CN115287313A - 一种木质纤维素酶解产物的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种木质纤维素酶解产物的制备方法及其应用。本发明从仿生学角度出发，根据周期刺激作用原理，耦合球体作用力及表面活性剂，提出了一种林木生物质周期作用协同强化制备可发酵糖及其发酵的方法。本发明可以有效缓解木质纤维素高固体系的“固体基质效应”，促进质热传递，加速液化过程，缩短酶解发酵周期，提高酶解发酵效率，从而达到制备可发酵糖及发酵利用的目的。本发明的方法具有工艺简单、节能低耗、绿色环保、低成本的优势，适用于林木生物质的酶解发酵、产物提取等，且易于工业化应用。

Description

一种木质纤维素酶解产物的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于木质纤维素处理技术领域，涉及一种木质纤维素酶解产物的制备方法及其应用。
背景技术
林木生物质能作为重要的可再生能源，具有储量大、清洁可再生等特点，是重要的可再生资源之一。林木生物质“糖平台”研发指将原料分解成单糖组分，其目标是获得廉价的糖，以开发生物燃料、化学品和其它材料。制备高浓度的可发酵糖及其发酵是林木生物质生物炼制的重要环节及关键步骤。林木生物质高固酶解发酵在制备高浓度可发酵糖环节中具有以下优势：一是提高了产物浓度，通过增加固形物含量以提高产物浓度，节约了后续处理成本；二是节约水耗，高固体系中水分含量较少，不仅可以减少水耗成本，还可以大幅度降低污水处理操作步骤和费用；三是增加装料系数，可以充分利用设备体积，降低反应器的放大规模，直接减少设备投资和折旧费用。虽然高固体系转化优势明显，但其面临的“高固效应”，即随着固体含量增加，转化率降低的问题不容忽视。
CN111118081A公开了一种葡萄糖助球磨提高木质纤维素酶解糖化效率的方法及其应用，包括原料粉碎，有机溶剂抽提脱脂，与氢氧化钠溶液混合反应，球磨后酶解等步骤，但有机溶剂抽提脱脂及球磨大大增加了预处理及酶解过程中试剂的成本及能耗，不利于产业化的放大及推广。
CN107177645A公开了一种利用两性表面活性剂促进木质纤维素酶解及降温回收纤维素酶的方法，该方法利用两性表面活性剂具有临界溶解温度及pH的特性，有效地提高木质纤维素的酶解效率，回收一定的纤维素酶；但是所使用的表面活性剂仅限于两性表面活性剂，表面活性剂及纤维素酶的回收需要冷冻条件或调节pH，增加了单元操作及设备能耗等成本，且该方法使用于固形物含量低于15％的酶解体系，并不适配于高固酶解过程。
CN106884027A公开了一种强化木质纤维素酶解糖化的方法，通过添加毛发蛋白，耦合辐照处理，达到强化木质纤维素酶解糖化的效果，但由于毛发在添加前均需要进行加工处理，且辐照需要特定的环境及设备，大大增加了木质纤维素炼制过程的能耗和成本，很大程度上限制了工业化的放大与推广。
综上所述，这些方法均在一定程度上提高了木质纤维素的酶解效率，但是操作程序复杂不易控制、处理成本较高，同时也并不适配于高固酶解过程，因此，考虑到实际应用时的经济利益以及应用范围，开发出一种操作简易、成本低廉，且适用于林木生物质高固酶解体系的方法是非常有意义的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种木质纤维素酶解产物的制备方法及其应用，所述方法具有工艺简单、节能低耗、绿色环保和低成本的优势，适用于木质纤维素的酶解发酵、产物提取，且易于工业生产。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述木质纤维素酶解产物的制备方法包括：将经过预处理的林木生物质原料置于弹性容器中，添加球体及表面活性剂，再加入缓冲液及酶制剂，将弹性容器置于周期作用反应器中，酶解后即得。
基于仿生学原理研发的周期作用工艺是一种高效强化林木生物质高固酶解的方式，其基于周期法向作用力效果，不仅能引起基质的周期形变，强化多孔介质流体的周期流动性，增加并加速了酶促反应可及性，提高酶解速率和酶解转化率，还提高了能量利用率。本发明的方法从仿生学角度出发，根据周期刺激作用原理，耦合球体作用力及表面活性剂，可以有效缓解林木生物质高固酶解的“固体基质效应”，促进质热传递，加速液化过程，缩短酶解周期，提高酶解效率，从而达到制备高浓度可发酵糖的目的。
优选地，所述林木生物质原料包括木材、竹材或藤本原料中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述木材包括桉木、杨木、松木、杉木或槐木中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述预处理的方法包括机械粉碎、球磨、蒸汽爆破、水热处理、酸/碱水解、白腐菌生物降解中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述弹性容器的材料包括硅橡胶、乳胶、凝胶、离子型薄膜聚合物、电导聚合物、电子伸缩聚合物中的任意一种或至少两种的组合。
本发明中所选用的弹性容器可回收重复利用，且所用材质常见，价格低廉，可有效降低工艺成本。
优选地，控制弹性容器膨胀与收缩的物质包括气体、液体、刚性物体或电导体中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述弹性容器膨胀前与膨胀后的体积比为1:(50-500)，例如可以是1:60、1:100、1:150、1:200、1:250、1:300、1:350、1:400、1:450等。
本发明中，设置弹性容器膨胀前与膨胀后的体积比为1:(50-500)，在此范围内，原料在周期蠕动过程中的受力范围更大，进而质热传递更均匀，能有效提高酶解效果。
优选地，所述球体的材质包括不锈钢、硅胶、橡胶、乳胶或石英中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述球体与膨胀前的弹性容器的体积比为1:(5-50)，例如可以是1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:45等。
优选地，所述表面活性剂包括聚山梨酯(吐温)、硬脂酸、脂肪酸甘油酯、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述表面活性剂与林木生物质原料的质量比为1:(10-100)，例如可以是1:20、1:30、1:40、1:50、1:60、1:70、1:80、1:90等。
作为本发明的优选技术方案，当原料与表面活性剂的质量比在本发明特定选择的范围时，表面活性剂可以有效减小酶解过程中外部作用力对酶结构的破坏，且能够有效避免木质素对酶的无效吸附，当表面活性剂的量过少时，外部作用对酶的破坏严重，进而影响最终的酶解效率；当表面活性剂过多时，上述有益效果增加不明显，且增大了工艺成本。
优选地，所述周期作用反应器的作用力包括盘磨、振摇、挤压或揉搓中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述周期作用反应器为水浴周期作用反应器或空气周期作用反应器。
优选地，所述周期作用反应器为水浴周期作用反应器。
作为本发明优选的技术方案，所述方法中采用水浴周期作用反应器时能更好地进行质热传递，同时水也对施加在弹性容器上的周期作用力予以缓冲，减少机械臂对弹性容器的磨损。
优选地，所述弹性容器最大的膨胀体积与周期作用反应器的体积比为1:(2-200)，例如可以是1:5、1:10、1:30、1:50、1:80、1：20、1:150、1:180等
优选地，所述周期作用反应器的周期作用频率为50-150rpm，例如可以是60rpm、70rpm、90rpm、100rpm、120rpm、140rpm等。
本发明中，周期作用反应器的作用频率在50-150rpm时，不仅能引起基质的周期形变，强化多孔介质流体的周期流动性，还能增加并加速了酶促反应可及性，提高酶解速率和酶解转化率。
优选地，所述酶解时体系中的固形物含量为15-60％，例如可以是20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％等。
优选地，所述酶解过程的酶用量为5-20FPU/g DM，例如可以是6FPU/g DM、8FPU/gDM、10FPU/g DM、12FPU/g DM、15FPU/g DM、17FPU/g DM、19FPU/g DM等。
优选地，所述酶解过程的温度为45-55℃(例如可以是46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃等)，时间为24-96h(例如可以是30h、36h、42h、48h、54h、60h、72h、84h、90h等)。
上述各项数值范围内的其他具体点值均可选择，在此便不再一一赘述。
第二方面，本发明提供了一种可发酵糖，所述可发酵糖由第一方面提供的所述木质纤维素酶解产物的制备方法制备得到。
优选地，所述可发酵糖的种类包括葡萄糖、木糖、果糖或阿拉伯糖中的任意一种。
第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述的可发酵糖在制备乙醇、丁醇、乳酸、乙偶姻、氨基酸或酶制剂中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、采用了弹性材料容器及球体作为周期作用介质，所用介质价格低廉且可回收重复利用。
2、表面活性剂可以有效减小外部机械作用对酶结构的破坏，能有效避免木质素对酶的无效吸附。
3、采用周期作用工艺可有效提高酶解体系固形物含量，促进质热传递，加速液化过程，缩短酶解周期，提高酶解效率。
4、工艺简单、设备要求低，易于过程放大。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。
实施例1
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将杨木片通过粗粉碎处理，形成相对均匀的0.1cm×1cm的木屑，然后经过蒸汽爆破预处理，蒸汽爆破条件为1.0MPa，维持时间为20min，将预处理后的物料干燥后备用；
2)取10g步骤1)中预处理后的物料置于直径50cm3的硅胶袋内，所述硅胶袋膨胀后的最大体积为5000cm3；
3)向硅胶袋中加入直径均为1cm的不锈钢球、硅胶球及石英球各5粒，然后加入吐温80，其中步骤2)中吐温80与物料的质量比为1:30；
4)向步骤3)的物料中加入以15FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量达到40％；
5)将硅胶袋置于10dm3水浴周期作用反应器中，其中周期作用频率为100rpm，50℃下反应72小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例2
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将桉木片通过粗粉碎处理，形成相对均匀的0.1cm×2cm的木屑，然后经过水热预处理，水热条件为170℃，维持时间为60min，1％的冰醋酸作为催化剂，将预处理后的物料干燥后备用；
2)取10g步骤1)中预处理后的物料置于直径50cm3的硅胶袋内，所述硅胶袋膨胀后的最大体积为2500cm3；
3)向硅胶袋中加入直径为1cm的不锈钢球10粒，然后加入十二烷基苯磺酸钠，其中步骤2)中十二烷基苯磺酸钠与物料的质量比为1:100；
4)向步骤3)的物料中加入5FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量为15％；
5)将硅胶袋置于25dm3的水浴周期作用反应器中，其中周期作用频率为50rpm，在45℃下反应96小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例3
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法为：
1)将竹片通过粗粉碎处理，形成相对均匀的0.1cm×2cm的竹屑，然后经过机械粉碎预处理并通过40目的标准筛，将预处理后的物料干燥后备用；
2)取10g步骤1)中预处理后的物料置于直径50cm3的硅胶袋内，所述硅胶袋膨胀后的最大体积为25dm3；
3)向硅胶袋中加入直径均为1cm的不锈钢球和硅胶球各5粒，然后加入卵磷脂，其中步骤2)中卵磷脂与物料的质量比为1:10；
4)向步骤3)的物料中加入20FPU/g DM纤维素酶并加入pH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，固形物含量为60％；
5)将硅胶袋置于5m3水浴周期作用反应器中，其中周期作用频率为150rpm，55℃下反应36小时，收集得到木质纤维素酶解产物。
实施例4
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤3)中表面活性剂的添加量为：吐温80与物料的质量比为0.1:100，并保持物料的质量不变；其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤3)中表面活性剂的添加量为：吐温80与物料的质量比为15:100，并保持物料的质量不变；其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤5)中周期作用频率为30rpm，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤5)中周期作用频率为180rpm，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤5)中周期作用反应器为空气周期作用反应器，其他步骤及参数与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1区别仅在于步骤2)中所述硅胶袋膨胀后的最大体积为100cm3，其他步骤及参数与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1的区别在于用水浴摇床替代步骤5)中水浴周期作用反应器，其余步骤及参数与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1的区别在于步骤3)为：向硅胶袋中仅加入吐温80，不加入球体，其中物料与吐温80的固液比为5％(w/v)；
其余步骤及参数与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种木质纤维素酶解产物的制备方法，所述方法与实施例1的区别在于步骤3)为：向硅胶袋中仅加入直径均为1cm的不锈钢球、硅胶球及石英球各5粒，不加入表面活性剂，其余步骤及参数与实施例1相同。
实施例1-9和对比例1-3的酶解率如表1，所述酶解率的计算方法为：
酶解率(葡萄糖得率)＝酶解产物中葡萄糖生产量(g)×0.9×100％÷原料中纤维素的质量(g)
表1：木质纤维素酶解率
Figure BDA0003669269640000091
Figure BDA0003669269640000101
通过实施例1-3的效果数据可知，林木生物质通过本发明的方法得进行酶解后，葡萄糖得率高达89.5％，说明所述方法具有酶解效率高的优点；
由实施例4和5可知，当表面活性剂的添加量过多或过少时，木质纤维素酶解后，葡萄糖得率为84.8％或83.3％，有所下降；通过实施例6-7可知，周期作用反应器的作用频率过小时，原料的酶解率有所下降，而作用频率过大时，虽说酶解率有所提升，但提升效果并不明显，且所需能量更高；由实施例8可知，相较于空气水溶周期作用反应器，采用水浴周期作用反应器时，最终木质纤维素的酶解效率要更好；由实施例9可知，当弹性容器的最大膨胀体积过小时，木质纤维素酶解后，葡萄糖得率为83.8，也有所下降，这是由于膨胀体积过小时，影响原料的周期蠕动效果，进而影响酶解效率；由对比例1可知，当用普通的水浴摇床替代周期作用反应器时，木质纤维素酶解后葡萄糖得率为75.4％，出现明显下降；由对比例2和3可知，所述方法中球体和表面活性剂的添加对提高木质纤维素的酶解效率也有较大影响。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的一种木质纤维素酶解产物的制备方法及其应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述木质纤维素酶解产物的制备方法包括：将经过预处理的林木生物质原料置于弹性容器中，添加球体及表面活性剂，再加入缓冲液及酶制剂，将弹性容器置于周期作用反应器中，酶解后即得。
2.根据权利要求1所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述林木生物质原料包括木材、竹材或藤本原料中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述木材包括桉木、杨木、松木、杉木或槐木中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述预处理的方法包括机械粉碎、球磨、蒸汽爆破、水热处理、酸/碱水解、白腐菌生物降解中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述弹性容器的材料包括硅橡胶、乳胶、凝胶、离子型薄膜聚合物、电导聚合物、电子伸缩聚合物中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，控制弹性容器膨胀与收缩的物质包括气体、液体、刚性物体或电导体中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述弹性容器膨胀前与膨胀后的体积比为1:(50-500)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述球体的材质包括不锈钢、硅胶、橡胶、乳胶或石英中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述球体与弹性容器的体积比为1:(5-50)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂包括聚山梨酯、硬脂酸、脂肪酸甘油酯、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述表面活性剂与林木生物质原料的质量比为1:(10-100)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述周期作用反应器的作用力来源包括盘磨、振摇、挤压或揉搓中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述周期作用反应器为水浴周期作用反应器或空气周期作用反应器；
优选地，所述弹性容器最大的膨胀体积与周期作用反应器的体积比为1:(2-200)；
优选地，所述周期作用反应器的周期作用频率为50-150rpm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的木质纤维素酶解产物的制备方法，其特征在于，所述酶解时体系中的固形物含量为15-60％；
优选地，所述酶解的过程中酶制剂的用量为5-20FPU/g DM；
优选地，所述酶解的温度为45-55℃，时间为24-96小时。
9.一种可发酵糖，其特征在于，所述可发酵糖由权利要求1-8中任一项所述的木质纤维素酶解产物的制备方法制备得到；
优选地，所述可发酵糖的种类包括葡萄糖、木糖、果糖或阿拉伯糖中的任意一种。
10.一种根据权利要求9所述的可发酵糖在制备乙醇、丁醇、乳酸、乙偶姻、氨基酸或酶制剂中的应用。
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CN115627277A (zh) * 2022-11-18 2023-01-20 中国科学院过程工程研究所 一种秸秆高固酶解固态发酵2,3-丁二醇的方法

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