CN112111541A - 碱法预处理密化木质纤维素及生物转化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱法预处理密化木质纤维素及生物转化的方法。所述方法先将木质纤维素进行密化处理，制成压缩致密形状的木质纤维素，再加入碱性试剂和水，混匀，加热至30℃～200℃，进行碱法预处理，预处理结束后，调节预处理液的pH至酶最适pH，进行酶水解或/和发酵。本发明的碱法预处理对玉米秸秆之间的木质素和半纤维素之间的化学键进行破坏和脱除部分木质素，预处理后的密化木质纤维素具有致密结构，所占空间较小，吸水性差，便于后期运输和进一步处理应用。

Description

碱法预处理密化木质纤维素及生物转化的方法
技术领域
本发明属于生物炼制技术领域，涉及一种碱法预处理密化木质纤维素及生物转化的方法。
背景技术
木质纤维素是自然界中最普遍的可再生资源之一，具有产量丰富、来源广泛、廉价等优点，可以作为能源结构补充途径，缓解能源给经济带来的压力。但是由于木质纤维素生物炼制成本过高，至今仍未实现真正的大规模商业化应用。
原料运输储存的成本和预处理成本是木质纤维素生物炼制走向产业化的瓶颈问题之一。松散木质纤维素的密度在40～250kg/m3。运输和储存的成本超过总木质纤维素原料成本的50％以上。木质纤维素密化有效减少4～16倍木质纤维素占用空间，节约木质纤维素的50％以上运输和90％以上储存的成本(Campbell T J,et al.A packed bed AmmoniaFiber Expansion reactor system for pretreatment of agricultural residues atregional depots.Biofuels,2013,4(1):23-34)。另外，低密度的木质纤维素原料在预处理过程中占用体积大从而使得预处理过程中原料装载量低，预处理设备使用效率不高。密化的木质纤维素因致密结构能有效提升装载量，充分利用预处理设备体积、降低预处理成本。同时，密化木质纤维素因为都有统一的尺寸规格和外形，方便工厂机械化操作(Zhang Q,etal.Comparison of two pelleting methods for cellulosic ethanol manufacturing:ultrasonic vibration-assisted pelleting vs.ring-die pelleting.BiomassConversion and Biorefinery,2016,6(1):13-23)。
对于木质纤维素酶水解的效果，碱法预处理是非常有效的预处理手段之一。氢氧根离子破坏木质素和半纤维素分子间的酯键和醚键，更多的木质素被溶解在溶液中，曝露出的多聚糖与水解酶更加容易的结合提高酶水解效率(Significantly improvingenzymatic saccharification of high crystallinity index’s corn stover bycombining ionic liquid[Bmim]Cl–HCl–water media with dilute NaOHpretreatment.Bioresource Technology,2015,189:421-425.)。
松散秸秆不仅在运输和储存给工业生产带来巨大成本问题，而且在预处理和酶水解过程中均存在原料装载量低等问题，极大阻碍了木质纤维素炼制产业的发展。
发明内容
为解决现有木质纤维素运输成本高、预处理耗能高等问题，本发明提供一种碱法预处理密化木质纤维素及生物转化的方法。
本发明的技术方案如下：
碱法预处理密化木质纤维素的方法，具体步骤如下：
将木质纤维素进行密化处理，制成压缩致密形状的木质纤维素，加入碱性试剂和水，混匀，加热至30℃～200℃，进行碱法预处理。
碱法预处理的密化木质纤维素的生物转化方法，具体步骤如下：
将木质纤维素进行密化处理，制成压缩致密形状的木质纤维素，加入碱性试剂和水，混匀，加热至30℃～200℃，进行碱法预处理，预处理结束后，调节预处理液的pH至最适pH，进行生物转化。
本发明中，所述的木质纤维素为小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木、硬木、水草、水生植物、藻类以及动物粪便中的一种或者多种。
本发明中，所述的压缩致密形状为棒状，粒状，块状，丸粒状等致密结构形状。所述的密化木质纤维素的密度为100～1500kg/m3。棒状密化木质纤维素的直径为0.5mm～30cm；粒状密化木质纤维素的直径为0.1cm～50cm；块状密化木质纤维素的长度为0.1cm～200cm，宽度为0.1cm～200cm，高度为0.1cm～200cm；丸粒状密化木质纤维素的直径为0.1cm～50cm，厚度为0.01cm～20cm。
本发明中，所述的碱性试剂选自氢氧化钠，氢氧化钙，氢氧化钾，醋酸钠，碳酸钠，碳酸氢钠，硫酸钠，乙二胺，三乙胺，氨水，液氨，氧化钙，尿素或氧化钠等碱性试剂。
本发明中，碱法预处理的时间为维持恒温1分钟～7天，加热温度越高，相应的预处理适应缩短。
本发明中，所述的碱性试剂为木质纤维素的质量的0.5～30.0％，木质纤维素的含水量为0％-90％。
本发明中，所述的生物转化为酶促反应和微生物转化中的一种或多种；所述的酶促反应，为在预处理基质中加入酶或者酵素，所述的酶选自纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶、淀粉酶、糖化酶中的一种或者多种。所述的微生物转化为微生物发酵，为在预处理基质或酶水解液中加入发酵微生物，所述的发酵微生物为常规生物炼制使用的发酵微生物，可以为酵母、细菌、霉菌中的一种或多种。
本发明中，所述的方法生物转化生产的产品为生物燃料、大宗化学品、精细化学品、动物饲料、食品添加剂、药品等，如乙醇、丁醇、丙酮、乙酸、乳酸、脂肪烃、油脂、蛋白、氨基酸、酶、抗生素、维生素、抗体、沼气等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)在密化、存储和运输过程中实现预处理，大大节约了预处理成本；
(2)密化木质纤维素提高木质纤维素的密度，节约反应仪器的空间，提高仪器的使用效率；
(3)密化的木质纤维素在后续处理过程中操作方便。
综上，本发明先对木质纤维素进行密化处理，再进行碱法预处理。碱法预处理能高效处理密化的木质纤维素，脱除木质素，达到降低酶加量，提高酶水解效果的目的。同时，密化木质纤维素也有利于操作，其反应过程中自由水含量较高，对纤维素结构破坏更加彻底，通过发酵，能够生产大宗化学品、精细化学品或动物饲料等，如乙醇、丁醇、丙酮、乙酸、乳酸、脂肪烃、油脂、蛋白、氨基酸等。
附图说明
图1为实施例1中密化玉米秸秆的实物图。
图2为实施例1中同体积密化玉米秸秆和松散玉米秸秆的质量对比图。
图3为实施例2中密化玉米秸秆和松散秸秆在低装载量酶水解的效果比较图。
图4为实施例3中不同装载量对稀碱预处理密化玉米秸秆的酶水解效果的影响结果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例来对本发明做更全面，细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
下文所用到的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同，除非另有定义。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体事例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的试剂，原料，仪器和设备等均可市场购买得到或者已经有的方法制备得到。
实施例中使用以下的缩写：
“min”是分钟，“℃”是摄氏度，“rpm”是转速。
实施例1
密化和松散秸秆的物理性质，包括以下步骤：
1、原料准备：玉米秸秆来源连云港市，收集后自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、密化过程：将粉碎后的玉米秸秆喷洒少量的水，水的含量为0.5g/g玉米秸秆，使用造粒机对玉米秸秆进行密化操作。
本实施例中，图1为密化玉米秸秆的实物图，图1A显示密化玉米秸秆的直径为0.8cm，图1B显示密化秸秆的长度为2.5cm。该密化秸秆的质量为1.85g(去除水分)。则该密化秸秆的密度为1.47*103Kg/m3。图2显示了密化和松散玉米秸秆在相同的体积下质量的比较。图2A饮水杯中松散玉米秸秆的质量为12.54g(去除水分)，图2B饮水杯中密化玉米秸秆的质量为81.81g(去除水分)。在相同的体积下，密化玉米秸秆的密度是松散玉米秸秆密度的6.5倍。
实施例2
密化玉米秸秆和松散秸秆在低装载量酶水解的效果比较。包括以下步骤：
1、原料准备：玉米秸秆来源连云港市，收集后自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、密化过程：将粉碎后的玉米秸秆喷洒少量的水，水的含量为0.5g/g玉米秸秆，使用造粒机对玉米秸秆进行密化化操作。
3、稀碱预处理：松散玉米秸秆或密化后的玉米秸秆颗粒置于反应釜中，添加2％(wt/wt)的氢氧化钠和水。干物的浓度为10％(wt/wt，干物质量占总质量的百分数)。迅速加热到121℃，温度维持20min，稀碱预处理后调节pH后，低温保存待用。
4、将稀碱预处理的松散和密化的玉米秸秆置于酶水解反应器中，底物质量浓度为3％，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在50℃的振荡箱(250rpm)内进行酶解反应，酶水解24小时。
本实施例中，松散和密化的玉米秸秆经过稀碱预处理在3％干物条件下酶水解的效果对比。由图3所示，
Figure BDA0002101507370000041
表示3％秸秆干物酶水解葡萄糖的浓度，
Figure BDA0002101507370000042
表示3％秸秆干物酶水解木糖的浓度。从图3可以看出经过稀碱预处理的松散和密化玉米秸秆，在相同的稀碱预处理条件下，酶水解后的葡萄糖浓度分别为6.9g/L和7.1g/L，木糖浓度分别是2.3g/L和2.5g/L。表明在相同的稀碱预处理条件下，松散秸秆和密化秸秆预处理效果相近。但是密化秸秆在运输和储存具有很大的优势，同时，密化玉米秸秆在预处理过程中也具有增加预处理底物的装载量的优势。
实施例3
不同装载量对稀碱预处理密化玉米秸秆的酶水解效果的影响，包括以下步骤：
1、原料准备：玉米秸秆来源连云港市，收集后自然晾干后粉碎成1-4mm的颗粒。
2、密化过程：将粉碎后的玉米秸秆喷洒少量的水，水的含量为0.5g/g玉米秸秆，使用造粒机对玉米秸秆进行密化化操作。
3、稀碱预处理：松散玉米秸秆或密化后的玉米秸秆颗粒置于反应釜中，添加2％(wt/wt)的氢氧化钠和水。干物的浓度为10％，20％和30％(wt/wt，干物质量占总质量的百分数)。迅速加热到121℃，温度维持60min，稀碱预处理后调节pH后，低温保存待用。
4、将不同预处理底物的密化玉米秸秆置于酶水解反应器中，底物质量浓度为3％(基于总质量)，加入水解酶和柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，在50℃的振荡箱(250rpm)内进行酶解反应，酶水解24小时
本实施例中，不同装载量对稀碱预处理密化玉米秸秆的酶水解效果的影响。如图4所示，
Figure BDA0002101507370000051
表示3％稀碱预处理密化玉米秸秆酶水解葡萄糖的浓度，
Figure BDA0002101507370000052
表示3％稀碱预处理密化玉米秸秆酶水解木糖的浓度。从图4可以看出10％，20％和30％干物的稀碱预处理密化玉米秸秆酶水解的效果。20％预处理底物的稀碱预处理密化秸秆酶水解的葡萄糖和木糖浓度最高分别是8.4g/L和3.2g/L。由于密化秸秆致密的结构，可以极大的减少秸秆所占据的空间，同时密化秸秆的吸水性比松散秸秆的吸水性也差，有利于提高预处理的底物浓度，进而提高预处理的效率和反应釜的使用率。

Claims (10)

1.碱法预处理密化木质纤维素的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将木质纤维素进行密化处理，制成压缩致密形状的木质纤维素，加入碱性试剂和水，混匀，加热至30℃～200℃，进行碱法预处理。
2.碱法预处理的密化木质纤维素的生物转化方法，其特征在于，具体步骤如下：
将木质纤维素进行密化处理，制成压缩致密形状的木质纤维素，加入碱性试剂和水，混匀，加热至30℃～200℃，进行碱法预处理，预处理结束后，调节预处理液的pH至最适pH，进行生物转化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的木质纤维素为小麦秸秆、玉米秸秆、农林废料、水稻秸秆、高粱秸秆、大豆秸秆、林业废料、回收木浆纤维、木屑、软木、硬木、水草、水生植物、藻类以及动物粪便中的一种或者多种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的压缩致密形状为棒状，粒状，块状，丸粒状；所述的密化木质纤维素的密度为100～1500kg/m3。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的棒状密化木质纤维素的直径为0.5mm～30cm；粒状密化木质纤维素的直径为0.1cm～50cm；块状密化木质纤维素的长度为0.1cm～200cm，宽度为0.1cm～200cm，高度为0.1cm～200cm；丸粒状密化木质纤维素的直径为0.1cm～50cm，厚度为0.01cm～20cm。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的碱性试剂选自氢氧化钠，氢氧化钙，氢氧化钾，醋酸钠，碳酸钠，碳酸氢钠，硫酸钠，乙二胺，三乙胺，氨水，液氨，氧化钙，尿素或氧化钠。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，碱法预处理的时间为维持恒温1分钟～7天。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的碱性试剂为木质纤维素的质量的0.5～30.0％，木质纤维素的含水量为0％-90％。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的生物转化为酶促反应和微生物转化中的一种或多种；所述的酶促反应，为在预处理基质中加入酶或者酵素，所述的酶选自纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶、淀粉酶、糖化酶中的一种或者多种；所述的微生物转化为微生物发酵，为在预处理基质或酶水解液中加入发酵微生物，所述的发酵微生物为酵母、细菌、霉菌中的一种或多种。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的生物转化生产的产品为生物燃料、大宗化学品、精细化学品、动物饲料、食品添加剂、药品等，如乙醇、丁醇、丙酮、乙酸、乳酸、脂肪烃、油脂、蛋白、氨基酸、酶、抗生素、维生素、抗体、沼气。
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