CN1952162A - 蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法，步骤如下：将含水量10－25％的稻草在蒸汽压力0.8－1.3Mpa的条件下蒸汽爆破处理；将蒸汽爆破处理后的稻草风干；将风干后的汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎；将经粉碎的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸－醋酸钠缓冲液中，使底物浓度为5－10％，再按每克汽爆稻草超微粉体加20－40FPA的加酶量加入纤维素酶，在40－50℃下，酶解26－36小时。纤维素酶选自斜卧青霉、李氏木霉、绿色木霉、黑曲霉。本发明采用蒸汽爆破和超微粉碎协同作用，预处理后的稻草纤维素可完全酶解，半纤维素接近完全酶解。而且操作简单、酶解时间短、清洁无污染。

Description

蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法

技术领域

本发明属于生物质预处理和纤维素酶解领域，特别涉及一种提高稻草酶解率的蒸汽爆破和超微粉碎协同处理方法。

背景技术

稻草是丰富的可再生资源，是主要的农作物秸秆之一，稻草总产量占世界秸秆年产总量的20％左右。在我国，稻草产量占35％左右，年产量约2.3亿吨。从构造上讲，稻草结构和组成高度不均一，在器官水平，组织水平，细胞水平和分子水平有着不同的结构层次，基本构成是由纤维素、半纤维素和木质素三大组分形成的紧密交联结构。纤维素结晶度高、聚合度大，被木质素紧密包裹，导致纤维素生物降解困难。稻草较高的硅含量使其比玉米秸秆和小麦秸秆等农作物更难被酶解，未经预处理稻草的酶解率不足50％。因此，以破坏细胞壁结构、降低纤维素聚合度和结晶度、提高稻草纤维素酶解率为目的的预处理是高效酶解的重要前提。目前木质纤维素预处理技术主要分为物理法(如机械磨碎法，膨化法，γ辐射法，微波辐射法等)、化学法(如液体酸碱法，过氧化物法，配合物介质法，有机溶剂法，碱性湿法氧化法等)、生物法(如微生物白腐菌，酶处理如纤维素酶，半纤维素酶，木质素酶等)和综合法(如蒸汽爆破法，二氧化硫法、氨蒸爆处理法，高温法，热水解法，碱机械磨碎法，仿生催化法等)(Mosier，N.，Wyman，C.E.，Dale，B.，et al.Bioresource Technol，2005，96：673-686；Sun，Y.and Cheng，J.Bioresource Technol，2002，83：1-11)。这些方法各具特色，但任何一种单一方法都不能实现象稻草这样结构高度不均一生物材料纤维素和半纤维素高效率、无污染、完全生物转化的要求。

1.蒸汽爆破法被普遍认为是处理植物纤维原料经济而清洁的方法，而且汽爆稻草可以明显提高酶解率(Sawada，T.；Nakamura，Y.；Kobayashi，F.；Kuwahara，M.；Watanabe，T.Biotechnol.Bioeng.1995，48：719；Moniruzzaman，M.；Appl.Biochem.Biotechnol.1996，59：283)。在蒸汽爆破过程中，细胞结构破环；纤维素结晶度和聚合度下降；半纤维素通过自水解作用转变成单糖和寡糖；纤维素—半纤维素—木质素的连接结构破坏；部分木质素溶解而使得原料适合于纤维素酶的作用，部分木质素的β-芳醚键断裂且木质素发生部分缩合作用。汽爆处理使稻草汽爆后比汽爆前具有更显著的多孔结构，内部比表面积显著扩大；自水解作用使半纤维素降解成可溶性糖，胞间层木质素软化和部分降解，纤维间粘结力减弱，单个纤维细胞从胞间层解离。因此可大大提高秸秆的酶解率，汽爆稻草的酶解率可达到80％左右(王丹，林建强，张萧等，山东农业大学学报，2002，33(4)：525-529；陈洪章，李佐虎，纤维素科学与技术，2002，10(3)：47-52)。

粉碎可以减小物料颗粒度，提高接触面积，降低纤维素结晶度和聚合度，破坏细胞壁结构，增加纤维素对酶和化学试剂的可极性。超微粉碎是深度粉碎技术，可将物料由粒度0.5mm-5mm粉碎成为10μm-25μm以下的超细粉末。其显著特点是粉碎效率高，物料原有化学性质不变，纤维素结晶度和聚合度大幅降低。粉体具有一般颗粒所不具有的理化性质，如粒度细微均匀，比表面积大幅增加，孔隙率增加，吸附性增强，溶解性增强，化学反应速率增加，粉碎温升低。气流超微粉碎机是目前最广泛应用的超微粉碎设备，气流粉碎超微粉碎速度快，时间短，无伴随热量产生，不发生任何化学反应，可最大限度地保留粉体的生物活性成分并保持物质的原有化学性质(潘思轶，王可兴，刘强，中国粮油学报，2003，18(5)：1-4；袁惠新，俞建峰，包装与食品机械，2001，39(1)：5-10；盖国胜，徐政，粉体技术，1997，3(2)：41)。近年来超微粉碎技术在食品、医药、日用化工等领域的应用倍受重视，但尚未应用到稻草类木质纤维素物料的处理中。

针对物理法，化学法和生物法中任何一种单一方法都不能实现稻草纤维素和半纤维素高效率、无污染、完全生物转化的问题，本技术采用蒸汽爆破和超微粉碎协同作用预处理稻草，在蒸汽爆破强度较低的条件下预处理稻草以避免稻草的过度水解，木质素过度缩合和大量副产物的生成，同时降低蒸汽爆破能源消耗。超微粉碎蒸汽爆破过的稻草可以在短时间内高效率地得到超细粉体，与未经蒸汽爆破的稻草超微粉碎相比，前者大大节约了单位粉体的能耗，提高了单位能耗产生的粉体表面积。综合这两种预处理技术的互补优势，可以大大提高稻草的生物利用度。

发明内容

本发明目的在于针对目前稻草类生物质预处理效率低，资源浪费，再度污染和纤维素、半纤维素仍不能完全酶解的问题，而提供一种提高稻草酶解率的蒸汽爆破和超微粉碎协同处理方法，该方法综合蒸汽爆破疏松组织结构，破坏细胞结构的优势和超微粉碎大幅度高效率，增加颗粒表面积和化学反应活性的优点，避免了蒸汽爆破强度较高条件下预处理稻草引起的半纤维素过度水解、木质素过度缩合和大量副产物的生成，同时降低蒸汽爆破能源消耗。与未经蒸汽爆破的稻草超微粉碎相比，超微粉碎蒸汽爆破过的稻草可以短时间内高效率地得到超细粉体，大大节约了单位粉体的能耗，提高了单位能耗产生的粉体表面积，从而同时避免了稻草超微粉碎的高能量消耗。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法，包括如下步骤：

(1)将含水量10-25％的稻草在蒸汽压力0.8-1.3Mpa的条件下蒸汽爆破处理2-6分钟；

(2)将步骤(1)蒸汽爆破处理后的稻草风干，得到风干汽爆稻草；

(3)将步骤(2)的风干汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎，得到得率为70-90％的汽爆稻草超微粉体；

(4)将步骤(3)的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，使汽爆稻草超微粉体底物浓度为5-10％，再按每克汽爆稻草超微粉体加20-40FPA的加酶量加入纤维素酶，在40-50℃下，酶解26-36小时。

所述步骤(3)的用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎的技术参数为：分级轮频率20-50Hz，粉碎时间10-30min，喂料速度10-20Kg/h。

所述的纤维素酶选自斜卧青霉(Penicillium decumbens)、李氏木霉(Trichodermareesei)、绿色木霉(Trichoderma viride)、黑曲霉(Aspergillus niger)。

本发明的蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法具有以下特点：

(1)预处理方法采用蒸汽爆破和超微粉碎协同作用的预处理方式，综合蒸汽爆破疏松组织结构，破坏细胞结构的优势和超微粉碎大幅度高效率，增加颗粒表面积和化学反应活性的优点，避免了蒸汽爆破强度较高条件下预处理稻草引起的半纤维素过度水解、木质素过度缩合和大量副产物的生成，同时降低蒸汽爆破能源消耗。与未经蒸汽爆破的稻草超微粉碎相比，超微粉碎蒸汽爆破过的稻草可以短时间内高效率地得到超细粉体，大大节约了单位粉体的能耗，提高了单位能耗产生的粉体表面积，从而同时避免了稻草超微粉碎的高能量消耗。

(2)确定了针对稻草以酶解率和总糖产率为指标的超微粉碎技术参数和蒸汽爆破参数。操作过程简单、高效、清洁无污染。

(3)预处理后的稻草纤维素可以完全酶解，半纤维素接近完全酶解。纤维素完全酶解(酶解率达到100％)，半纤维素和纤维素接近完全酶解(总糖产率达到93.6％)。提高了稻草的半纤维素和纤维素的转化率。

(4)完全酶解的时间仅为26-36小时，而普通粉碎汽爆稻草和普通粉碎稻草达到完全酶解的时间都在48小时以上。从而大大缩短了酶解时间，提高了酶解效率。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明：

实施例1

将含水量为10％的稻草20g加入汽爆罐中，爆破条件为蒸汽压力1.3Mpa，维持时间2分钟，瞬间释放压力，得汽爆麦草，然后将汽爆麦草晾晒风干，得到含水量为6％的风干汽爆稻草；风干汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎，得到得率为90％的汽爆稻草超微粉体；本实施例所使用的流化床对喷式气流超微粉碎机的分级轮频率20Hz，粉碎时间10min，喂料速度10Kg/h；粉体粒度主要分布在63-237微米，平均纤维长度为180微米，粉体的组成细胞所占比例分别为纤维细胞53.1％，薄壁细胞26.2％，表皮细胞19.6％，导管1.1％；

将上述步骤得到的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，使汽爆稻草超微粉体底物浓度为5％，再按每克汽爆稻草超微粉体加20FPA的加酶量加入斜卧青霉(Penicillium decumbens)，在40℃下，酶解36小时，其酶解率达到92.10％，半纤维素和纤维素的总糖产率达到90.5％。同样酶解条件下普通粉碎汽爆稻草的酶解率78.0％，普通粉碎稻草的酶解率仅为54.0％。

实施例2

将含水量为15％的稻草20g加入汽爆罐中，爆破条件为蒸汽压力1.2Mpa，维持时间4分钟，瞬间释放压力，得汽爆麦草；然后将汽爆麦草晾晒风干至含水量6％；风干后的汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎，本实施例所使用的流化床对喷式气流超微粉碎机的技术参数为：分级轮频率30Hz，粉碎时间15min，喂料速度15Kg/h，超微汽爆稻草粉体得率为84％。粉体粒度主要分布在40-160微米，平均纤维长度为110微米，粉体的组成细胞所占比例分别为纤维细胞45.1％，薄壁细胞36.6％，表皮细胞17.1％，导管1.2％。

将上述步骤得到的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，使汽爆稻草超微粉体底物浓度为8％，再按每克汽爆稻草超微粉体加35FPA的加酶量加入黑曲霉(Aspergillus niger)，在45℃下，酶解30小时，其酶解率达到100％，半纤维素和纤维素的总糖产率达到95.6％。同样酶解条件下普通粉碎汽爆稻草的酶解率70.1％，普通粉碎稻草的酶解率仅为54.0％。

实施例3

将含水量为20％的稻草20g加入汽爆罐中，爆破条件为蒸汽压力1.0Mpa，维持时间5分钟瞬间释放压力，得汽爆麦草，然后将汽爆麦草晾晒风干至含水量6％。风干汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机粉碎，本实施例所使用的流化床对喷式气流超微粉碎机的技术参数为：分级轮频率40Hz，粉碎时间10min，喂料速度16Kg/h，超微汽爆稻草粉体得率为82％。粉体粒度主要分布在40-100微米，平均纤维长度为70微米，粉体的组成细胞所占比例分别为纤维细胞34.8％，薄壁细胞48.8％，表皮细胞15.0％，导管1.3％。

将上述步骤得到的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，使汽爆稻草超微粉体底物浓度为10％，再按每克汽爆稻草超微粉体加40FPA的加酶量加入绿色木霉(Trichoderma viride)，在50℃下，酶解26小时，其纤维素酶解率达到100％，半纤维素和纤维素的总糖产率达到95.8％。同样酶解条件下普通粉碎汽爆稻草的酶解率67.2％，普通粉碎稻草的酶解率仅为46.4％。

实施例4

将含水量为25％的稻草20g加入汽爆罐中，爆破条件为蒸汽压力0.8Mpa，维持时间6分钟，瞬间释放压力，得汽爆麦草，然后将汽爆麦草晾晒风干至含水量5％；风干汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机粉碎，本实施例所使用的流化床对喷式气流超微粉碎机的技术参数为：分级轮频率50Hz，粉碎时间30min，喂料速度20Kg/h，超微汽爆稻草粉体得率为70％。粉体粒度主要分布在25-80微米，平均纤维长度为45微米，粉体的组成细胞所占比例分别为纤维细胞27.9％，薄壁细胞58.8％，表皮细胞12.3％，导管1.0％。

将上述步骤得到的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，使汽爆稻草超微粉体底物浓度为9％，再按每克汽爆稻草超微粉体加30 FPA的加酶量加入李氏木霉(Trichoderma reesei)，在50℃下，酶解28小时，其纤维素酶解率达到100％，半纤维素和纤维素的总糖产率达到93.6％。同样酶解条件下普通粉碎汽爆稻草的酶解率64.9％，普通粉碎稻草的酶解率仅为44.4％。

Claims (3)

1、一种蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法，包括如下步骤：

(1)将含水量10-25％的稻草在蒸汽压力0.8-1.3Mpa的条件下蒸汽爆破处理2-6分钟；

(2)将步骤(1)蒸汽爆破处理后的稻草风干，得到风干汽爆稻草；

(3)将步骤(2)的风干汽爆稻草用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎，得到得率为70-90％的汽爆稻草超微粉体；

(4)将步骤(3)的汽爆稻草超微粉体加至pH4.8的醋酸-醋酸钠缓冲液中，使汽爆稻草超微粉体底物浓度为5-10％，再按每克汽爆稻草超微粉体加20-40FPA的加酶量加入纤维素酶，在40-50℃下，酶解26-36小时。

2.根据权利要求1所述的蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法，其特征是：所述步骤(3)的用流化床对喷式气流超微粉碎机进行粉碎的技术参数为：分级轮频率20-50Hz，粉碎时间10-30min，喂料速度10-20Kg/h。

3.根据权利要求1所述的蒸汽爆破与超微粉碎协同预处理提高稻草酶解率的方法，其特征是：所述的纤维素酶选自斜卧青霉(Penicillium decumbens)、李氏木霉(Trichodermareesei)、绿色木霉(Trichoderma viride)、黑曲霉(Aspergillus niger)。