CN110628847A - 一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法 - Google Patents

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Abstract

一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法，它涉及木质纤维素的预处理及酶解方法。它是要解决现有的利用杂多酸降解木质素的方法的催化剂的制备成本高、所用溶剂成本高的的技术问题。预处理方法：将秸秆粉与蒸馏水混合液进行水热反应，得到一级固体残渣和一级滤液浓缩液；再将一级固体残渣与H3PW12O40水溶液混合液进行水热反应，完成秸秆木质纤维素预处理并得到二级滤液，再从二级滤液中回收磷钨酸。酶解方法：向一级滤液浓缩液和预处理后的秸秆木质纤维素中加入乙酸‑乙酸钠缓冲溶液和纤维素酶混合，混合液酶解、分离，得到糖溶液。本发明催化剂回收率为70％～80％，总糖回收率达69％～89％。可用于生物质预处理领域。

Description

一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法
技术领域
本发明涉及木质纤维素原料的预处理及酶解方法。
背景技术
近年来，随着不可再生能源的大量消耗，能源问题已经成为世界各国关注的热点问题，科研工作者们不断通过开发新能源和可再生能源，来减少和替代化石能源的使用。我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富。农作物秸秆中富含木质纤维素，将秸秆木质纤维素转化为燃料乙醇是生物质资源高效利用的重要途径。目前，以粮食为原料生产一代燃料乙醇的技术工艺成熟稳定，而以秸秆等农林废弃物为原料生产二代纤维素乙醇时，由于秸秆木质纤维具有顽抗结构特性，木质素、半纤维素紧密的包裹在纤维素外层，阻碍了酶与底物接触，造成水解难、糖化率低的问题。所以，在酶解和发酵之前，需要先对秸秆木质纤维素基质进行预处理，以提高酶解糖化效率。
传统的预处理方法主要有化学法、物理法、物理化学综合法和生物法等，这些方法各有优点，但也存在缺陷，难以兼顾能耗、预处理效率、废液处理成本及环保性等问题，极大限制了纤维素乙醇的工业化进程。稀硫酸水解法仍然是目前最主要的预处理方法，硫酸催化剂可以有效的水解、溶出纤维素和半纤维素，然而，硫酸催化剂对木质素的降解效果差，需要中和废酸液，存在废液处理成本高和环保性差的问题；此外，在硫酸催化剂的作用下，一部分被降解的木质素与纤维素及半纤维素的降解产物混合在一起，难以分离，产成底物竞争作用，提高发酵工序的生产成本。
杂多酸属于固体酸范畴，具有催化活性高、选择性好、热稳定性好、可回收再利用和低腐蚀性等优点，在催化化学领域受到广泛关注，逐渐表现出替代传统酸催化剂的趋势，尤其是Keggin型结构的杂多酸，其给质子能力强，兼具强酸性和强氧化性，具有储备电子并保持原来结构不变、将体相成为反应场的“假液相”行为。不久前，国内、外学者研究发现一些杂多酸催化剂可以很好的降解木质素，在杂多酸催化剂的作用下，木材中的木质纤维素可以转化为纤维素富集的材料。
2018年东北林业大学的硕士论文《杂多酸H3PW12O40与H5PV2Mo10O40催化降解木质素的研究》公开了一种利用以H3PW12O40为催化剂，对麦草碱木质素和酶解木质素进行催化降解的方法，但是该方法中，H3PW12O40要负载于ZrO2骨架内，利用此复合材料催化降解乙醇-水溶剂中的麦草碱木质素与酶解木质素。催化剂的制备成本高。
中国科学院新疆理化技术研究所资源化学研究室采用典型的固体杂多酸(硅钨酸、磷钨酸、磷钼酸)作为催化剂，在γ-戊内脂/水溶剂体系内，对原木木粉中木质素进行了有效脱除，获得了富含纤维素的材料。该方法所用溶剂成本高。
发明内容
本发明是要解决现有的利用杂多酸降解木质纤维素的方法存在的催化剂的制备成本高、所用溶剂成本高的技术问题，而提供一种秸秆木质纤维素原料的预处理及酶解方法。
本发明的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，按以下步骤进行：
一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；
二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；
三、将步骤二得到的固体残渣和H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至100℃～160℃并保持0.5h～2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和二级滤液；向二级滤液中加入乙醚，振荡，得到下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。
上述方法制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，按以下步骤进行：
将秸秆粉原料经预处理后产生的一级滤液浓缩液和相应的完成预处理的秸秆木质纤维素与浓度为0.05～0.1M、pH＝4.5～5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液混合，混合均匀后加入纤维素酶，混合液放在恒温振荡器中，在50～55℃、转速为50～60rad/min的条件下酶解72～80h，然后离心分离，收集上清液，得到糖溶液。
本发明采用Keggin型结构的杂多酸H3PW12O40的水溶液做催化剂，以“热水预抽提-杂多酸预处理”两步法预处理秸秆木质纤维素，然后将收集的半纤维素和纤维素残渣混合，酶解糖化，获得C6糖、C5糖溶液。糖溶液可以进一步通过发酵工序转化为燃料乙醇。
本发明的优点如下：本发明采用的预处理方法以水为溶剂，降低了成本，同时反应时间短，总加热时间不超过2.5h，能耗相对较低；二、产生废液量少，废液的主要成分为水和木质素，不含废酸液，环境友好，废液中的木质素可以进一步分离、利用，进而实现秸秆资源的全组分利用；三、H3PW12O40催化剂用量少，并可回收再利用，回收率为添加量的70％～80％；四、总糖回收率高，可达69％～89％。
本发明是一种能耗低、环境友好、催化剂可回收利用、总糖回收率高的新方法，为建立绿色高效的秸秆生物质预处理提供新思路和新方法，有助于加速推进纤维素基乙醇燃料的工业化进程。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，按以下步骤进行：
一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；
二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；
三、将步骤二得到的固体残渣和H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至100℃～160℃并保持0.5h～2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和二级滤液；向二级滤液中加入乙醚，振荡，得到下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中干燥的温度为60～70℃；其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中，秸秆粉的质量与蒸馏水的体积的比为1g：(10～50)mL；其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中，H3PW12O40水溶液的浓度为10mM～50mM；其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中秸秆粉的质量与步骤三中浓度为10mM～50mM的H3PW12O40水溶液的体积的比为1g：(10～30)mL；其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：具体实施方式一制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，按以下步骤进行：
将秸秆粉原料经预处理后得到的一级滤液浓缩液和相应的完成预处理的秸秆木质纤维素与浓度0.05～0.1M、pH＝4.5～5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液混合，混合均匀后加入纤维素酶，混合液放在恒温振荡器中，在50～55℃、转速为50～60rad/min的条件下酶解72～80h，然后离心分离，收集上清液，得到糖溶液。
本实施例得到的糖溶液中的糖为C6糖和C5糖。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述的纤维素酶为Cellic CTec2纤维素复合酶制剂；其它与具体实施方式六相同。
本实施方式的Cellic CTec2纤维素复合酶制剂为市售产品。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是混合液中纤维素酶的加入量是按秸秆粉原料的质量计算，每克秸秆粉原料加入纤维素酶10～15U；其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是混合液中乙酸-乙酸钠缓冲溶液的加入量是按秸秆粉原料的质量计，每克秸秆粉原料加入乙酸-乙酸钠缓冲溶液的体积比为5～20mL；其它与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是离心分离的转速为8000～9000rad/min，离心时间为10～15min；其它与具体实施方式六至九之一相同。
用下面的实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，按以下步骤进行：
一、将风干水稻秸秆剪成长度1cm～5cm段，采用植物破碎机粉碎成40～60目秸秆粉，60℃鼓风干燥至恒重，获得原料秸秆粉，备用；
二、取5g步骤一制备的原料秸秆粉，加入100mL蒸馏水，将混合物转移至法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为1标准大气压，然后在搅拌速度300rad/min的条件下升温至140℃并保持20min，反应过程中的实际压力为实时压力，反应结束后，降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩至2mL，备用；
三、将步骤二得到的固体残渣和150mL浓度50mM的H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中混合均匀，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为1标准大气压，然后在搅拌速度300rad/min的条件下升温至140℃并保持2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和260mL的二级滤液；将二级滤液转移至分液漏斗，再将100mL乙醚分多次加入分液漏斗，每次加入乙醚后摇晃振荡分液漏斗，收集下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸，将所述收集磷钨酸质量除以磷钨酸添加质量乘以100％所得数值即杂多酸回收率，将回收率结果列于表1中；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。
实施例2：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的反应温度为160℃，其它步骤与参数与实施例1相同。
实施例3：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的反应温度为180℃，其它步骤与参数与实施例1相同。
实施例4：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的反应温度为160℃，步骤三中的反应温度为160℃；其它步骤与参数与实施例1相同。
实施例5：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的反应温度为160℃，步骤三中的反应温度为120℃；其它步骤与参数与实施例1相同。
实施例6：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的反应温度为160℃，步骤三中的反应温度为温度140℃、反应时间为1h；其它步骤与参数与实施例1相同。
实施例7：本实施例与实施例1不同的是步骤二中的反应温度为160℃，步骤三中的反应温度为温度140℃、反应时间为4h；其它步骤与参数与实施例1相同。
下面进行酶解试验，样品如下：
将实施例1～7中分别获得的一级滤液浓缩液和相应的完成预处理的秸秆木质纤维素分别混合，得到七组混合物；
取实施例1经步骤一制备的原料秸秆粉1g，作为1#对比样品；
取5g步骤一制备的原料秸秆粉，加入100mL蒸馏水，将混合物转移至法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为1标准大气压，然后在搅拌速度300rad/min的条件下升温至160℃并保持20min，反应过程中的实际压力为实时压力，反应结束后，降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩至2mL。再将一级滤液浓缩液与一级固体残渣混合，作为2#对比样品。
分别向七组混合物、1#对比样品和2#对比样品中分别加入15mL浓度为0.1M、pH＝5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液，混合均匀后分别转移至容积为50mL的离心管中，再向每个离心管中依次加入50U的Cellic CTec2纤维素复合酶制剂，然后依次向每个离心管中添加所述的乙酸-乙酸钠缓冲溶液，直至固液混合物的总体积为20mL，将九个装有固液混合物的离心管放在恒温振荡器中，在50℃、转速为50rad/min的条件下酶解72h，取出离心管，在8000rad/min的条件下离心分离10min，收集上清液，获得九组糖溶液。
采用Agilent 1200高效液相色谱仪测定九组糖溶液中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖含量，测试条件为：Aminex HPX-87H色谱柱、0.005M硫酸溶液为流动相、流速0.6mL/min、柱温60℃、检测器温度50℃、运行时间50min、进样量20μm，具体的测试步骤为：分别将葡萄糖、木糖和阿拉伯糖标准品配制成不同浓度的标准溶液，使用液相色谱仪在所述条件下进行测定，根据测试结果分别创建葡萄糖、木糖和阿拉伯糖浓度的线性回归方程，浓度单位为mg/mL，然后采用液相色谱仪测定九组糖溶液，根据所述线性回归方程，测得九组样品中葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的浓度，然后根据测得各种糖的浓度和九组待测糖溶液的体积计算各糖的质量，最后将各糖的质量与原料秸秆粉质量之比乘以100％记为各糖的转化率，列于表1中。
采用中华人民共和国国家标准《GB/T35818-2018林业生物质原料分析方法多糖及木质素含量的测定》所述方法测得实施例1所述原料秸秆粉中综纤维素含量、木质素含量分别为55.5％、18.7％，采用硝酸-乙醇法测定实施例1所述原料秸秆粉的纤维素含量为39.5％，将测得所述原料秸秆粉的综纤维素含量与纤维素含量相减，获得所述原料秸秆粉的半纤维素含量为16.0％，纤维素与葡萄糖的转化系数为0.90，半纤维素与木糖、半纤维素与果糖的转化系数均为0.88，将所述测得原料秸秆粉的纤维素百分比含量除以转化系数0.90表示为葡萄糖最大转化率，将所述测得原料秸秆粉的半纤维素百分比含量除以转化系数0.88表示为木糖与阿拉伯糖的最大转化率，将葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的实际转化率相加后，将所得数值除以葡萄糖、木糖与阿拉伯糖最大转化率之和，所得数值记为总糖回收率。九组糖溶液的总糖回收率列于表1中。
表1不同实施例样品的糖转化率及对应的杂多酸回收率
实施例1～7中，总糖的回收率达69.08％～88.71％，催化剂的回收率为添加量的72％～78.7％；总糖回收率和催化剂的回收率高。

Claims (10)

1.一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、将风干秸秆粉碎成40～60目秸秆粉，干燥至恒重；
二、将秸秆粉与蒸馏水加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至140℃～200℃并保持15min～30min；然后降至室温，将反应釜内的物料取出，进行减压抽滤，得到一级固体残渣和一级滤液；将一级滤液浓缩，备用；
三、将步骤二得到的固体残渣和H3PW12O40水溶液加入到法兰磁子反应釜中，密封反应釜，密封时反应釜的初始反应压力为常压，然后在搅拌速度300～400rad/min的条件下升温至100℃～160℃并保持0.5h～2h，然后降至室温，将反应釜内的物料减压抽滤，并用蒸馏水将固体残渣洗涤至中性，得到二级固体残渣和二级滤液；向二级滤液中加入乙醚，振荡，得到下层的乙醚-磷钨酸复合物，将乙醚-磷钨酸复合物蒸发结晶，得到回收的磷钨酸；二级固体残渣则是完成预处理的秸秆木质纤维素。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤一中干燥的温度为60～70℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤二中，秸秆粉的质量与蒸馏水的体积的比为1g：(10～50)mL。
4.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤三中，H3PW12O40水溶液的浓度为10mM～50mM。
5.根据权利要求1或2所述的一种秸秆木质纤维素原料的预处理方法，其特征在于步骤二中秸秆粉的质量与步骤三中浓度为10mM～50mM的H3PW12O40水溶液的体积的比为1g：(10～30)mL。
6.权利要求1制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
将秸秆粉原料经预处理后得到的一级滤液浓缩液和相应的完成预处理的秸秆木质纤维素与浓度0.05～0.1M、pH＝4.5～5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液混合，混合均匀后加入纤维素酶，混合液放在恒温振荡器中，在50～55℃、转速为50～60rad/min的条件下酶解72～80h，然后离心分离，收集上清液，得到糖溶液，完成秸秆木质纤维素的酶解。
7.根据权利要求6所述的权利要求1制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，其特征在于所述的纤维素酶为Cellic CTec2纤维素复合酶制剂。
8.根据权利要求6或7所述的权利要求1制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，其特征在于混合液中纤维素酶的加入量是按秸秆粉原料的质量计算，每克秸秆粉原料加入纤维素酶5～15U。
9.根据权利要求6或7所述的权利要求1制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，其特征在于混合液中乙酸-乙酸钠缓冲溶液的加入量是按秸秆粉原料的质量计，每克秸秆粉原料加入乙酸-乙酸钠缓冲溶液的体积比为5～20mL。
10.根据权利要求6或7所述的权利要求1制备的一级滤液浓缩液和完成预处理的秸秆木质纤维素的酶解方法，其特征在于离心分离的转速为8000～9000rad/min，离心时间为10～15min。
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