專利名稱：超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理，具體而言，利用超聲波的空化作用來(lái)強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫對(duì)木質(zhì)素成分的皂化和強(qiáng)氧化作用，以大幅度降低木質(zhì)素含量，縮短作用時(shí)間，提高酶解效率。
背景技術(shù)：
以木質(zhì)纖維素為原料的第二代燃料乙醇一方面能緩解日益嚴(yán)峻的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，另一方面還能減少木質(zhì)纖維素原料的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源化利用。然而，在生產(chǎn)過(guò)程中如何提高木質(zhì)纖維素原料的水解率和利用率仍然是制約第二代燃料乙醇技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
木質(zhì)纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，其中，纖維素是由D-葡萄糖通過(guò)β -I, 4糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的長(zhǎng)鏈分子，長(zhǎng)鏈分子進(jìn)一步形成一種具有高度結(jié)晶區(qū)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。且纖維素被半纖維素和木質(zhì)素包裹鑲嵌，彼此之間相互纏繞形成復(fù)雜緊密的結(jié)構(gòu)，很難使纖維素酶直接降解其中的纖維素成分，因此需通過(guò)有效的預(yù)處理方式去除其中的木質(zhì)素，破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶度，增加比表面積，這也是成功進(jìn)行燃料乙醇轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟和技術(shù)如提。目前應(yīng)用較多的預(yù)處理方法有物理法如機(jī)械粉碎、微波處理、超聲波處理等，化學(xué)法如酸處理、堿處理、濕式氧化處理、臭氧處理等，物理化學(xué)法如蒸汽爆裂處理、以及生物法。但是傳統(tǒng)的單一預(yù)處理方法均很難將木質(zhì)纖維素原料中的木質(zhì)素降低到最低程度，對(duì)去除的木質(zhì)素回收利用未給予充分重視，且應(yīng)用較廣泛的酸預(yù)處理均會(huì)產(chǎn)生糠醛、HMF等發(fā)酵抑制物。因此應(yīng)基于最大限度地降低阻礙纖維素酶解的木質(zhì)素成分，提高原料的酶解率，減少發(fā)酵抑制物的產(chǎn)生，并將木質(zhì)素成分回收利用的目的，尋找合適的預(yù)處理方式?？紤]到不同預(yù)處理方式各自的優(yōu)勢(shì)，可將其進(jìn)行優(yōu)勢(shì)組合，探索木質(zhì)纖維素預(yù)處理的新思路，突破傳統(tǒng)預(yù)處理方式的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于提供一種新型的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，提高木質(zhì)纖維素的酶解得率和原料利用率，克服傳統(tǒng)預(yù)處理技術(shù)存在的缺陷。它是超聲波強(qiáng)化的堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理，能夠聯(lián)合超聲波的空化作用和堿性過(guò)氧化氫的皂化、強(qiáng)氧化作用，去除抑制纖維素和半纖維素酶解的木質(zhì)素成分，提高酶解原料的酶解率，有利于后續(xù)發(fā)酵過(guò)程，縮短作用時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)其中成分的回收。技術(shù)方案本發(fā)明的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法主要包括木質(zhì)纖維素預(yù)處理、固液組分分離、組分回收、成分分析、纖維素酶解等工序，具體涉及步驟如下所述
1)將風(fēng)干的木質(zhì)纖維素進(jìn)行物理粉碎處理再篩分；
2)將篩分后的木質(zhì)纖維素于105°C烘干至恒重，除去其中水分；3)將烘干后的木質(zhì)纖維素加入氫氧化鈉溶液中進(jìn)行處理，并同時(shí)進(jìn)行超聲波作用，間隔I 50min后加入過(guò)氧化氫繼續(xù)處理，得到預(yù)處理后的反應(yīng)漿料，
4)將步驟3)中預(yù)處理后的反應(yīng)漿料進(jìn)行固液分離，收集液態(tài)物料，不斷洗滌固態(tài)物料至PH值呈中性并將其于105°C下烘干至恒重；
5)將步驟4)中收集的液態(tài)物料進(jìn)行半纖維素和木質(zhì)素的回收利用HCl溶液將液態(tài)物料的PH值調(diào)至5 6，加入3倍體積的乙醇，靜置2h后過(guò)濾，濾渣即為半纖維素；取其濾液在90°C下減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，待乙醇完全蒸出后繼續(xù)滴加HCl溶液至pH值I. 5 2，靜置待沉淀析出，離心后所得固體即為木質(zhì)素；
6)將步驟4)中烘干后的固態(tài)物料在pH值為4.5 4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液中用纖維素酶進(jìn)行水解；
7)將步驟6)中水解后得到的漿料進(jìn)行固液分離，液態(tài)物料主要是葡萄糖等水解糖，固 態(tài)物料則是部分難降解物質(zhì)。步驟I)所述的篩分粒徑為20目 60目。步驟3)所述的NaOH溶液濃度為O. 125 O. 5mol/L，H2O2的體積分?jǐn)?shù)為20 40%。步驟3)所述的木質(zhì)纖維素與NaOH溶液的固液比為1:5 1:15 g/mL,木質(zhì)纖維素與H2O2的固液比為1:0. I 1:1 g/mL。步驟3)所述的超聲波和NaOH溶液共同作用的總時(shí)間為10 60min，超聲波的作用功率為80 300W，溫度為25 80°C。步驟6)所述的纖維素酶加載量為5 50FPU/g干原料,干原料與朽1檬酸-朽1檬酸鈉緩沖溶液的固液比為1:10 1:100 g/mL，酶解溫度為50°C，酶解時(shí)間為12 72h。有益效果與現(xiàn)有預(yù)處理技術(shù)相比，本發(fā)明提供的新型超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)去除絕大部分木質(zhì)素成分，減小其對(duì)木質(zhì)纖維素原料酶解的阻礙作用，提高原料酶解得率；
2)預(yù)處理過(guò)程中不產(chǎn)生糠醛、HMF等發(fā)酵抑制物，有利于提高后續(xù)發(fā)酵過(guò)程中的乙醇產(chǎn)
率；
3)預(yù)處理在常溫常壓下操作，作用時(shí)間短，條件溫和易于控制，節(jié)約能耗和投資成本；
4)將去除的木質(zhì)素和部分半纖維素以酸析的方式進(jìn)行回收，為生物質(zhì)資源的全利用提
供基礎(chǔ)。


圖I是利用超聲波和堿性過(guò)氧化氫實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素預(yù)處理和高效酶解的工藝流程圖。圖2是采用本發(fā)明處理玉米芯在不同實(shí)例中的成分分析比較圖。
具體實(shí)施方案本發(fā)明中原料酶解后的酶解得率計(jì)算方法為
酶解得率(％)=(葡萄糖總量X0. 9X 100) /酶解底物中的纖維素及半纖維素總量。對(duì)比例I—預(yù)處理方式稱取過(guò)40目篩且烘干后玉米芯10g，加入100ml, 0. 25mol/L 的 NaOH 溶液和 3. 3ml30% (v/v) H2O2,溫度為 25°C，反應(yīng) 24h。酶解過(guò)程同實(shí)施例，酶解得率為81. 05%。對(duì)比例2—預(yù)處理方式稱取過(guò)40目篩且烘干后玉米芯10g，加入100ml, O. 25mol/L 的 NaOH 溶液，溫度為 25。。，反應(yīng) 12h 后加入 3. 3ml30% (v/v) H2O2 繼續(xù)反應(yīng)12h。酶解過(guò)程同實(shí)施例，酶解得率為75.23%。實(shí)施例I
稱取過(guò)40目篩且烘干后玉米芯10g，加入100ml，O. 25mol/L的NaOH溶液和3. 3ml30%(v/v) H2O2置于燒杯中，并同時(shí)進(jìn)行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時(shí)間為40min。反應(yīng)結(jié)束后，將漿料進(jìn)行真空抽濾，實(shí)現(xiàn)固液分離，并將上述產(chǎn)生的濾渣進(jìn)行反復(fù)蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。
對(duì)預(yù)處理得到的玉米芯進(jìn)行范式分析法(Van Soest)測(cè)定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時(shí)間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產(chǎn)生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結(jié)束后將反應(yīng)衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活I(lǐng)Omin后進(jìn)行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測(cè)定，酶解得率為72. 1%。實(shí)施例2
稱取過(guò)40目篩且烘干后玉米芯IOg,加入100ml, O. 25mol/L的NaOH溶液置于燒杯中，并同時(shí)進(jìn)行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時(shí)間為40min,當(dāng)超聲波作用IOmin后加入和3. 3ml30%( ν/ν)Η202。反應(yīng)結(jié)束后，將漿料進(jìn)行真空抽濾，實(shí)現(xiàn)固液分離，并將上述產(chǎn)生的濾渣進(jìn)行反復(fù)蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。對(duì)預(yù)處理得到的玉米芯進(jìn)行范式分析法(Van Soest)測(cè)定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時(shí)間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產(chǎn)生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結(jié)束后將反應(yīng)衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活I(lǐng)Omin后進(jìn)行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測(cè)定，酶解得率為89. 81%。實(shí)施例3
稱取過(guò)40目篩且烘干后玉米芯IOg,加入100ml, O. 25mol/L的NaOH溶液置于燒杯中，并同時(shí)進(jìn)行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時(shí)間為40min,當(dāng)超聲波作用20min后加入和3. 3ml30%( ν/ν)Η202。反應(yīng)結(jié)束后，將漿料進(jìn)行真空抽濾，實(shí)現(xiàn)固液分離，并將上述產(chǎn)生的濾渣進(jìn)行反復(fù)蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。對(duì)預(yù)處理得到的玉米芯進(jìn)行范式分析法(Van Soest)測(cè)定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時(shí)間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產(chǎn)生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結(jié)束后將反應(yīng)衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活I(lǐng)Omin后進(jìn)行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測(cè)定，酶解得率為77. 72%。實(shí)施例4
稱取過(guò)40目篩且烘干后玉米芯IOg,加入100ml, 0. 25mol/L的NaOH溶液置于燒杯中，并同時(shí)進(jìn)行超聲波作用，超聲波的施加功率為120W，作用溫度為25°C，超聲總時(shí)間為40min ,當(dāng)超聲波作用30min后加入和3. 3ml30%( ν/ν)Η202。反應(yīng)結(jié)束后，將漿料進(jìn)行真空抽濾，實(shí)現(xiàn)固液分離，并將上述產(chǎn)生的濾渣進(jìn)行反復(fù)蒸餾水沖洗直至PH值呈中性，并于105°C烘干至恒重。 對(duì)預(yù)處理得到的玉米芯進(jìn)行范式分析法(Van Soest)測(cè)定(主要成分如圖2所示)和酶解，其中酶解條件為固液比1:70 (g/mL)、時(shí)間為72h、溫度為50°C、pH為4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液、纖維素酶為里氏木霉所產(chǎn)生，其加載量為20FPU/g干原料。酶解結(jié)束后將反應(yīng)衆(zhòng)液取出，在沸水浴中滅酶活I(lǐng)Omin后進(jìn)行真空抽濾。濾液中的還原糖成分用DNS法測(cè)定，酶解得率為78. 67%。
權(quán)利要求
1.一種超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，其特征在于該方法包括下述步驟 1)將風(fēng)干的木質(zhì)纖維素進(jìn)行物理粉碎處理再篩分； 2)將篩分后的木質(zhì)纖維素于105°C烘干至恒重，除去其中水分； 3)將烘干后的木質(zhì)纖維素加入氫氧化鈉溶液中進(jìn)行處理，并同時(shí)進(jìn)行超聲波作用，間隔I 50min后加入過(guò)氧化氫繼續(xù)處理，得到預(yù)處理后的反應(yīng)漿料， 4)將步驟3)中預(yù)處理后的反應(yīng)漿料進(jìn)行固液分離，收集液態(tài)物料，不斷洗滌固態(tài)物料至PH值呈中性并將其于105°C下烘干至恒重； 5)將步驟4)中收集的液態(tài)物料進(jìn)行半纖維素和木質(zhì)素的回收利用HCl溶液將液態(tài)物料的PH值調(diào)至5 6，加入3倍體積的こ醇，靜置2h后過(guò)濾，濾渣即為半纖維素；取其濾液在90°C下減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，待こ醇完全蒸出后繼續(xù)滴加HCl溶液至pH值I. 5 2，靜置待沉淀析出，離心后所得固體即為木質(zhì)素； 6)將步驟4)中烘干后的固態(tài)物料在pH值為4.5 4. 8的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液中用纖維素酶進(jìn)行水解； 7)將步驟6)中水解后得到的漿料進(jìn)行固液分離，液態(tài)物料主要是葡萄糖等水解糖，固態(tài)物料則是部分難降解物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，其特征在于步驟I)所述的篩分粒徑為20目 60目。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，其特征在于步驟3)所述的NaOH溶液濃度為O. 125 O. 5mol/L, H2O2的體積分?jǐn)?shù)為20 40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，其特征在于步驟3)所述的木質(zhì)纖維素與NaOH溶液的固液比為1:5 1:15 g/mL,木質(zhì)纖維素與H2O2的固液比為1:0. I 1:1 g/mL。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，其特征在于步驟3)所述的超聲波和NaOH溶液共同作用的總時(shí)間為10 60min，超聲波的作用功率為80 300W，溫度為25 80°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，其特征在于步驟6)所述的纖維素酶加載量為5 50FPU/g干原料,干原料與朽1檬酸-梓檬酸鈉緩沖溶液的固液比為1:10 1:100 g/mL，酶解溫度為50°C，酶解時(shí)間為12 72h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理木質(zhì)纖維素的方法，該方法為在堿處理木質(zhì)纖維素的同時(shí)進(jìn)行超聲波的強(qiáng)化作用，間隔一段時(shí)間后加入過(guò)氧化氫進(jìn)行強(qiáng)氧化作用；預(yù)處理結(jié)束后，將原料進(jìn)行固液分離，其中的固體組分烘干后進(jìn)行纖維素酶酶解和成分分析，液體組分用于回收半纖維素和木質(zhì)素成分。本發(fā)明旨在利用超聲波劇烈的空化作用強(qiáng)化堿性過(guò)氧化氫對(duì)木質(zhì)素成分的皂化和強(qiáng)氧化作用，以大幅度降低阻礙木質(zhì)纖維素原料酶解的木質(zhì)素，將大部分纖維素和半纖維素降解為可發(fā)酵的單糖，從而最大限度地提高木質(zhì)纖維素的原料利用率。并通過(guò)酸析法對(duì)預(yù)處理液中的半纖維素和木質(zhì)素進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)零資源浪費(fèi)的綠色工藝。
文檔編號(hào)C12P7/10GK102839198SQ20121033902
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者仲兆平, 嚴(yán)青, 張茜蕓, 鄧學(xué)群, 艾特玲 申請(qǐng)人:東南大學(xué)