CN115652673A - 一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法 - Google Patents

一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法 Download PDF

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CN115652673A CN202211243150.6A CN202211243150A CN115652673A CN 115652673 A CN115652673 A CN 115652673A CN 202211243150 A CN202211243150 A CN 202211243150A CN 115652673 A CN115652673 A CN 115652673A
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詹鹏
童登辉
卿彦
黄一磊
刘进
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Abstract

本发明公开了一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：1)将原木纤维原料粉碎成杨木屑；2)将渗透剂加入质量浓度为1.5～2.5wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，将所述杨木屑加入混合浸渍液中进行浸渍；3)将浸渍完成后的杨木屑进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣。本发明实现了杨木纤维的绿色高效低毒拆解分离，无需特定保藏的菌种进行发酵培养的工序，处理后的杨木纤维物理结构破坏严重，成分变化明显，拆解分离效果较好，半纤维素基本降解，酶解之后纤维素的结晶度显著降低，酶解糖化率有明显提升。

Description

一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法
技术领域
本发明涉及生物化工及生物能源技术领域，具体涉及一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法。
背景技术
杨木作为阔叶材的一种，具有分布广泛、适应性强、生长迅速、纤维素含量高等特点，在世界范围内被广泛种植并应用于生物质转化。杨木纤维是转化成生物乙醇的重要原料，杨木纤维转化成生物乙醇包括原料预处理、酶解、发酵和生物乙醇提纯等工序，由于纤维素酶的可及度受到木材复杂的物理和化学结构的阻碍，导致酶解和发酵效率低，原生木材的酶促水解产生的葡萄糖量微乎其微，严重制约了后续转化生物乙醇的效率，增加了生产成本。
蒸汽爆破作为能显著改善预处理后木质纤维酶水解特性的预处理工艺之一，广泛应用于木质纤维素生物质的物理化学预处理过程，与其他预处理手段相比，它具有显着降低对环境的影响、降低成本投资、提高能源利用效率、减少危险的工艺化学品使用等主要优势。然而依旧存在酸浸时间长，预处理条件苛刻，酶解发酵抑制物较多等劣势。公开号为CN104293861B的中国专利公开了一种稀磷酸结合汽爆预处理改进木质纤维酶解糖化的方法，其利用特定保藏的黑曲霉C112进行液体发酵生产β-葡萄糖苷酶，在一定培养条件下，所得β-葡萄糖苷酶酶活力可达15.496IU/ml，将黑曲霉C112生产的β-葡萄糖苷酶与里氏木霉RUT C30生产的纤维素酶进行酶系复合，制备出高活性复合纤维素酶。该方法能有效提高木质纤维酶解糖化率，进而提升发酵后的乙醇得率，然而该方法需要特定的黑曲霉才能实现，且对黑曲霉的培养要求较高，操作复杂，生产成本高。
因此本发明旨在对传统的杨木纤维处理方法进行改进，从而解决杨木纤维拆解分离效率低、周期长、预处理及酶解条件苛刻、伴生抑制物多、酶解糖化率低等关键技术难题，提供一种操作简易、绿色、高效、低毒的杨木纤维的方法。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成杨木屑，杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂加入质量浓度为1.5～2.5wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为1.0～2.5v/v％；将所述杨木屑加入混合浸渍液中进行浸渍；
3)将浸渍完成后的杨木屑进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为1.8～2.4MPa，维压时间为120～300s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为45～55℃、酶解时间为80～90h。
进一步地，步骤1)中，所述杨木屑宽1～3mm，长3～13mm。
进一步地，步骤2)中，杨木屑与混合浸渍液的固液比为1：2～8，浸渍时间为1～3h。
进一步地，所述渗透剂为JFC-M。
进一步地，步骤4)中，所述复合酶中固含量为4～6％，复合酶中纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的比例为1.6:1；所述纤维素酶的酶活为180～200FPU/mL，滤纸酶活为8～12FPU/g；所述β-葡萄糖苷酶的酶活为15～25U/mL，滤纸酶活为4～8U/g。
进一步地，步骤4)中，所述复合酶中固含量为5％，复合酶中纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的比例为1.6:1；所述纤维素酶的酶活为191FPU/mL，滤纸酶活为10FPU/g；所述β-葡萄糖苷酶的酶活为20U/mL，滤纸酶活为6U/g。
进一步地，步骤4)中，酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
进一步地，将步骤3)所述的残渣烘干检测并计算纤维素拆解分离得率和半纤维素去除率，所述纤维素拆解分离得率大于90％，所述半纤维素去除率大于99％。
进一步地，将步骤4)中酶解完成后得到的酶解液进行还原糖检测，并计算酶解糖化率，酶解糖化率大于76％。
有益效果：本发明所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，实现了杨木纤维的绿色高效低毒拆解分离，无需特定保藏的菌种进行发酵培养，实际应用更为灵活与广泛，且能显著提升了预处理后杨木纤维的酶解糖化率，具有较大的应用前景。
本发明通过在预处理浸渍过程中加入非离子型渗透剂JFC-M对杨木原料进行浸渍，并对浸渍条件进行针对性控制，从而促进磷酸药液快速对杨木纤维表面及内部进行润湿，使其结构蓬松，提升蒸汽爆破效果，JFC-M为耐高温、耐强酸强碱、无生物毒性的绿色渗透剂，相比现有的预处理添加剂具有较大的应用潜力。本发明在保证高的纤维素拆解分离得率的前提下显著提升了半纤维素去除率，木质素去除率也有部分提升，酶解糖化率有较大提升。
本发明处理后的杨木纤维物理结构破坏严重，成分变化明显，拆解分离效果较好，半纤维素基本降解，酶解之后纤维素的结晶度显著降低，酶解糖化率有明显提升，且预处理周期短，爆破条件温和，符合绿色、低毒、高效的行业标准，为后续酶解发酵产乙醇提供更为优质的底物。
附图说明
图1为对比例1～4、实施例1～3的实验结果对照图(一)。
图2为对比例1～4、实施例1～3的实验结果对照图(二)。
图3为对比例1、2、5，实施例2、4、5、6实验结果对照图(一)。
图4为对比例1、2、5，实施例2、4、5、6实验结果对照图(二)。
图5为对比例1、2、6，实施例2、7、8、9实验结果对照图(一)。
图6为对比例1、2、6，实施例2、7、8、9实验结果对照图(二)。
图7为对比例1、2、7，实施例2、10、11、12实验结果对照图(一)。
图8为对比例1、2、7，实施例2、10、11、12实验结果对照图(二)。
图9为对比例1、2、3、4，实施例1、2、3的实验结果对照图。
图10为对比例5，实施例2、3、5、6的实验结果对照图。
图11为对比例6，实施例2、7、8、9的实验结果对照图。
图12为对比例7，实施例2、10、11、12的实验结果对照图。
图13为原料(a、a1、a2)、对比例2(b、b1、b2)及实施例2(c、c1、c2)的固体产物扫描电镜(SEM)图(放大倍数依次为5000、2000、1000倍)。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为1.5wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例2
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例3
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.5wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例4
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为1.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例5
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为1.5v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例6
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.5v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例7
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为1.8MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例8
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.0MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例9
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.4MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例10
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为120s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例11
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为240s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例12
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为2.0v/v％；将80g所述杨木屑加入混合浸渍液中搅拌混合均匀并在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为300s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例1
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)称取80g所述杨木屑加入纯水中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例2
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)称取80g杨木屑加入质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例3
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为0.5wt％的磷酸溶液中配置成JFC-M的体积浓度为2.0v/v％的混合浸渍液，称取80g杨木屑加入混合浸渍液中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例4
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为1.0wt％的磷酸溶液中配置成JFC-M的体积浓度为2.0v/v％的混合浸渍液，称取80g杨木屑加入混合浸渍液中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例5
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中配置成JFC-M的体积浓度为0.5v/v％的混合浸渍液，称取80g杨木屑加入混合浸渍液中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例6
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中配置成JFC-M的体积浓度为2.0v/v％的混合浸渍液，称取80g杨木屑加入混合浸渍液中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为1.6MPa，维压时间为180s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
对比例7
一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成宽1～3mm、长3～13mm杨木屑，自然风干使杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂JFC-M加入到质量浓度为2.0wt％的磷酸溶液中配置成JFC-M的体积浓度为2.0v/v％的混合浸渍液，称取80g杨木屑加入混合浸渍液中，搅拌混合均匀在室温下浸渍2h；
3)将浸渍完成后的杨木屑置于蒸汽爆破机内进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为2.2MPa，维压时间为60s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；收集爆破浸出液和固体残渣，测定爆破浸出液中的木糖和葡萄糖浓度，将残渣烘干至恒重测其含水量及纤维素、半纤维素、木质素含量，并计算固体回收率、纤维素拆解分离得率、半纤维素及木质素去除率；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
实施例1～15以及对比例1～7的对照结果见图1～图13所示。
从上述实施例和对比例的爆破后浸出液中结果检测如附图1～13所示。
如图1和图2所示，预处理液体产物中的葡萄糖和木糖含量主要分别反映纤维素和半纤维素的去除，根据图1中对比例1～4、实施例1～3实验结果可以看出随着H3PO4浓度的增加，爆破液体产物中葡萄糖含量略有增加，实施例3中当H3PO4浓度为2.5wt％时有最大值2.00g/L，与对比例1相比有明显升高，与对比例2相比升高不明显。爆破液体产物中木糖含量随着H3PO4的增加而增加，且增加幅度较大，其原因在于木质纤维中木聚糖较葡聚糖更容易降解，H3PO4具有高溶解半纤维素的能力。实施例3中木糖含量达到了9.48g/L，当磷酸浓度继续增加时木糖含量增加不明显。固体回收率与H3PO4浓度的增加呈负相关，随着H3PO4的增加，固体回收率从69.37％下降到58.83％，是因为蒸汽爆破具有热、化学和机械的综合作用，造成半纤维素大量溶解，破坏了杨木纤维结构，改变纤维素结晶度并诱导部分木质素转化，从而导致固体回收率降低。固体回收率曲线的波动是由于蒸汽爆破设备特殊的收集腔构造造成的误差所致。
预处理后杨木纤维的酶解糖化率与H3PO4浓度呈正相关，实施例3中酶糖化率最大值为74.58％，相比对比例1高出了36.86％，相比对比例2高出了10.11％。半纤维素的含量随着磷酸浓度的升高逐渐降低，当磷酸浓度≥1.5wt％时半纤维素基本去除。纤维素及木质素的含量均有升高趋势，这是因为虽然在预处理过程中纤维素及木质素会有部分的破坏，但是半纤维素已基本去除，所以纤维素和木质素的相对含量会有所升高，这一规律与图中的糖溶出一致。此外，酶解糖化率分别与纤维素和半纤维素的含量呈正相关和负相关，说明在预处理过程中保留了大部分的纤维素，去除了半纤维素增加了原料的内部孔隙结构，使预处理产物疏松多孔，为纤维素酶提供了更多的可接触位点，促进了底物的酶解糖化。
根据图3和图4所示的对比例1、2、5，实施例2、4～6实验结果可以看出，JFC-M浓度在0～1.0v/v％时预处理后葡萄糖浓度的增幅较大，最大值为2.53g/L，当JFC-M浓度≥1.0v/v％后增幅平缓；JFC-M浓度在0～1.5v/v％时预处理后木糖浓度增幅较大且和JFC-M浓度呈正相关，实施例5中木糖最高浓度10.88g/L。当≥1.5v/v％后趋于平缓并且有下降趋势，可能是因为JFC-M浓度超过一定值后导致了半纤维素的过度降解，木糖变成了其他产物。固体回收率的曲线与磷酸浓度单因素实验结果一致，随着预处理条件的加强逐渐降低。JFC-M浓度在0.5～2.0v/v％范围内，酶解糖化率和JFC-M浓度呈正相关，≥2.0v/v％之后增长趋势趋于平缓，这与预处理后木糖含量相对应，原因可能是随着JFC-M浓度的升高，半纤维素基本去除，预处理后固体产物的孔隙逐渐增多，纤维疏松度增加，纤维素酶接触位点增加所致。JFC-M浓度≥2.0v/v％之后由半纤维素分解成的木糖发生了过度降解，生成了可抑制酶解的抑制物糠醛等导致酶解糖化率略微降低。预处理后固体产物的纤维素和木质素的相对含量上升，酶解糖化率相比对比例1提升了36.68％，相比对比例2提升了9.9％。可见渗透剂JFC-M的添加对半纤维素(木聚糖)的去除和酶解糖效果的提升有明显的促进作用，并且随着浓度的增大预处理效果越明显。
根据图5、图6中对比例1、2、6，实施例2、7～9实验结果可以看出，压强在1.6～2.4MPa之间葡萄糖和木糖的含量随着压强的增大而上升，葡萄糖和木糖的最大值分别为1.83g/L和10.4g/L，实施例9中当压强为2.4MPa时木糖含量降低，表明压强过大导致了部分木糖发生了降解。固体回收率与压强呈负相关，压强越大预处理的严重程度越大，杨木纤维各组分降解越多。预处理后糖化率随着爆破压强的增加而增加。结合图3、图4可以看出JFC-M的加入可以降低预处理条件，当JFC-M浓度为2.0v/v％、爆破压强为1.6MPa时就可达到磷酸对照组的酶解糖化率。蒸汽爆破腔内的压强的大小与温度高低一致，也从侧面体现了半纤维素的去除及预处理效果随着温度的升高而升高，当升高到一定值时这种现象会被抑制。
根据图7中对比例1、2、7，实施例2、10～12实验结果可以看出，预处理液中葡萄糖含量随维压时间升高而升高，实施例12在维压时间300s时葡萄糖浓度最大为2.20g/L,说明纤维素的破坏程度随着时间的延长而增加；木糖含量的变化趋势为先升高后降低，对比例7在维压时间60s时其浓度最大值为11.17g/L，表明维压时间过长会导致由半纤维素分解产生的木糖被进一步降解。糖化率随着维压时间的延长先升高后趋于平缓，维压时间≥120s后糖化率增长缓慢，最高为77.85％，比纯水对照组及磷酸对照组分别提高了40.13％和13.38％。实施例中的半纤维素因JFC-M的加入被基本去除；纤维素含量上升不明显，原因是在蒸汽爆破过程中，部分氢键断裂，只有纤维素无定型区遭到破坏，而结晶区的结构非常紧密，破坏较少；木质素含量有小幅度升高，可能归因于在高温条件下纤维素结构中的糖与木素之间发生缩聚反应使其含量有所增加。实施例2、10～12中随着维压时间的延长糖化率不再升高，可能是木质素发生缩聚反应形成过多的假木素微球附着在纤维表面，占据纤维素酶的结合位点，这与上述分析中木素的含量有所增加相一致。另外，由于部分木糖或葡萄糖随着爆破强度的增加转化为一些抑制剂，抑制了酶解过程，这与上述分析的预处理液中木糖含量减少相一致。
根据图9～12中对比例和实施例结果中的纤维素拆解分离得率、半纤维素去除率、木质素去除率变化可以看出，在预处理后大部分的单因素条件下纤维素的拆解分离得率大部分都＞90％。对比例1和2中的半纤维素的去除率只有76.80％和81.47％，而各单因素实验组的半纤维素去除率随着预处理条件的增加而增大，部分实验组的半纤维素基本去除，这与图1、2、3、4中实施例的杨木三组分含量图相一致。预处理对木质素的去除作用不明显，当压强为2.4MPa时木质素去除率最高为30.29％，相比对比例2提升了12.16％。加入JFC-M的实验组在绝大多数纤维素能够得到保留的情况下可以基本去除半纤维素，并去除部分木质素，从而增大了纤维内部孔隙，增加了酶解接触位点，提升预处理效果。
根据图13中原料、对比例2和实施例2的预处理产物的扫面电镜图可以看出，杨木原料表面形态光滑，结构致密平整，可见纤维管束包裹紧密，排列整齐。对比例2产物的纤维的表面和内部发生了一些轻微的损伤，此外，在纤维的表面产生了一些不均一的球形沉积物，可能是高温下木质素形成的微球或假木质素微球附着在了纤维的表面，有研究表明假木素的堆积在一定程度上会阻碍酶解。实施例2的纤维表面和内部发生了一些结构塌陷，相比原料和对比例2的SEM图说明加入JFC-M预处理后杨木纤维结构发生严重破坏，出现大量断裂结构，部分结构可见纹孔，并且纤维表面的球状物也有明显减少，表面形貌及内部结构的改变是由于大量半纤维素和部分木质素的去除引起的，大大增加了产物的比表面积即纤维素酶接触位点，有利于后续的酶解糖化，SEM的分析结果与预处理酶解糖化率的变化规律一致。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将原木纤维原料粉碎成杨木屑，杨木屑含水率为9～10％；
2)将渗透剂加入质量浓度为1.5～2.5wt％的磷酸溶液中以配置成混合浸渍液，混合浸渍液中渗透剂的体积浓度为1.0～2.5v/v％；将所述杨木屑加入混合浸渍液中进行浸渍；
3)将浸渍完成后的杨木屑进行蒸汽爆破处理，蒸汽爆破处理的压强为1.8～2.4MPa，维压时间为120～300s；蒸汽爆破处理完成后得到爆破浸出液和残渣；
4)采用纤维素酶及β-葡萄糖苷酶组成的复合酶对所述残渣进行酶解处理，酶解pH范围为4.8～5.0、酶解温度为45～55℃、酶解时间为80～90h。
2.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，步骤1)中，所述杨木屑宽1～3mm，长3～13mm。
3.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，步骤2)中，杨木屑与混合浸渍液的固液比为1：2～8，浸渍时间为1～3h。
4.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，步骤2)中，所述渗透剂为JFC-M。
5.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，步骤4)中，所述复合酶中固含量为4～6％，复合酶中纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的比例为1.6:1；所述纤维素酶的酶活为180～200FPU/mL，滤纸酶活为8～12FPU/g；所述β-葡萄糖苷酶的酶活为15～25U/mL，滤纸酶活为4～8U/g。
6.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，步骤4)中，所述复合酶中固含量为5％，复合酶中纤维素酶和β-葡萄糖苷酶的比例为1.6:1；所述纤维素酶的酶活为191FPU/mL，滤纸酶活为10FPU/g；所述β-葡萄糖苷酶的酶活为20U/mL，滤纸酶活为6U/g。
7.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，步骤4)中，酶解温度为50℃、酶解时间为84h。
8.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，将步骤3)所述的残渣烘干检测并计算纤维素拆解分离得率和半纤维素去除率，所述纤维素拆解分离得率大于90％，所述半纤维素去除率大于99％。
9.根据权利要求1所述的渗透剂、稀磷酸结合蒸汽爆破拆解杨木纤维素的方法，其特征在于，将步骤4)中酶解完成后得到的酶解液进行还原糖检测，并计算酶解糖化率，酶解糖化率大于76％。
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