CN114941254A - 木质纤维素生物质的预处理方法、应用以及提高其酶解效率的方法 - Google Patents

木质纤维素生物质的预处理方法、应用以及提高其酶解效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质纤维素生物质的预处理方法、应用以及提高其酶解效率的方法，是属于木质纤维素生物质预处理领域，在甘油‑水体系的基础上添加L‑半胱氨酸对木质纤维素生物质进行预处理，结束后将其固液分离，用水对滤渣进行洗涤过滤、烘干得预处理后的木质纤维素生物质；然后将其与纤维素酶混合，在特定条件下完成木质纤维素生物质酶解步骤。甘油‑水及L‑半胱氨酸协同预处理步骤破坏了木质纤维素生物质的天然抗降解屏障，提高了纤维素酶和木质纤维素的接触面积，有利于酶解的进行；与现有技术相比，本发明酶解所用酶量较低，为3.0 FPU/g，酶水解得率也较高，达86.20%，为降低木质纤维素酶解成本提供了一种新方法。

Description

木质纤维素生物质的预处理方法、应用以及提高其酶解效率 的方法
技术领域
本发明涉及木质纤维素原料预处理领域，特别涉及一种木质纤维素生物质的预处理方法、应用以及低酶浓度下提高其酶解效率的方法。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，人们对能源的需求日益增加。化石资源作为一种可开发能源已被大量开采，伴随而来的即是化石原料存储量的减少和使用化石原料带来的严重污染。一种新型的清洁绿色能源的开发便成为代替化石资源的方式。生物燃料是可再生能源开发利用的重要方向。木质纤维素生物质是一种存储量大、成本低廉的可再生物质，主要来源于林业、农业和造纸工业废弃物等，玉米秸秆便是高潜在价值的生物质资源之一。每年我国农业生产中产生的玉米秸秆约为3.5亿吨，约占总秸秆的50%。然而，在回收利用过程中，往往有大量的玉米秸秆被扔弃，无法得到利用。因此为应对能源危机、开发新的绿色清洁能源，以玉米秸秆为原料进行生物炼制具有重大意义。
木质纤维素主要由纤维素、半纤维素以及木质素组成。三者形成的致密结构及天然抗降解屏障使得人们无法直接利用纤维素，降低可发酵糖的获取性。为应对这一问题，人们通过物理、化学、生物等方法对木质纤维素进行预处理，以期实现生物质高效高值转化。人们常用酸碱试剂对木质纤维素生物质进行预处理，但酸碱预处理往往会腐蚀设备，同时产生复杂具有毒性的抑制物，降低酶解效率。同时经过酸碱预处理后，生物质酶解所需纤维素酶往往在10 FPU/g以上，大大提高了生产成本。因此一个经济高效的木质纤维素预处理方式将有助于实现工业化生产。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种木质纤维素生物质的预处理方法、应用以及低酶浓度下提高其酶解效率的方法，通过在甘油-水体系中添加L-半胱氨酸形成的预处理液对木质纤维素生物质进行预处理，能够有效降低预处理腐蚀性，大大降低了后期酶解时所需的纤维素酶用量，提高酶解效率，降低酶解成本。
技术方案：本发明提供了一种木质纤维素生物质的预处理方法，在甘油-水体系的基础上添加L-半胱氨酸作为预处理液，将原木质纤维素生物质与所述预处理液添加入反应釜内进行预处理，预处理结束后将其固液分离，获取滤渣，将所述滤渣洗涤至中性后，过滤、烘干，得预处理后的木质纤维素生物质。
优选地，所述原木质纤维素生物质与所述预处理液的固液质量比为1:10-1:15。
优选地，所述L-半胱氨酸的添加量为所述原木质纤维素生物质的0.5-2 wt%。
优选地，所述预处理的条件为：预处理温度为100-220℃，预处理时间为0.5-2 h。
优选地，所述甘油-水体系中，甘油的占比为20-80 wt%。
优选地，所述原木质纤维素生物质为玉米秸秆，机械搅拌并过40目筛。
本发明还提供了一种所述的预处理方法处理得到的木质纤维素生物质在低酶浓度下提高木质纤维素生物质酶解效率中的应用。
本发明还提供了一种低酶浓度下提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，将预处理后的木质纤维素生物质加入到由纤维素酶、乙酸钠缓冲液和水组成的酶解体系中进行酶解。
优选地，所述酶解的条件为：pH为4.8-5.0，温度为45~55℃，酶解时间60~80 h。
优选地，所述纤维素酶的用量为2.5~3.5 FPU/g预处理后的木质纤维素生物质；和/或，所述乙酸钠缓冲液的浓度为0.1~0.3 mol/L；和/或，所述预处理后的木质纤维素生物质与所述酶解体系的质量体积比为3:100~5:100（即3~5 g木质纤维素生物质与100 mL酶解体系混合）。
有益效果：本发明是提高木质纤维素生物质酶解效果的预处理方法，在预处理阶段，通过在甘油-水体系中添加适量的L-半胱氨酸对木质纤维素生物质进行预处理，能够有效降低预处理腐蚀性。甘油-水及L-半胱氨酸协同预处理步骤破坏了木质纤维素生物质的天然抗降解屏障，提高了纤维素酶和纤维素的接触面积，有利于酶解的进行；预处理完成后，使用低浓度的纤维素酶即可以有效提高木质纤维素生物质的酶解效率，达到低成本高效率的目的。试验结果表明，在纤维素酶的添加量仅为3.0 FPU/g底物的条件下，与未经预处理的原木质纤维素生物质酶解效果相比，本发明的预处理方法使得葡萄糖酶解得率由17.30%提高至86.20%，大大降低了后期酶解时所需的纤维素酶用量，提高酶解效率，降低酶解成本。
附图说明
图1为不同预处理条件下玉米秸秆的酶解效率柱状图；
图2为玉米秸秆在不同预处理条件下的扫描电镜图；
图3为玉米秸秆在不同预处理条件下XRD结晶度谱图；
图4为玉米秸秆在不同预处理条件下的傅里叶红外光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施例1（对比例-80%甘油-水体系-220℃-0.5h）
使用甘油质量分数占80%的甘油-水体系作为预处理液，将预处理液和待处理的原玉米秸秆加入到反应釜内（原玉米秸秆事先用经粉碎处理并过40目筛），原玉米秸秆与预处理液的固液质量比为1:14，在220℃条件下对原玉米秸秆预处理0.5 h；固液分离后得到滤渣；将滤渣用水洗涤至中性后，过滤、烘干至恒重，得到绝干的预处理后的玉米秸秆。利用NREL标准方法测定玉米秸秆中的葡聚糖、木聚糖和木质素含量。
配置浓度为0.2 mol/L的乙酸钠缓冲液，将乙酸钠缓冲液、水和与纤维素酶混合后制成酶解体系，然后将预处理后的玉米秸秆与前述酶解体系混合，其中的纤维素酶的用量为3.0 FPU/g预处理后的玉米秸秆；预处理后的玉米秸秆与酶解体系的质量体积比为4:100。然后在50℃、pH为4.8-5.0条件下酶解72 h。
酶解结束后离心取上清，将部分上清液稀释适当倍数，使用生物传感仪测定葡萄糖浓度。
葡萄糖酶解得率(%)=m酶解葡萄糖量×0.90/m葡聚糖含量×100%
实施例2（80%甘油-水体系-1% L-半胱氨酸-220℃-0.5h）
向甘油质量分数占80%的甘油-水体系中添加占原玉米秸秆质量1%的L-半胱氨酸制备成预处理液，将预处理液和待处理的原玉米秸秆加入到反应釜内（原玉米秸秆事先用经粉碎处理并过40目筛），原玉米秸秆与预处理液的固液质量比为1:14，在220℃条件下对原玉米秸秆预处理0.5 h；固液分离后得到滤渣；将滤渣用水洗涤至中性后，过滤、烘干至恒重，得到绝干的预处理后的玉米秸秆。
配置浓度为0.2 mol/L的乙酸钠缓冲液，将乙酸钠缓冲液、水和与纤维素酶混合后制成酶解体系，然后将预处理后的玉米秸秆与前述酶解体系混合，其中的纤维素酶的用量为3.0 FPU/g预处理后的玉米秸秆；预处理后的玉米秸秆与酶解体系的质量体积比为4:100。然后在50℃、pH为4.8-5.0条件下酶解72 h。
酶解结束后离心取上清，将部分上清液稀释适当倍数，使用生物传感仪测定葡萄糖浓度。
葡萄糖酶解得率(%)=m酶解葡萄糖量×0.90/m葡聚糖含量×100%
实施例3（80%甘油-水体系-1.5% L-半胱氨酸-220℃-0.5h）
本实施例与实施例2大致相同，不同点仅在于，本实施例中在预处理液中添加占原玉米秸秆质量1.5%的L-半胱氨酸。除此之外，本实施例与实施例2完全相同，此处不再赘述。
实施例4（80%甘油-水体系-0.5% L-半胱氨酸-220℃-1h）
本实施例与实施例2大致相同，不同点仅在于，本实施例中在预处理液中添加占原玉米秸秆质量0.5%的L-半胱氨酸，预处理时间为1 h。除此之外，本实施例与实施例2完全相同，此处不再赘述。
实施例5（80%甘油-水体系-2% L-半胱氨酸-220℃-1h）
本实施例与实施例2大致相同，不同点仅在于，本实施例中在预处理液中添加占原玉米秸秆质量2%的L-半胱氨酸，预处理时间为1 h。除此之外，本实施例与实施例2完全相同，此处不再赘述。
对原玉米秸秆以及实施例1至5中经过预处理后得到的固体样品，分别测定其中的葡聚糖、木聚糖和木质素含量，结果如下表1：
表1
Figure 25183DEST_PATH_IMAGE002
上表1为在不同预处理条件下玉米秸秆生物质组分的变化。实验结果表明，未处理的原玉米秸秆中葡聚糖占比30.70%，木聚糖占比21.17%，木质素占比24.38%。在甘油-水体系（实施例1）以及甘油-水-L-半胱氨酸体系（实施例2至5）的预处理下，玉米秸秆中葡聚糖和木质素含量增加，木聚糖含量显著下降。同时经过协同预处理后，大部分的木聚糖被水解，35-46%的木质素被脱除。
图1可见，原玉米秸秆在酶解72 h后葡萄糖酶解得率达到17.30%，葡萄糖产量为5.89 g/100 g底物；而在实施例1（对比例-80%甘油-水体系-220℃-0.5 h）预处理条件下，葡萄糖酶解得率达到75.97%，葡萄糖产量为18.01 g/100g底物，酶解效果有了很大提高，达到了原玉米秸秆酶解效率的3.06倍。实施例2（80%甘油-水体系-1%L-半胱氨酸-220℃-0.5h）预处理条件下，添加3.0 FPU/g纤维素酶酶解72 h葡萄糖酶解得率达到86.20%，葡萄糖产量20.80 g/100g底物，酶解效率是实施例1（对比例-80%甘油-水体系-220℃-0.5 h）预处理酶解效率的1.16倍，比原玉米秸秆酶解效率提高了2.53倍，酶解效率大大提高。
图2为原玉米秸秆、实施例1（甘油-水体系）以及实施例2至5中任一实施例（甘油-水-L-半胱氨酸体系）的条件下的扫描电镜图像。原样表面光滑平整，结构致密，抗降解屏障完整；经过甘油预处理后，玉米秸秆出现了裂纹及气孔，抗降解屏障结构已经被破坏；而添加L-半胱氨酸预处理后，玉米秸秆表面气孔进一步扩大，增大了纤维素酶的接触面积，疏松化程度明显，抗降解屏障进一步被破坏，因此酶解效率和葡萄糖产量得到了提高。
图3为不同条件下的XRD结晶度谱图；原玉米秸秆的结晶度为30.13%，实施例1（对比例-80%甘油-水体系-220℃-0.5h）预处理后结晶度提高为44.19%，添加L-半胱氨酸预处理后（实施例2至5中任一实施例）结晶度为44.75%。结晶度提高的原因是玉米秸秆中的半纤维素组分以及部分木质素组分被降解，使得纤维素组分占比增加，因此破坏了玉米秸秆的天然抗降解屏障，酶解效率得到了提高。
图4为不同条件下玉米秸秆的傅里叶红外光谱图，测定波数为4000-400 cm-1。光谱图表明经过实施例1或实施例2的预处理液的预处理后，玉米秸秆结构中的主要基团并没有发生较大变化，但各基团的透射率发生了改变。在3343和1053 cm-1出现强吸附带，证明不同预处理条件下的木质纤维素生物质中的纤维素结构仍保持完整；在898 cm-1处依旧存在着吸附带，这也表明预处理手段没有破坏单糖的β-糖苷键；经过预处理液的预处理后，在1734和1248 cm-1处强度逐渐消失，这证明预处理后半纤维素和乙酰基已经逐步被脱除；而经过预处理后，1510 cm-1处吸收峰却提高了，这表明木质素的组分占比提高了，也与实验结果相一致；从光谱图可以看出预处理手段有效提高了纤维素组分，去除了半纤维素组分，破坏了生物质的天然抗降解屏障，有利于低酶浓度下的高效酶解。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种木质纤维素生物质的预处理方法，其特征在于，在甘油-水体系的基础上添加L-半胱氨酸作为预处理液，将原木质纤维素生物质与所述预处理液添加入反应釜内进行预处理，预处理结束后将其固液分离，获取滤渣，将所述滤渣洗涤至中性后，过滤、烘干，得预处理后的木质纤维素生物质。
2.根据权利要求1所述木质纤维素生物质的预处理方法，其特征在于，所述原木质纤维素生物质与所述预处理液的固液质量比为1:10-1:15。
3. 根据权利要求1所述木质纤维素生物质的预处理方法，其特征在于，所述L-半胱氨酸的添加量为所述原木质纤维素生物质的0.5-2 wt %。
4. 根据权利要求1所述木质纤维素生物质的预处理方法，其特征在于，所述预处理的条件为：预处理温度为100-220℃，预处理时间为0.5-2 h。
5. 根据权利要求1所述木质纤维素生物质的预处理方法，其特征在于，所述甘油-水体系中，甘油的占比为20-80 wt%。
6.根据权利要求1至5中任一项所述木质纤维素生物质的预处理方法，其特征在于，所述原木质纤维素生物质为玉米秸秆，机械搅拌并过40目筛。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的预处理方法处理得到的木质纤维素生物质在低酶浓度下提高木质纤维素生物质酶解效率中的应用。
8.一种低酶浓度下提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，将预处理后的木质纤维素生物质加入到由纤维素酶、乙酸钠缓冲液和水组成的酶解体系中进行酶解。
9. 根据权利要求8所述的低酶浓度下提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，所述酶解的条件为：pH为4.8-5.0，温度为45~55℃，酶解时间60~80 h。
10. 根据权利要求8或9所述的低酶浓度下提高木质纤维素生物质酶解效率的方法，其特征在于，所述纤维素酶的用量为2.5~3.5 FPU/g预处理后的木质纤维素生物质；
和/或，所述乙酸钠缓冲液的浓度为0.1~0.3 mol/L；
和/或，所述预处理后的木质纤维素生物质与所述酶解体系的质量体积比为3:100~5:100。
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