CN1806945A - 利用秸秆预处理和酶解工艺使秸秆纤维素完全酶解的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维素酶解领域，特别涉及秸秆预处理和酶解组合工艺，将秸秆纤维素完全酶解的方法。秸秆首先经汽爆处理，然后用热水洗涤，除去半纤维素多糖，干燥后与离子液体混合，微波加热或直接加热，然后将处理后的秸秆用水反复冲洗，洗涤液中的溶剂可以通过蒸馏等方法回收。冲洗干净的处理秸秆在50℃下，pH4.8的缓冲液中用纤维素酶酶解48～72小时，纤维素的酶解率可达到100％。
Description
技术领域
本发明属于纤维素酶解领域，特别涉及秸秆预处理和酶解组合工艺，将秸秆纤维素完全酶解的方法。
背景技术
植物纤维素是符合可持续发展要求的可再生资源，是地球上最丰富的碳水化合物。石油、煤等化工能源的有限性使人们致力于各种新能源的开发，转化利用巨大的植物纤维素可再生资源，以提供人们所需的能源和其它化工产品。植物纤维素水解后可制取酒精、木糖、糠醛、乙酰丙酸等化工原料以及单细胞蛋白等产品，而且纤维素还可以生产生物降解材料、薄膜、丝线，各种功能材料等。
我国可利用的植物纤维素资源丰富，仅农作物秸秆每年产量可达6亿吨之多。但是由于秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成，而且成熟秸杆中的纤维素，在不同程度上处在木质素的包蔽鞘中，而木质素是一种高度抵抗生物降解的高分子聚合物，纤维素本身也是一种高分子聚合物，还具有一定的结晶度，其聚合度和结晶度愈高，木质素的包蔽愈严重。因此，纤维素的生物降解也越加困难，一般未经预处理的秸秆的酶解率仅为20％左右。为了克服木质素的障碍，降低天然纤维素的聚合度和结晶度，以提高天然纤维素对纤维素酶降解的敏感性，所以秸扦必须经过预处理，为酶解纤维创造前提条件。不同的预处理方法必将产生不同的酶解效果。
目前秸杆预处理的方法，大致可分为物理法、化学法、生物法。其中物理法主要是采用粉碎、高能辐射、蒸汽爆破(简称汽爆)等方式降低纤维素的结晶度，提高其可及性。粉碎可以降低纤维素的聚合度，增加原料的可及性，但是能耗高，而且对酶解率的提高幅度很小。高能辐射同样能耗很高，对原料酶解率的提高有限(钟穗生，1989，化工进展，第5期，40～43页)。蒸汽爆破法是Manson于1927年提出的一种相对经济而且清洁的预处理方法(美国专利，1655618)，秸杆经汽爆后，半纤维素部分降解，木质素、纤维素、半纤维素之间的紧密连接部分破环，因此可大大提高秸秆的酶解率，可达到80％以上(欧阳平凯等，2000，化工纵横，11期，8～10；曲音波等，1997，纤维素科学与技术，5(2)：1～9)。化学法主要是用酸、碱、有机溶剂等除去半纤维素、木质素。酸、碱处理的效率很高，如适当浓度的酸可直接使纤维素降解，碱可使秸秆润胀，从而提高酶解率，但是酸碱法处理对环境的污染严重(李敬民，2001，西南造纸，3期，29页)。有机溶剂处理相对清洁，但是能耗较高，溶剂的回收是节省成本的关键。生物法则主要是采用一些微生物(主要是白腐真菌、褐腐真菌、软腐真菌)降解木质素。一般这些微生物的发酵周期很长，效率很低，难以工业生产。秸秆预处理技术除了存在以上问题外，目前这些预处理方法都不能使秸秆纤维素的酶解率仍然不能达到100％。
发明内容
本发明的目的是针对目前秸秆预处理技术效率低、污染严重以及预处理秸秆纤维素仍不能完全酶解的问题，提出一种利用秸秆预处理和酶解工艺使秸秆纤维素完全酶解的方法。预处理后的秸秆纤维素可以完全酶解，而且处理方法简单、清洁。
本发明的方法是汽爆处理与离子液体热处理工艺的组合，所述方法中秸秆预处理工艺为首先是蒸汽爆破，然后用热水逆流提取汽爆过程中由半纤维素降解产生的多糖，不溶的纤维素干燥后再次与离子液体混合加热。
本发明的利用秸秆预处理和酶解工艺使秸秆纤维素完全酶解的方法步骤包括：
(1)将含水量10～35％的秸秆在蒸汽压力1.0～1.5Mpa的条件下蒸汽爆破处理2～7分钟；
(2)将步骤(1)汽爆处理后的秸秆用热水洗涤(用热水逆流提取汽爆过程中由半纤维素降解产生的多糖)，除去半纤维素多糖，所用热水的温度可为50℃～100℃，提取次数为1～5次；抽提液可进一步纯化得到半纤维素多糖。不溶固形物干燥，然后将干燥的经热水抽提过的秸秆与离子液体混合，固液比为1∶5～50，然后微波加热或直接加热5～60分钟，至秸秆溶解停止加热，加热过程中需要不断搅拌秸秆；
(3)将步骤(2)用热水抽提过的，并经离子液体处理后的秸秆用水反复冲洗，合并洗涤液，其中的离子液体可以通过蒸馏等方法回收；冲洗干净的秸秆在温度为50℃下，pH4.8的缓冲液中用纤维素酶酶解48～72小时，经组合预处理后的秸秆纤维素的酶解率可达到100％。
所述的离子液体为100℃下呈熔融状态的盐，由阴阳离子组成，阴离子选自氯离子、溴离子、醋酸根离子、硫氰酸根离子等，阳离子选自咪唑类阳离子如N-N-二甲基咪唑阳离子、1-乙基，3-甲基咪唑阳离子、1-烯丙基，3-甲基咪唑阳离子、1-烯丙基，3-甲基咪唑阳离子、1-丁基，3-甲基咪唑阳离子或1-甲基-3-丁基咪唑阳离子等。
所述的纤维素酶选自里氏木霉、绿色木霉、黑曲霉、康氏木霉等真菌纤维素酶。
所述的缓冲液选自浓度为0.05～0.2摩尔/升的醋酸/醋酸钠、浓度为0.05～0.2摩尔/升的柠檬酸/柠檬酸钠缓冲液等。
所述的秸秆选自麦秸、玉米秸秆、稻草、高梁秸、芦苇、花生秧或壳等。
本发明的方法具有：
(1)预处理方法简单、快捷、清洁，可以同时得到半纤维素降解产物(主要为戊糖)。
(2)处理离子液体可以回收。
(3)秸秆纤维素的酶解率达到100％。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
将含水量为10％的麦秸15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.5Mpa下处理5分钟，然后取出用70℃热水逆流提取三次，不溶秸秆纤维素在60℃下干燥48小时，再与1-丁基-3甲基咪唑氯化盐按固液比1∶20混合，在微波炉中加热10分钟，然后用水洗涤干净，在50℃下，pH4.8，0.05摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中用里氏木霉产生的纤维素酶酶解48小时，麦秸酶解率达到100％。
实施例2
将含水量为35％的玉米秸15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.3Mpa下处理6分钟，然后取出用50℃热水逆流提取三次，不溶秸秆纤维素在80℃下干燥24小时，再与1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑盐按固液比1∶10混合，在微波炉中加热10分钟，然后用水洗涤干净，在50℃下，pH4.8，0.05摩尔/升的柠檬酸/柠檬酸钠缓冲液中用绿色木霉产生的纤维素酶酶解48小时，玉米秸酶解率达到100％。
实施例3
将含水量为20％的稻草15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.3Mpa下处理6分钟，然后取出用100℃热水逆流提取三次，不溶秸秆纤维素在80℃下干燥24小时，再与1-烯丙基-3-甲基硫氰酸化咪唑盐按固液比1∶30混合，在微波炉中加热5分钟，然后用水洗涤干净，在50℃下，pH4.8，0.05摩尔/升的柠檬酸/柠檬酸钠缓冲液中用康氏木霉产生的纤维素酶酶解48小时，稻草酶解率达到100％。
实施例4
将含水量为20％的芦苇15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.3Mpa下处理7分钟，然后取出用50℃热水逆流提取三次，不溶芦苇纤维素在80℃下干燥24小时，再与1-乙基，3-甲基咪唑醋酸盐按固液比1∶30混合，在微波炉中加热5分钟，然后用水洗涤干净，在50℃下，pH4.8，0.2摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中用黑曲霉产生的纤维素酶酶解48小时，芦苇酶解率达到100％。
实施例5
将含水量为20％的花生秧15g，投入汽爆罐中在蒸汽压力1.3Mpa下处理2分钟，然后取出用50℃热水逆流提取三次，不溶花生秧纤维素在80℃下干燥24小时，再与N-N-二甲基咪唑醋酸盐按固液比1∶30混合，直接加热40分钟，然后用水洗涤干净，在50℃下，pH4.8，0.2摩尔/升的醋酸/醋酸钠缓冲液中用黑曲霉产生的纤维素酶酶解48小时，花生秧的酶解率达到100％。
Claims (10)
1.一种利用秸秆预处理和酶解工艺使秸秆纤维素完全酶解的方法，其特征是：所述的方法步骤包括：
(1)将含水量10～35％的秸秆在蒸汽压力1.0～1.5Mpa的条件下蒸汽爆破处理；
(2)将步骤(1)汽爆处理后的秸秆用热水洗涤，除去半纤维素多糖；干燥，然后将干燥的经热水抽提过的秸秆与离子液体混合，固液比为1∶5～50，然后微波加热或直接加热，至秸秆溶解停止加热，加热过程中需要不断搅拌秸秆；
(3)将步骤(2)用热水抽提过的，并经离子液体处理后的秸秆用水反复冲洗，冲洗干净的秸秆在温度为50℃下，pH4.8的缓冲液中用纤维素酶酶解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的蒸汽爆破处理时间是2～7分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的热水洗涤的水温是50℃～100℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的微波加热或直接加热时间为5～60分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的酶解时间是48～72小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的秸秆纤维素的酶解率为100％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的离子液体为100℃下呈熔融状态的盐，由阴阳离子组成，阴离子选自氯离子、溴离子、醋酸根离子、硫氰酸根离子等，阳离子选自咪唑类阳离子如N-N-二甲基咪唑阳离子、1-乙基，3-甲基咪唑阳离子、1-烯丙基，3-甲基咪唑阳离子、1-烯丙基，3-甲基咪唑阳离子、1-丁基，3-甲基咪唑阳离子或1-甲基-3-丁基咪唑阳离子。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的纤维素酶选自里氏木霉、绿色木霉、黑曲霉或康氏木霉。
9.根据权利要求1或6所述的方法，其特征是：所述的秸秆选自麦秸、玉米秸秆、稻草、高梁秸、芦苇、花生秧或壳。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的缓冲液选自浓度为0.05～0.2摩尔/升的醋酸/醋酸钠、浓度为0.05～0.2摩尔/升的柠檬酸/柠檬酸钠缓冲液。
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