混合酶，在55℃条件下反应60h，测末端的还原糖含量及组成。

所述缓冲液每1L由14.07g的柠檬酸钠、2.5g的柠檬酸组成pH 6.0；

结果

预处理的固液比分别为10:100、20:100、50:100、100:100、130:100、160:100、180:100、200:100(w/v)，温度是-12℃，溶液为7％NaOH-12％Urea，预处理后的样品利用诺维信公司的纤维素水解混合酶进行酶解实验；酶解糖化效率如图1所示，酶水解的水解液中成分组成如图2所示。

结果得出，通过低温高固率预处理样品去固率小于28％在固液比为10％～100％，同时能够有效的去除木质素，保留纤维素和半纤维素，木质素去除率为56.87％to62.35％。然而随着固液比进一步提升，尽管去固率仅为13％左右，但是对木质素的去除效率大大降低。经过碱尿体系低温预处理后的样品酶解实验，在固液比为10％～100％获得的平均酶解效率为80.22％，相比未处理的样品48.33％的酶解效率高出31.89％。另外，同成分分析的结果相一致的是随着固液比的升高酶解效率迅速下降，当固液比为200％时，酶解效率仅为50.67％接近未经过任何处理的秸秆酶解效率。对酶解后的还原糖组成进行分析得知，主要是由葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、鼠李糖、半乳糖组成。低温高固预处理的样品经过水解后的糖化液中超过51％和39％的单糖为葡萄糖和木糖。

经过100％固液比低温条件下处理的和未经过处理的样本在4000-400cm^-1波数段进行FTIR红外扫描，发现经过处理后木质纤维素生物质，有效的破坏了木质素结构，降低了木质纤维素的顽抗性，在1735cm^-1半纤维素中C＝O伸缩振动，相当于半纤维素中的乙酰基和糖醛酸酯基团或者是木质素中的阿魏酸和p-香豆酸连接羧基的酯键震动。在3407cm^-1的氢键伸缩振动，同样在波数1530cm^-1和1509cm^-1木质素中的苯环骨架和C＝C的伸缩振动。在893cm^-1纤维素含量的特征峰振动加强。这些结果从化学结构角度分析，经过高固液比NaOH/Urea体系低温预处理下有效的破坏了木质纤维素的结构，降低其顽抗性，增加其比表面积，使之更容易利用。

经过XRD射线扫描，发现经过处理后木质纤维素生物质的结晶度明显降低。未经处理的水稻秸秆的结晶度是66％，经过固液比为100％的低温NaOH/Urea预处理后的水稻秸秆的结晶度为55％。

Claims

1.一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于所述农作物秸秆的酶解转化是通过下述步骤实现的：

以预处理方法处理的农作物秸秆为底物，加入缓冲液，然后加入纤维素水解混合酶，酶解糖化反应；

预处理方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将农作物秸秆烘干后粉碎，再过35～60目筛；

步骤二、将氢氧化钠/尿素(Urea)水溶液预冷至-12℃；然后按固液比为100:100(w/v)加入经步骤一处理的农作物秸秆，在-12℃条件下利用机械搅拌器快速搅拌处理3min～48h，然后进行抽滤洗涤至中性，烘干，即完成预处理；

其中，步骤二所述氢氧化钠/尿素(Urea)水溶液中，氢氧化钠的质量百分比浓度为7％，尿素的质量百分比浓度为12％。

2.根据权利要求1所述一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于缓冲液为柠檬酸钠和柠檬酸配置，pH值为6.0，按底物量为20g/L～30g/L加入缓冲液。

3.根据权利要求1所述一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于按照3～5FPU/g秸秆的添加量加入纤维素水解混合酶。

4.根据权利要求1所述一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于在45℃～60℃条件下酶解糖化反应48h～72h。

5.根据权利要求1所述的一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于步骤一所述农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆或者小麦秸秆。

6.根据权利要求1所述的一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于步骤二利用机械搅拌器快速搅拌处理3min；以300r/min～550r/min速度进行机械搅拌。

7.根据权利要求1所述的一种农作物秸秆的酶解转化的方法，其特征在于步骤二中利用蒸馏水真空抽滤装置进行抽滤处理。