CN113293182B - 一种促进木质纤维素酶解的预处理方法 - Google Patents

一种促进木质纤维素酶解的预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物质能源技术领域，特别公开了一种改善木质纤维素酶解的预处理方法。预处理采用对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系，该预处理体系可在温和条件下有效脱除木素和半纤维素同时实现纤维物料漂白，显著提高木质纤维素的酶解性能，糖化效率高，生物乙醇产量大。另外，对甲苯磺酸易于回收，提取木素反应活性高，可进一步加工转化，预处理体系绿色环保，经济高效，易于实施。

Description

一种促进木质纤维素酶解的预处理方法
技术领域
本发明涉及生物质能源技术领域，特别涉及一种促进木质纤维素酶解的预处理方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
近年来，化石能源日渐枯竭，环境污染问题也日益凸显，寻找可替代的绿色能源具有重大意义。木质纤维素储量巨大，来源丰富，可再生且可降解，是一种理想的可替代资源。以木质纤维素为原料生产生物燃料具有广泛的应用前景。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，三者间通过氢键、化学键等作用相互连接交织，结构复杂，直接影响着其生物转化。因此应首先对木质纤维素进行预处理，促进原料酶解效率，有利于生物乙醇的制备。
廖荣俊等人利用4％H2SO4处理木质纤维素原料以促进酶解，最终获得57.99％的酶解效率，但该操作反应温度高、处理时间长同时酶解效率较低，不利于后续乙醇的转化；CN110699387A公开了一种使用生物可降解有机酸催化剂的木质纤维素预处理方法，具体指出利用草酸在喷射低压蒸汽环境下处理木质纤维素，该过程无需对酸催化剂进行中和，减少污染，虽有效提高了酶解和发酵效率，但忽视了原料和水用量大、温度高和对设备要求高等问题。CN111349657A公开了一种提高木质纤维素酶解发酵产乙醇效率的方法，具体指出将经蒸汽爆破预处理后的木质纤维素原料与水混合并添加纤维素酶、环糊精以促进酶解及发酵产乙醇效率，但该预处理工艺条件要求高，且酶解周期长，能耗高；杨雪提到利用对甲苯磺酸和有机溶剂γ-戊内酯对杨木进行预处理，虽能有效促进木质纤维素酶解，但该预处理工艺有机溶剂和酶的用量大且不易获得，成本较高；CN111304262A公开了一种促进生物质高效利用的预处理方法，具体操作为利用对甲苯磺酸结合超声手段对木质纤维素进行预处理，促进了酶解效率并提高了乙醇浓度，但该体系下在较高酸浓度条件下易造成纤维素组分降解，造成碳水化合物的损失。因此，需要开发一种条件温和、效果好、成本及能耗低的促进木质纤维素酶解的预处理方法。
发明内容
本发明提供了一种促进木质纤维素酶解的预处理方法。以对甲苯磺酸/氯酸盐为体系可以在温和条件下实现木质素、半纤维素的有效脱除，保留绝大部分纤维素组分，与此同时提高纤维物料的酶解效率。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种促进木质纤维素酶解的预处理方法，包括：
采用对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系对木质纤维素进行预处理，反应完成后，固液分离，得到富含纤维素固体和预处理液；
将所述富含纤维素固体洗涤至中性、干燥，得到预处理后的纤维物料；
将所述预处理后的纤维物料进行酶解、发酵，制取生物乙醇；
将所述预处理液进行稀释，使木素沉积析出，得到活性木质素。
本发明经过长期研究和实验摸索发现：与现有的预处理方法相比，选择对甲苯磺酸与氯酸盐，亚氯酸盐相结合的预处理法，可通过优劣互补达到更理想的预处理效果以促进酶解。
本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的生物乙醇和活性木质素。
采用本发明的预处理方法获得纤维物料用于制备生物乙醇时，能够有效促进纤维素的酶解，显著提高了葡萄糖转化率和后续的乙醇产量。
本发明的第三个方面，提供了对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系在制备生物燃料中的应用。
由于本发明的对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系处理后的纤维物料，在生产生物乙醇时，能够有效促进纤维素的酶解，显著提高葡萄糖转化和后续的乙醇产量；因此，该预处理体系有望在制备生物燃料中得到广泛的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用可循环使用的对甲苯磺酸，结合使用少量次氯酸盐和亚氯酸盐的混合体系处理木质纤维素原料，在温和条件下同时完成木质素和半纤维素的有效脱除以及纤维物料漂白，回避了传统预处理工艺中高温、苛刻的条件。优选条件能够有效促进纤维素的酶解，显著提高葡萄糖转化和后续的乙醇产量。与传统预处理技术相比，该预处理体系温和高效，碳水化合物损失少，对甲苯磺酸可以通过重结晶技术进行回收利用，降低成本。
(2)本申请的操作方法简单、成本低、实用性强，易于规模化生产。
具体实施方式
以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种促进木质纤维素酶解的预处理方法，包括如下步骤：木质纤维素原料与对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系混合均匀，加热至预定温度，反应预定时间后经固液分离，得到富含纤维素固体和预处理液；固体部分洗涤至中性后经干燥得到纤维物料，预处理后纤维物料经酶解后发酵制取生物乙醇。预处理液通过稀释，使木素沉积析出，得到活性木质素。
优选的条件为：预处理体系固液质量比1：6～15；预处理体系中对甲苯磺酸浓度为60～70wt％，次氯酸盐含量0.9～1.1％(有效氯计)，亚氯酸盐含量0.6～0.8wt％(有效氯计)；预处理温度为60～80℃，反应时间为15～45min；预处理后滤液稀释至对甲苯磺酸浓度为10～20wt％以实现木素的沉淀析出。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
以下实施例中，次氯酸盐是指次氯酸钠；
亚氯酸盐是指：亚氯酸钠；
所用酶购自诺维信的纤维素酶(Cellic CTec 2)；
酵母采用市售安琪高活性干酵母，呈颗粒状。其活化方法为:取2‰(g/v)安琪高活性干酵母，加入到20ml 2％的无菌葡萄糖溶液中，并于在30℃条件下活化2h。
实施例1：
杨木与对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系混合均匀，预处理体系固液质量比1：6，预处理体系中对甲苯磺酸浓度为65wt％，次氯酸盐(次氯酸钠)含量0.9％(有效氯计)，亚氯酸盐(亚氯酸钠)含量0.8wt％(有效氯计)；加热至温度80℃，反应30min后经固液分离，得到富含纤维素固体和预处理液；固体部分洗涤至中性后经干燥得到纤维物料，预处理后纤维物料经酶解后发酵制取生物乙醇。预处理液通过稀释至对甲苯磺酸浓度为10～20wt％，使木素沉积析出，得到活性木质素。
将预处理纤维后物料进行纤维素酶解，所用酶购自诺维信的纤维素酶(
Figure BDA0003076279280000051
CTec 2)，酶用量15FPU/g纤维素，50℃下酶解72h。酶解后进行半同步糖化发酵，酶解后按体积比10％的接种量接入活化酵母，于34℃在150rpm摇床转速下培养。酵母采用市售安琪高活性干酵母，呈颗粒状。其活化方法为:取2‰(g/v)安琪高活性干酵母，加入到20ml 2％的无菌葡萄糖溶液中，并于在30℃条件下活化2h。
经预处理，木质素和半纤维素脱除率分别为93.1％和87.6％，脱除效果显著，纤维素得到更好保留(达95.3％)；纤维素酶解72h后酶解效率最高达95.5％，发酵60h实现85.8％的乙醇转化。
作为对比，将杨木原料与对甲苯磺酸溶液混合均匀，以同样酸浓度、温度和时间等条件进行预处理，此体系下木质素、半纤维素脱除率分别为70.7％和72.0％，纤维素保留量为79.3％；纤维素经酶解72h后酶解效率最高仅为80.9％。
实施例2：
杨木与对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系混合均匀，预处理体系固液质量比1：6，预处理体系中对甲苯磺酸浓度为65wt％，次氯酸盐含量0.9％(有效氯计)，亚氯酸盐含量0.7wt％(有效氯计)；加热至温度70℃，反应45min后经固液分离，得到富含纤维素固体和预处理液；固体部分洗涤至中性后经干燥得到纤维物料，预处理后纤维物料经酶解后发酵制取生物乙醇。预处理液通过稀释至对甲苯磺酸浓度为10～20wt％，使木素沉积析出，得到活性木质素。
将预处理纤维后物料进行纤维素酶解，酶用量15FPU/g纤维素，50℃下酶解72h。酶解后进行半同步糖化发酵，酶解后按体积比10％的接种量接入活化酵母，于34℃在150rpm摇床转速下培养。
经预处理，木质素和半纤维素脱除率分别为88.6％和83.7％，脱除效果显著，纤维素得到更好保留(95.9％)；纤维素酶解72h后酶解效率最高达87.4％，发酵60h实现80.1％乙醇转化。
作为对比，将杨木原料与对甲苯磺酸溶液混合均匀，以同样酸浓度、温度和时间等条件进行预处理，此体系下木质素、半纤维素脱除率分别为65.3％和70.1％，纤维素保留量为81.6％；纤维素经酶解72h后酶解效率最高仅为74.5％。
实施例3：
杨木与对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系混合均匀，预处理体系固液质量比1：10，预处理体系中对甲苯磺酸浓度为65wt％，次氯酸盐含量0.9％(有效氯计)，亚氯酸盐含量0.7wt％(有效氯计)；加热至温度70℃，反应15min后经固液分离，得到富含纤维素固体和预处理液；固体部分洗涤至中性后经干燥得到纤维物料，预处理后纤维物料经酶解后发酵制取生物乙醇。预处理液通过稀释至对甲苯磺酸浓度为10～20wt％，使木素沉积析出，得到活性木质素。
将预处理纤维后物料进行纤维素酶解，酶用量15FPU/g纤维素，50℃下酶解72h。酶解后进行半同步糖化发酵，酶解后按体积比10％的接种量接入活化酵母，于34℃在150rpm摇床转速下培养。
经预处理，木质素和半纤维素脱除率分别为85.6％和77.6％，脱除效果显著，纤维素得到更好保留(96.6％)；纤维素酶解72h后酶解效率达82.7％，发酵60h实现76.9％乙醇转化。
作为对比，将杨木原料与对甲苯磺酸溶液混合均匀，以同样酸浓度、温度和时间等条件进行预处理，此体系下木质素、半纤维素脱除率分别为63.3％和69％，纤维素保留量为83.9％；纤维素经酶解72h后酶解效率最高仅为67.5％。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，包括：
采用对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系对木质纤维素进行预处理，反应完成后，固液分离，得到富含纤维素固体和预处理液；
将所述富含纤维素固体洗涤至中性、干燥，得到预处理后的纤维物料；
将所述预处理后的纤维物料进行酶解、发酵，制取生物乙醇；
将所述预处理液进行稀释，使木素沉积析出，得到活性木质素；
所述对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系中，对甲苯磺酸浓度为60~70 wt%，次氯酸盐含量0.9~1.1%以有效氯计，亚氯酸盐含量0.6~0.8 wt%以有效氯计。
2.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，木质纤维素与对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系的固液质量比为1：6~15。
3.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，木质纤维素与对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系的固液质量比为1：6~10。
4.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，预处理温度为60~80°C。
5.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，预处理温度为60~70°C。
6.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，预处理的反应时间为15~45 min。
7.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，预处理的反应时间为15~30min。
8.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，将所述预处理液稀释至对甲苯磺酸浓度为10~20 wt%。
9.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，所述酶解的温度为45~50℃、时间为72~80 h，酶用量为15~18 FPU/g。
10.如权利要求1所述的促进木质纤维素酶解的预处理方法，其特征在于，所述发酵为半同步糖化发酵，酶解后按体积比10~12%的接种量接入活化酵母，摇床培养。
11.对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系在制备生物燃料中的应用；对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系处理后的纤维物料，在生产生物乙醇时，能够有效促进纤维素的酶解，提高葡萄糖转化和后续的乙醇产量；
所述对甲苯磺酸/次氯酸盐/亚氯酸盐体系中，对甲苯磺酸浓度为60~70 wt%，次氯酸盐含量0.9~1.1%以有效氯计，亚氯酸盐含量0.6~0.8 wt%以有效氯计。
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