一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，步驟如下：(1)清除木質(zhì)纖維素原料中的雜物，然后將木質(zhì)素纖維素經(jīng)風(fēng)干、粉碎、篩分，制得纖維素原料；(2)將纖維素原料加入到NaOH溶液中，攪拌均勻，然后依次加入H2O2和激活劑氰胺，攪拌均勻，制得混合反應(yīng)液，經(jīng)攪拌反應(yīng)，制得預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素。本發(fā)明利用低濃度NaOH、H2O2與激活劑相結(jié)合的方法處理纖維素原料，該預(yù)處理過程簡單易行，不產(chǎn)生難處理的廢水，并大幅提高木質(zhì)纖維素的糖轉(zhuǎn)化率。
【專利說明】一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，屬于生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]木質(zhì)纖維素是地球上最豐富廉價的可再生資源，蘊儲著巨大的生物質(zhì)能。主要來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，森林廢棄物和城市廢棄物。隨著化石燃料的枯竭和環(huán)境的日益惡化，將木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖和木糖等，并進一步用于生物基化學(xué)品如燃料乙醇等能源產(chǎn)物的生產(chǎn)，受到日益關(guān)注。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸桿資源相當(dāng)豐富，年產(chǎn)近8億噸，然而長期以來，大部分秸桿被丟棄或焚燒，既浪費了資源又污染了環(huán)境，秸桿資源的合理綜合利用對于保護環(huán)境、緩解能源危機和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
[0003]利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)重要的生物基化學(xué)品如燃料乙醇等主要包括預(yù)處理、酶解轉(zhuǎn)化和發(fā)酵等步驟。其中預(yù)處理技術(shù)是木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟，通過破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接，降低纖維素的結(jié)晶度，去除木質(zhì)素，以使纖維素酶及半纖維素酶有效接觸纖維素和半纖維素，從而提高酶解效率。
[0004]但是酸法預(yù)處理木質(zhì)纖維素容易產(chǎn)生抑制微生物生長的糠醛和羥甲基糠醛等物質(zhì)；汽爆法成本高，產(chǎn)物復(fù)雜，有焦油形成。
[0005]中國專利文獻CN102758028A(申請?zhí)?01110104494.4)公開了一種預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料，再轉(zhuǎn)化為還原糖的方法。它采用液固比5-50，將木質(zhì)纖維素在質(zhì)量分數(shù)0-5%氫氧化鈉和質(zhì)量分數(shù)0-5%的雙氧水的混合溶液中處理1-10小時，處理后所得固體殘留物用水洗滌烘干。然后在酸解時間10-120min，酸解溫度30_150°C，硫酸質(zhì)量濃度0-10%，液固比5-50處理得固體殘留物，調(diào)節(jié)pH值至7，然后烘干。該處理工藝可使木質(zhì)素有效去除，而且半纖維素在稀酸條件下水解得五碳糖，經(jīng)進一步反應(yīng)可得高附加值產(chǎn)品。
[0006]中國專利文獻CN103205473A(申請?zhí)?01310131157.3)公開了一種甘蔗渣的預(yù)處理方法，該方法將甘蔗渣干燥，粉碎，篩分后，用氫氧化鈉和雙氧水對甘蔗渣進行預(yù)處理，即得到預(yù)處理后甘蔗渣，經(jīng)該方法預(yù)處理后的甘蔗渣材料半纖維素和木質(zhì)素的最大脫除率分別達到78.18%和94.56%，纖維素最高酶水解率為64.37%，相比未處理蔗渣原材料的酶解效率提高了 60.67%。
[0007]但上述方法用于木質(zhì)纖維素酶法水解的預(yù)處理過程中，酶解轉(zhuǎn)化率相對較低，無法滿足相關(guān)要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法。該方法可促進生物質(zhì)的預(yù)處理效率，提高木質(zhì)纖維素的酶解性，有利于木質(zhì)纖維素到乙醇等高附加值產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，步驟如下:
[0011](I)清除原料中的雜物，然后將木質(zhì)素纖維素經(jīng)風(fēng)干、粉碎、篩分，制得木質(zhì)纖維素原料；
[0012](2)將木質(zhì)纖維素原料加入到NaOH溶液中，攪拌均勻，然后依次加入H2O2和激活劑氰胺，攪拌均勻，制得混合反應(yīng)液，混合反應(yīng)液在25?35°C條件下，攪拌反應(yīng)20?30小時，制得預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素；
[0013]所述混合反應(yīng)液中，NaOH加量為0.1?0.15g.g_1木質(zhì)纖維素原料，H2O2加量為0.025?0.125g.g—1木質(zhì)纖維素原料，氰胺的加量為0.01?0.03g.g—1木質(zhì)纖維素原料。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中，原料選自玉米秸桿、麥桿、棉桿、稻草、油菜桿、甜高粱莖桿、甘蔗渣、木屑、廢紙和/或柳枝稷。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)中的篩分為過5_孔徑的篩子。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)攪拌反應(yīng)的攪拌速度為100?200rpm。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)中，氰胺的加量為0.015?0.02g ?g—1木質(zhì)纖維素原料。
[0018]一種利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)木糖和葡萄糖的方法，包括如下:
[0019](i)向上述制得的預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素中加入硫酸調(diào)pH至4.5?5.5，再加入抗生素，混合均勻，制得反應(yīng)液；
[0020](ii)向步驟⑴制得的反應(yīng)液中加入復(fù)合酶，復(fù)合酶的加入量為5.25?10.5mg蛋白.g—1木質(zhì)纖維素，在45?50°C條件下，攪拌反應(yīng)20?30小時，經(jīng)離心，取上清，制得木糖和葡萄糖溶液；
[0021]所述復(fù)合酶組分如下，均為蛋白質(zhì)量百分含量:
[0022]纖維素酶57?69%、半纖維素酶21?33%、果膠酶4?16%。
[0023]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟⑴中硫酸的質(zhì)量濃度為72%。
[0024]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(i)中抗生素為四環(huán)素和環(huán)己酰亞胺，四環(huán)素的添加量為使四環(huán)素終濃度達到35?45 μ g/mL，環(huán)己酰亞胺的添加量為使環(huán)己酰亞胺終濃度達到25?35 μ g/mL。加入抗生素的目的是防止微生物的污染。
[0025]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(ii)中攪拌速度為100?200rpm。
[0026]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(ii)中的離心為在4°C、12000rpm的條件下離心15min。
[0027]有益效果
[0028]本發(fā)明利用低濃度NaOH、H2O2與激活劑相結(jié)合的方法處理纖維素原料，使堿液通過皂化作用破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的緊密結(jié)構(gòu)，降低木質(zhì)纖維素的聚合度和結(jié)晶度，促進纖維素和半纖維素的酶解，而過氧化氫可以降解木質(zhì)素，有效脫去原料中木質(zhì)素，激活劑則可以使木質(zhì)素脫除率提高并使纖維素的糖轉(zhuǎn)化率進一步提高，該預(yù)處理過程簡單易行，不產(chǎn)生難處理的廢水。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1、預(yù)處理過程添加激活劑氰胺與不添加氰胺對葡萄糖和木糖的轉(zhuǎn)化率影響的柱狀圖；
[0030]圖2、預(yù)處理過程添加激活劑氰胺與不添加氰胺對葡萄糖和木糖的含量影響的柱狀圖；

【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明，但本發(fā)明所保護范圍不限于此。
[0032]原料來源
[0033]纖維素酶Accellerase?1000,購自 Dupont 公司；
[0034]半纖維素酶和果膠酶購自諾維信公司；
[0035]實施例1
[0036]一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，步驟如下:
[0037](I)清除玉米秸桿中的雜物，然后將木質(zhì)素纖維素經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過5_孔徑的篩子篩分，制得纖維素原料；
[0038](2)將纖維素原料加入到NaOH溶液中，攪拌均勻，然后依次加入H2O2和激活劑氰胺，攪拌均勻，制得混合反應(yīng)液，混合反應(yīng)液在30°C條件下，在搖床轉(zhuǎn)速150rpm的條件下，攪拌反應(yīng)24小時，制得預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素；
[0039]所述混合反應(yīng)液中，NaOH加量為0.15g.木質(zhì)纖維素原料，H2O2加量為0.075g.g-1木質(zhì)纖維素原料，氰胺的終加量為0.0lg.g-1木質(zhì)纖維素原料。
[0040]實施例2
[0041]一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，步驟如下:
[0042](I)清除甘蔗渣中的雜物，然后將木質(zhì)素纖維素經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過5_孔徑的篩子篩分，制得纖維素原料；
[0043](2)將纖維素原料加入到NaOH溶液中，攪拌均勻，然后依次加入H2O2和激活劑氰胺，攪拌均勻，制得混合反應(yīng)液，混合反應(yīng)液在30°C條件下，在攪拌速度為150rpm的條件下，攪拌反應(yīng)24小時，制得預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素；
[0044]所述混合反應(yīng)液中，NaOH加量為0.15g.木質(zhì)纖維素原料，H2O2加量為0.075g.g-1木質(zhì)纖維素原料，氰胺的終加量為0.02g.g-1木質(zhì)纖維素原料。
[0045]對比例I
[0046]實驗條件同實施例1，不同之處在于，混合反應(yīng)液中未添加氰胺。
[0047]試驗例I
[0048]一種利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)木糖和葡萄糖的方法，包括如下:
[0049](i)向?qū)嵤├??2制得的預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素中加入質(zhì)量濃度為72%的稀硫酸調(diào)pH至5.0,再加入抗生素，使抗生素終濃度為環(huán)己酰亞胺30 μ g/ml和四環(huán)素40 μ g/ml，混合均勻，制得反應(yīng)液；
[0050](ii)向步驟⑴制得的反應(yīng)液中加入復(fù)合酶，復(fù)合酶的加入量為10.5mg.g—1木質(zhì)纖維素，在50°C、搖床轉(zhuǎn)速150rpm的條件下，反應(yīng)24小時，經(jīng)4°C、12000rpm離心lOmin，取上清，制得木糖和葡萄糖溶液；
[0051]所述纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶的質(zhì)量比例為6:3:1。實施例1制得的產(chǎn)物記為0.01%氰胺組，實施例2制得的產(chǎn)物記為0.02%氰胺組；
[0052]采用對比例I制備的預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素，按照上述方法生產(chǎn)木糖和葡萄糖溶液，記為未添加氰胺組。
[0053]利用高效液相色譜法測定上述制得的產(chǎn)物中的葡萄糖和木糖含量，參照NREL(美國國家可再生能源實驗室)標準方法，按照如下公式計算萄糖和木糖轉(zhuǎn)化率:
[0054]葡萄糖轉(zhuǎn)化率計算公式:(酶解后葡萄糖總量X0.9)/預(yù)處理前纖維素總量 X 100% ；
[0055]木糖轉(zhuǎn)化率計算公式:(酶解后木糖總量X0.88)/預(yù)處理前半纖維素總量 X 100% ；
[0056]結(jié)果如圖1所示，對比例I未添加氰胺組的結(jié)果葡萄糖和木糖的糖轉(zhuǎn)化率分別為15.83%和9.7%，實施例1添加0.01%氰胺組的結(jié)果葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化率分別為35.12%和15.70%，實施例2添加0.02%氰胺組的結(jié)果葡萄糖和木糖轉(zhuǎn)化率分別為54.36%和34.48%，說明激活劑氰胺可以大幅度促進預(yù)處理效果提高酶解過程的糖轉(zhuǎn)化率。當(dāng)氰胺加量為0.02%時兩種糖的轉(zhuǎn)化率分別提高了 2.43和2.55倍。同時，圖2顯示該法可有效去除纖維素和半纖維素之外的成分，提高纖維素在原料中的比例。
【權(quán)利要求】
1.一種提高木質(zhì)纖維素糖轉(zhuǎn)化率的預(yù)處理方法，其特征在于，步驟如下: (1)清除原料中的雜物，然后將木質(zhì)素纖維素經(jīng)風(fēng)干、粉碎、篩分，制得木質(zhì)纖維素原料； (2)將纖維素原料加入到NaOH溶液中，攪拌均勻，然后依次加入H202和激活劑氰胺，攪拌均勻，制得混合反應(yīng)液，混合反應(yīng)液在25?35°C條件下，攪拌反應(yīng)20?30小時，制得預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素； 所述混合反應(yīng)液中，NaOH加量為0.1?0.15g.g—1木質(zhì)纖維素原料，H202加量為0.025?0.125g.g—1木質(zhì)纖維素原料，氰胺的加量為0.01?0.03g.g—1木質(zhì)纖維素原料。
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)處理方法，其特征在于，所述步驟(1)中，原料選自玉米秸桿、麥桿、棉桿、稻草、油菜桿、甜高粱莖桿、甘蔗渣、木屑、廢紙和/或柳枝稷。
3.如權(quán)利要求1所述的預(yù)處理方法，其特征在于，所述步驟(1)中的篩分為過5mm孔徑的篩子。
4.如權(quán)利要求1所述的預(yù)處理方法，其特征在于，所述步驟(2)攪拌反應(yīng)的攪拌速度為100 ?200rpm。
5.如權(quán)利要求1所述的預(yù)處理方法，其特征在于，所述步驟(2)中，氰胺的加量為0.015?0.02g.g—1木質(zhì)纖維素原料。
6.一種利用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)木糖和葡萄糖的方法，其特征在于，包括如下: (i)向權(quán)利要求1制得的預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素中加入稀硫酸調(diào)pH至4.5?5.5，再加入抗生素，混合均勻，制得反應(yīng)液； (ii)向步驟(i)制得的反應(yīng)液中加入復(fù)合酶，復(fù)合酶的加量為5.25?10.5mg.g—1木質(zhì)纖維素，在45?50°C條件下，攪拌反應(yīng)20?30小時，經(jīng)離心，取上清，制得木糖和葡萄糖溶液； 所述復(fù)合酶組分如下，均為質(zhì)量百分含量: 纖維素酶57?69%、半纖維素酶21?33%、果膠酶:4?16%。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(i)中稀硫酸的質(zhì)量濃度為72%。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(i)中抗生素為四環(huán)素和環(huán)己酰亞胺，四環(huán)素的添加量為使四環(huán)素終濃度達到35?45 μ g/mL，環(huán)己酰亞胺的添加量為使環(huán)己酰亞胺終濃度達到25?35 μ g/mL。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(ii)中攪拌速度為100?200rpm。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟(ii)中的離心為在4°C、12000rpm的條件下離心lOmin。
【文檔編號】C12P19/02GK104404108SQ201410750630
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】劉同軍, 徐麗麗, 王燕, 馬美范, 王艷杰 申請人:齊魯工業(yè)大學(xué)