CN110079570A - 一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理及其酶解转化的方法 - Google Patents

Abstract

一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理及其酶解转化的方法，属于有机固体废弃物利用领域。本发明以解决寒冷地区冬季木质纤维素生物质预处理过程中高温、高压、耗能大或通用性不强等问题。本发明方法：一、将秋收后的木质纤维素生物质粉碎，除杂；二、每年11月中下旬，且室外温度降到‑8℃以下，将碱金属的氢氧化物/尿素水溶液置于室外预冷至室外温度以下，然后投入经步骤一处理的木质纤维素生物质或喷洒在经步骤一处理的木质纤维素生物质上，搅拌均匀；三、在室外放置至次年的3月末，淋洗后自然风干备用。以上述方法处理的木质纤维素生物质为底物，加入缓冲液，加入水解混合酶，进行酶解糖化反应。本发明显著增加酶解效率。

Description

一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理 及其酶解转化的方法

技术领域

本发明涉及一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理及其酶解转化 的方法，属于有机固体废弃物高效资源化利用领域。

背景技术

随着技术革命的不断进步，人类社会对能源的需求量和消耗量也日益俱增，传统的化 石能源的压力也愈来愈大，以太阳能、生物质能为代表的新能源就应运而生，受到越来越 多研究人员的关注。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， 若能得到资源化的利用例如生物气、燃料乙醇、生物柴油等，对于稳定农业生态平衡、缓 解资源约束、减轻环境压力都十分有益。我国是农业大国，每年产生的农作物秸秆接近9亿 吨，可收集资源量已超过7亿吨，但目前的存在大量的随意抛弃、就地焚烧等现象，这就加剧了农村地区的大气污染、土地贫瘠、水分流失、农田生物群落遭到破坏等一系列问题。然而，秸秆类生物质天然的致密性结构致使其很难高效的进行资源化的高效利用。因此在利用秸秆类生物质前，有效的预处理是必要的环节，但目前众多的预处理方式都在预处理成本、可操作性、预处理设备要求高、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，开发出简单易操作，通用性 强、预处理成本低廉的预处理方式对秸秆类农业废弃物的资源化综合利用至关重要。

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，对于低温碱尿体预处理的研究还停留在实验室阶段，在该预处理方式中，一个重要 的环境因素是低温，而大自然对人类的馈赠就是创造了一年四季及温度的变化。尤其是在 我国的北方地区，漫长而寒冷的冬季要延续上百天。这样就为该种预处理提供了天然的环 境，这就避免了像其他众多预处理大量的能源消耗。

现有秸秆类生物质预处理技术中预处理成本高、可操作性差、通用性不强以及规模化 应用受限制等方面都存在或多或少的缺点，尤其是预处理过程中高温高压及特殊设备等的 高能耗，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 利用率低，大部分被焚烧，从而导致雾霾，污染环境，对人体健康造成威胁，加之冬季的 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木质纤维素生物质的冬季室外碱尿溶液预处理及其酶解转化的 方法；以解决寒冷地区冬季木质纤维素生物质预处理过程中高温、高压、需要大量的能量 输入、通用性不强等问题，解决了因寒冷地区冬季较长、温度较低阻碍了木质纤维素生物 质规模化应用的问题。

为解决上述技术问题，本发明中一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液 预处理方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将秋收后产生的木质纤维素生物质集中收集后粉碎，除杂即去除沙子、石头 等大颗粒物质，备用；

步骤二、每年11月中下旬，且室外温度降到-8℃以下，将碱金属的氢氧化物/尿素(Urea)水溶液置于室外预冷至室外温度以下，然后投入固液比为(100～160):100(w/v) 经步骤一处理的木质纤维素生物质，搅拌均匀；

步骤三、然后在室外环境下，放置至次年的3月末，定期进行搅拌，用水淋洗，自然风干，即完成预处理；

其中，步骤三搅拌周期为7天，每次搅拌15～30min。

所述秋收后的木质纤维素生物质是秋收过后农田里的秸秆等；进一步地限定，步骤一 所述木质纤维素生物质为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆或棉花秸秆。

进一步地限定，步骤一中粉碎后的粒径为20～60目，同时去除杂质。

进一步地限定，步骤二中碱金属的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化锂或者氢氧化钾。

进一步地限定，步骤二中碱金属的氢氧化物/尿素水溶液中，碱金属的氢氧化物的质量 百分比浓度为1％～8％，尿素的质量百分比浓度为2％～14％。

进一步地限定，步骤三中的搅拌速度300r/min～800r/min。

本发明中一种木质纤维素生物质的酶解转化的方法是按下述步骤进行的：

以上述的预处理方法处理的木质纤维素生物质为底物，加入缓冲液，然后加入纤维素 水解混合酶，酶解糖化反应，测定酶解后的还原糖含量及组成。

进一步限定，所述缓冲液为柠檬酸钠、柠檬酸和蒸馏水配置，每1L缓冲液中含12～15g 的柠檬酸钠和2～5g的柠檬酸，pH值为5.0～6.0，按底物量为20g/L～30g/L加入缓冲液。

进一步限定，所述按照3～5FPU/g木质纤维素生物质的添加量加入纤维素水解混合酶； 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，大大降低药剂和水的使用量，同时实现预处理过程中能 量的零输入。

采用本发明方法冬季室外碱尿溶液预处理木质纤维素生物质(秸秆等)，室外温度变 化，有利于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。

本发明方法用利于木质纤维素生物质规模化应用，提高了秸秆的经济价值，变废为宝， 减少对环境的污染。

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冬季室外碱尿预处理方法是按下述步 骤进行的：

步骤a、将秋收后的水稻秸秆在60℃条件下烘干后粉碎，过40目筛；

步骤b、将7％NaOH-12％Urea、5％NaOH-8％Urea及3％NaOH-6％Urea水溶液放置室外温度为-8℃以下时预冷；然后将碱尿溶液分别按固液比100:100、160:100的比例加入经步骤a处理的水稻秸秆中，在室外温度条件下以350r/min的速度利用机械快速搅拌处理15min，处理后的秸秆放置室外进行不同时间取样分析，放置7天、15天、1个月、3个月。 在此期间每隔7天搅拌一次，每次搅拌15min，取样后的水稻秸秆进行成分分析和酶解实 验。

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：

以上述的室外碱尿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，pH 6.0，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。

所述缓冲液为柠檬酸钠、柠檬酸和蒸馏水配置，柠檬酸钠的浓度为14.07g/L、柠檬酸 浓度为2.5g/L，pH值：5.0～6.0；

结果

预处理的固液比分别为100:100(w/v)和160:100(w/v)，温度是自然温度(2018年12月1日至2019年3月15日，哈尔滨地区的温度范围为12℃～-24℃)，溶液为7％NaOH -12％Urea，5％NaOH-8％Urea及3％NaOH-6％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。结果如表1所示，由表1可知，通过室外低温预处理后 的水稻秸秆，在放置7天的水稻秸秆的酶解糖化效率的结果可以看出，7％NaOH-12％Urea 预处理后的水稻秸秆的酶解糖化效率要高于5％NaOH-8％Urea及3％NaOH-6％Urea处理 后的样品。同时固液比100％的要高于160％的处理组。在延长预处理时间后，在对放置15 天的所有的样品进行分析，酶解糖化效率都有所提高，同时较低的碱尿浓度预处理后的样 品也获得较高的酶解糖化效率。随着时间进一步延长，所有样品的糖化效率进一步提升， 但从测试结果可以看出，尽管放置3个月的样品的酶解糖化效率要高于之前所有取样时间 的结果，但是其提升幅度很小相比于放置1个月的样品。放置三个月的水稻秸秆的酶解效 率可达到91.03％(7％NaOH-12％Urea碱尿浓度下处理的样品)、91.87％(5％NaOH-8％Urea 碱尿浓度下处理的样品)和91.45％(3％NaOH-6％Urea碱尿浓度下处理的样品)。另外在 160％固液比的预处理样品在放置三个月时，其酶解糖化效率也能达到88.39％(7％NaOH- 12％Urea碱尿浓度下处理的样品)、90.18％(5％NaOH-8％Urea碱尿浓度下处理的样品) 和91.24％(3％NaOH-6％Urea碱尿浓度下处理的样品)。

表1水稻秸秆冬季室外不同固液比氢氧化钠/尿素溶液预处理强化酶解效 率

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Claims (10)

1.一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外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、将秋收产生的木质纤维素生物质粉碎除杂，备用；

步骤二、每年11月中下旬，且室外温度降到-8℃以下，将碱金属的氢氧化物/尿素(Urea)水溶液置于室外预冷至室外温度以下，然后投入固液比为(100～160):100(w/v)经步骤一处理的木质纤维素生物质，搅拌均匀；

步骤三、然后在室外环境下，放置至次年的3月末，按周期进行搅拌，用水淋洗，自然风干，即完成预处理；

其中，步骤三搅拌周期为7天，每次搅拌15～30min。

2.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理方法，其特征在于步骤一所述农作物秸秆为水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆中的一种。

3.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理方法，其特征在于步骤一中粉碎后的粒径在20～60目。

4.根据权利要求1所述一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理方法，其特征在于步骤二碱金属的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化锂或者氢氧化钾。

5.根据权利要求4所述一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理方法，其特征在于所述碱金属的氢氧化物/尿素(Urea)水溶液中，碱金属的氢氧化物的质量百分比浓度为1％～8％，尿素的质量百分比浓度为2％～14％。

6.根据权利要求4所述的一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理方法，其特征在于所述碱金属的氢氧化物的质量百分比浓度为7％，所述尿素的质量百分比浓度12％。

7.根据权利要求1所述的一种木质纤维素生物质的寒冷地区冬季室外碱尿溶液预处理方法，其特征在于步骤三以300r/min～800r/min速度进行机械搅拌。

8.一种木质纤维素生物质的酶解转化的方法，其特征在于所述木质纤维素生物质的酶解转化是通过下述步骤实现的：

以权利要求1-7中任意一项权利要求所述预处理方法处理的木质纤维素生物质为底物，加入缓冲液，然后加入纤维素水解混合酶，酶解糖化反应。

9.根据权利要求7所述一种木质纤维素生物质的酶解转化的方法，其特征在于缓冲液为柠檬酸钠、柠檬酸和蒸馏水配置，每1L缓冲液中含12～15g的柠檬酸钠和2～5g的柠檬酸，pH值为5.0～6.0，按底物量为20g/L～30g/L加入缓冲液。

10.根据权利要求7所述一种木质纤维素生物质的酶解转化的方法，其特征在于按照3～5FPU/g木质纤维素生物质的添加量加入纤维素水解混合酶；在45℃～60℃条件下酶解糖化反应48h～72h。