CN111778293A - 一种以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物质处理技术领域，具体涉及一种以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法。该方法以木质纤维素为原料，经粉碎后，与表面活性剂混合均匀进行压缩成型，制成木质纤维素产品。制成的木质纤维素产品，经预处理后，加入纤维素酶进行酶解糖化反应。本发明通过在木质纤维素压缩成型过程中添加的表面活性剂，显著降低压缩成型过程中的能量消耗和摩擦，降低木质纤维素压缩设备的零部件磨损；同时，在压缩成型过程中添加的表面活性剂，在后续的以木质纤维素压缩产品为原料的预处理、酶解糖化反应中，起显著促进作用。表面活性剂可以通过改变木质素的表面特性、降低木质素对纤维素酶在酶解过程中的无效吸附，提高酶解糖化效率。
Description
技术领域
本发明属于生物质处理技术领域，具体涉及一种以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法。
背景技术
随着化石燃料的逐渐枯竭和日益严重的环境问题，可再生能源的研究和利用一直是全球关注的重点领域。生物乙醇以其可再生性，对环境友好等特点，是生物质能源化利用的重要研究对象。以木质纤维素类生物质为原料，经预处理、酶解糖化、发酵后可转化为生物乙醇。然而，木质纤维素类生物质例如农作物秸秆，以及树枝、木屑等森林废弃物，因为其结构疏松，密度低等特点，给收储、运输及后续利用带来很多问题。
生物质压缩成型，可以很好地解决木质纤维素类生物质密度低、收储、利用困难等问题。压缩成型后的产品，具有统一的形状和特性、更高的能量密度等特点，同时可以降低运输成本和存储空间，利于后续应用。目前，工业化应用的生物质压缩设备主要包括：环模(平模)制粒机(ring/flat die pellet mill)、环模制块机(ring die briquette mill)、螺旋式压块机(screw extruder)、活塞式压块机(piston press)等，其中，环模制粒机和环模制块机是目前工业化应用较为广泛的压缩设备。然而，生物质压缩设备存在能耗高、部件磨损快、生产率低等问题。以环模制粒机为例，环模作为制粒机的核心部件，其工作性能和寿命直接影响着产品颗粒质量和生产成本，制粒过程产生的摩擦，会导致制粒机的环模产生磨损和变形，因此降低了制粒机使用寿命，制约了生物质压缩成型技术的发展。
木质纤维素类生物质经预处理、酶解糖化、发酵后可转化为生物乙醇，在预处理过程中添加表面活性剂，是一种提高后续酶解糖化效率的有效方法。表面活性剂可以通过改变木质素的表面特性、降低木质素对纤维素酶在酶解过程中的无效吸附，提高酶解糖化效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法，提出一种新的纤维素的水解工艺，以降低能耗，并提高酶解糖化效率。
本发明提出的以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料粉碎至尺寸小于5cm，调制木质纤维素原料的含水率到8～20％；
(2)在木质纤维素原料中添加表面活性剂，表面活性剂的添加量为木质纤维素原料干重的0.5～5％，混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物进行压缩成型，得到木质纤维素产品，使得木质纤维素产品的密度为750～1300Kg/m3；
(4)采用稀酸、水或碱溶液对步骤(3)的木质纤维素产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:(2～20)，预处理温度为90℃～200℃，处理时间为0.2～5小时，预处理所使用的稀酸或碱溶液的质量百分比浓度为0.1～5％；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH值调节至6～8，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH值为4.5～5.5、摩尔浓度为0.1M的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5～30％，纤维素酶的加入量为10～50FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为45～50℃和振荡转速140～160r/min的条件下反应24～72小时，酶解糖化反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液。
上述方法中的表面活性剂，为聚乙二醇(PEG)，聚乙二醇的分子量为1000～8000。
上述方法中使用的稀酸为稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸或稀磷酸中的一种或多种以任何比例混合。使用的碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙或氨水中的一种或多种以任何比例混合。
本发明提出的以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法，其优点是：
本发明的以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法，将疏松的木质纤维素原料经压缩成型成为高密度的木质纤维素产品，压缩成型处理后可以增加木质纤维素的能量密度，同时降低收集、运输成本和储存空间，而且压缩后的木质纤维素产品，性质更加均一、稳定，利于后续应用。本发明方法在木质纤维素压缩成型过程中辅助添加的表面活性剂，在压缩成型过程中可以起到润滑作用，因此降低了压缩过程的能量消耗和摩擦，也降低了压缩设备的磨损，延长设备使用寿命，从而提高了压缩效率。另外，在压缩成型过程中添加的表面活性剂，在后续的以木质纤维素压缩产品为原料的预处理、酶解糖化反应中，起显著促进作用。表面活性剂可以通过改变木质素的表面特性、降低木质素对纤维素酶在酶解过程中的无效吸附，提高酶解糖化效率。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图。
具体实施方式
本发明提出的以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料粉碎至尺寸小于5cm，调制木质纤维素原料的含水率到8～20％；
(2)在木质纤维素原料中添加表面活性剂，表面活性剂的添加量为木质纤维素原料干重的0.5～5％，混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物进行压缩成型，得到木质纤维素产品，使得木质纤维素产品的密度为750～1300Kg/m3；本发明方法中用于对混合物进行压缩成型的设备包括但不限于：环模(平模)制粒机(ring/flat die pellet mill)、环模制块机(ringdiebriquette mill)、螺旋式压块机(screw extruder)、活塞式压块机(piston press)或单筒闭式压缩装置(single press unit)；
(4)采用稀酸、水或碱溶液对步骤(3)的木质纤维素产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:(2～20)，预处理温度为90℃～200℃，处理时间为0.2～5小时，预处理所使用的稀酸或碱溶液的质量百分比浓度为0.1～5％；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH值调节至6～8，然后进行固液分离得到固体；
(6)在步骤(5)的固体中加入pH值为4.5～5.5、摩尔浓度为0.1M的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5～30％，纤维素酶的加入量为10～50FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为45～50℃和振荡转速140～160r/min的条件下反应24～72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液。
上述方法中的表面活性剂为聚乙二醇(PEG)，聚乙二醇的分子量可以为1000～8000。
上述方法中使用的稀酸为稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸或稀磷酸中的一种或多种以任何比例混合。使用的碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙或氨水中的一种或多种以任何比例混合。
以下结合具体实施例和说明书附图来进一步详细说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
实施例1
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸2mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的1％的PEG 6000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1050Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的稀硫酸对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.2小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH值调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH值为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液。
对本实施例得到的水解液中的葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低25.3％，压缩能耗降低10.4％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了15.7％。
实施例2
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸2mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的1％的PEG 2000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1070Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.3小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH值调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH值为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液。随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低23.5％，压缩能耗降低8.9％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了16.3％。
实施例3
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸2mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的2％的PEG 2000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1010Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的稀硫酸对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.2小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低31.7％，压缩能耗降低12.5％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了24.5％。
实施例4
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸2mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的2％的PEG 6000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1130Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.3小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低33.9％，压缩能耗降低13.5％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了23.9％。
实施例5
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸2mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的4％的PEG 2000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为960Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的稀硫酸对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.2小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低45.6％，压缩能耗降低18.8％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了32.3％。
实施例6
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸2mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的4％的PEG 6000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为995Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.3小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低48.0％，压缩能耗降低21.4％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了31.0％。
实施例7
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸1mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的1％的PEG 4000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1120Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的稀硫酸对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.2小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低25.6％，压缩能耗降低10.9％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了13.9％。
实施例8
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸1mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的1％的PEG 8000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1080Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.3小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低27.4％，压缩能耗降低11.5％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了15.9％。
实施例9
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸1mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的2％的PEG 8000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1035Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的稀硫酸对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.2小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低35.7％，压缩能耗降低15.1％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了23.7％。
实施例10
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸1mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的2％的PEG 4000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为1080Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.3小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低33.4％，压缩能耗降低13.0％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了22.1％。
实施例11
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸1mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的4％的PEG 4000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为940Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的稀硫酸对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.2小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低47.7％，压缩能耗降低20.3％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了29.7％。
实施例12
(1)将木质纤维素原料小麦秸秆经锤片式粉碎机粉碎，锤片式粉碎的筛网尺寸1mm，粉碎后将原料含水率调制到11％；
(2)将质量为小麦秸秆原料干重的4％的PEG 8000与小麦秸秆混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物用单筒闭式压缩装置(single press unit)进行压缩成型，得到密度为930Kg/m3的小麦秸秆产品；
(4)采用质量百分比浓度为0.5％的氢氧化钠溶液对步骤(3)的小麦秸秆产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:9，预处理温度为180℃，处理时间为0.3小时；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH调节至7，然后进行固液分离得到固体；
(6)将步骤(5)的固体中加入pH为5的0.1M柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5％，纤维素酶的加入量为10FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为50℃和振荡转速150r/min的条件下反应72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液；随后对水解液中葡萄糖含量进行测定，并计算纤维素转化率。
压缩成型过程最大摩擦阻力和压缩能耗见表1。从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，最大摩擦阻力降低48.8％，压缩能耗降低22.4％。酶解糖化后纤维素转化率见表2，从表中数据可以看出，与未添加表面活性剂相比，本实施例中，酶解糖化后纤维素转化率提高了30.2％。
表1，压缩最大摩擦阻力和压缩能耗
| 表面活性剂种类及含量 | 最大摩擦阻力(N) | 压缩能耗(MJ/t) | |
| 对比例1/对比例2 | / | 98.2 | 19.2 |
| 实施例1 | PEG6000-1％ | 73.4 | 17.2 |
| 实施例2 | PEG2000-1％ | 75.1 | 17.5 |
| 实施例3 | PEG2000-2％ | 67.1 | 16.8 |
| 实施例4 | PEG6000-2％ | 64.9 | 16.6 |
| 实施例5 | PEG2000-4％ | 53.4 | 15.6 |
| 实施例6 | PEG6000-4％ | 51.1 | 15.1 |
| 实施例7 | PEG4000-1％ | 73.1 | 17.1 |
| 实施例8 | PEG8000-1％ | 71.3 | 17 |
| 实施例9 | PEG8000-2％ | 63.1 | 16.3 |
| 实施例10 | PEG4000-2％ | 65.4 | 16.7 |
| 实施例11 | PEG4000-4％ | 51.4 | 15.3 |
| 实施例12 | PEG8000-4％ | 50.3 | 14.9 |
表2，酶解糖化后纤维素转化率
从以上表1和表2可以看出，在木质纤维素压缩成型过程中添加表面活性剂聚乙二醇(PEG)，可以显著降低压缩成型的能量消耗与摩擦，同时，表面活性剂可以显著提高木质纤维素压缩后产品的酶解糖化效率。
Claims (4)
1.一种以木质纤维素为原料制备纤维素水解液的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将木质纤维素原料粉碎至尺寸小于5cm，调制木质纤维素原料的含水率到8～20％；
(2)在木质纤维素原料中添加表面活性剂，表面活性剂的添加量为木质纤维素原料干重的0.5～5％，混合均匀，得到混合物；
(3)对步骤(2)中得到的混合物进行压缩成型，得到木质纤维素产品，使得木质纤维素产品的密度为750～1300Kg/m3；
(4)采用稀酸、水或碱溶液对步骤(3)的木质纤维素产品进行预处理，木质纤维素产品与预处理溶液质量比为：木质纤维素产品:预处理溶液＝1:(2～20)，预处理温度为90℃～200℃，处理时间为0.2～5小时，预处理所使用的稀酸或碱溶液的质量百分比浓度为0.1～5％；
(5)将步骤(4)预处理后的混合液的pH值调节至6～8，然后进行固液分离得到固体；
(6)在步骤(5)的固体中加入pH值为4.5～5.5、摩尔浓度为0.1M的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，再添加纤维素酶，进行酶解糖化反应，酶解糖化反应时，固体的初始质量浓度为5～30％，纤维素酶的加入量为10～50FPU/g固体，酶解糖化反应中，在温度为45～50℃和振荡转速140～160r/min的条件下反应24～72小时，酶解反应后对反应物进行固液分离，得到纤维素水解液。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的表面活性剂为聚乙二醇，聚乙二醇的分子量为1000～8000。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中使用的稀酸为稀硫酸、稀盐酸、稀硝酸或稀磷酸中的一种或多种以任何比例混合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中使用的碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氧化钙或氨水中的一种或多种以任何比例混合。
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