本發(fā)明涉及生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化與利用領(lǐng)域，特別涉及一種清潔和安全的木質(zhì)纖維原料預(yù)處理方法。
二、
背景技術(shù)：
我國(guó)擁有豐富的秸稈等農(nóng)林廢棄物，目前絕大部分被直接焚燒，不僅浪費(fèi)了寶貴的生物質(zhì)資源，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。利用這些廉價(jià)的木質(zhì)纖維素資源生產(chǎn)可發(fā)酵糖，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成人類所需的生物基化學(xué)品、生物能源及生物基材料，是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)的重要內(nèi)容，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。
木質(zhì)纖維原料富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組分，這3種組分以物理或化學(xué)結(jié)合的方式形成結(jié)構(gòu)緊密的超分子化合物，具有較強(qiáng)的抗水解能力。為了提高木質(zhì)纖維原料的糖化率，需要對(duì)天然木質(zhì)纖維素進(jìn)行預(yù)處理。目前，運(yùn)用的預(yù)處理方法主要有物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法及生物法。其中，物理法主要通過機(jī)械粉碎、輻射等方式降低纖維素結(jié)晶度，增加木質(zhì)纖維素的表面積，能源消耗高且纖維素糖化率低，工業(yè)適應(yīng)性差。物理化學(xué)法主要包括水熱法和蒸汽爆破法，通過溶解去除大部分的半纖維素促進(jìn)酶水解過程，水熱法無(wú)需添加化學(xué)品、廢水處理容易，但預(yù)處理強(qiáng)度低，纖維素糖化率較低；蒸汽爆破法過程簡(jiǎn)單，但酸性蒸汽爆破設(shè)備要求高。常見的化學(xué)法有酸、堿預(yù)處理法，酸預(yù)處理一般采用普通的強(qiáng)無(wú)機(jī)酸，會(huì)產(chǎn)生大量的抑制物，且腐蝕性強(qiáng)，對(duì)設(shè)備要求高；堿預(yù)處理法可以有效溶解半纖維素和木質(zhì)素，但廢水處理難度大。生物法是利用微生物脫除木質(zhì)素，該方法無(wú)污染、處理?xiàng)l件溫和，但處理周期長(zhǎng)且預(yù)處理后纖維素糖化率低。因此迫切需要開發(fā)出高效、低耗、清潔和安全的新型預(yù)處理方法。
三、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種清潔、安全、經(jīng)濟(jì)與高效的木質(zhì)纖維原料預(yù)處理方法，采用可回收的醋酸進(jìn)行預(yù)處理，以提高木質(zhì)纖維原料的糖化率。
技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種清潔和安全的木質(zhì)纖維原料預(yù)處理方法，包括以下步驟：
(1)以天然木質(zhì)纖維素為原料，粉碎后利用10％～20％的醋酸(質(zhì)量濃度)在120～150℃條件下預(yù)處理10～60min以有效水解和溶出半纖維素；
(2)采用減壓蒸發(fā)回收醋酸得到預(yù)處理物料，進(jìn)行組成成分和物料得率分析；
(3)將上述預(yù)處理物料與纖維素酶混合，加入水、pH緩沖液，混合至底物濃度5％～20％，pH控制在4.0～6.0，纖維素酶用量控制在10～40FPIU/g纖維素，在45～55℃、100～200r/min條件下酶水解48～72h得到葡萄糖。
步驟(1)中，所述的木質(zhì)纖維原料為玉米芯、玉米秸稈和小麥秸稈等中的任何一種或其組合。
所述的醋酸濃度為10％～20％(質(zhì)量濃度)，反應(yīng)溫度120～150℃，反應(yīng)時(shí)間10～60min。
所述的醋酸回收方法為減壓蒸發(fā)。
所述的酶解條件為：酶水解底物濃度5％～20％，pH值4.0～6.0，酶用量10～40FPIU/g纖維素，酶水解溫度45～55℃，轉(zhuǎn)速100～200r/min，酶水解時(shí)間48～72h。
有益效果：與現(xiàn)有木質(zhì)纖維原料稀酸蒸煮、蒸汽爆破、稀酸蒸汽爆破等預(yù)處理方法相比，采用可回收的醋酸進(jìn)行預(yù)處理能夠降解天然木質(zhì)纖維原料中75％以上的半纖維素及少部分木質(zhì)素，顯著破除半纖維素及木質(zhì)素對(duì)纖維素酶催化水解的化學(xué)阻礙作用，進(jìn)而將纖維素酶水解得率提高至85％以上。該方法還可顯著降低反應(yīng)溫度和熱能消耗，抵制物生成量更少；更為重要的是醋酸比硫酸和鹽酸具有更加安全、溫和的優(yōu)勢(shì)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備耐腐蝕性能要求更低，生產(chǎn)操控更方便，并且采用常規(guī)的減壓蒸發(fā)即可以實(shí)現(xiàn)完全回收醋酸，因而該方法更加清潔、安全和經(jīng)濟(jì)。
四、具體實(shí)施方式
實(shí)施案例1
在15L機(jī)械攪拌式不銹鋼高壓反應(yīng)罐中，加入10L含有1kg玉米芯和10％醋酸(質(zhì)量濃度)的反應(yīng)物，密封，控制攪拌轉(zhuǎn)速150r/min，在140℃條件下處理60min。采用減壓蒸發(fā)回收醋酸得到預(yù)處理物料。對(duì)預(yù)處理后的玉米芯進(jìn)行組成成分和物料得率分析，結(jié)果表明，半纖維素的脫除率為81％，木質(zhì)素的脫除率為12％。將上述預(yù)處理物料與纖維素酶混合，加入水、pH緩沖液，混合至底物濃度10％，pH控制在4.8，纖維素酶用量25FPIU/g纖維素，在50℃、150r/min條件下酶解48h，酶水解得率為89％。
實(shí)施案例2
在15L機(jī)械攪拌式不銹鋼高壓反應(yīng)罐中，加入5L含有1kg玉米秸稈和20％醋酸(質(zhì)量濃度)的反應(yīng)物，密封，控制攪拌轉(zhuǎn)速150r/min，在150℃條件下處理30min。采用減壓蒸發(fā)回收醋酸得到預(yù)處理物料。對(duì)預(yù)處理后的玉米秸稈進(jìn)行組成成分和物料得率分析，結(jié)果表明，半纖維素的脫除率為76％，木質(zhì)素的脫除率為10％。將上述預(yù)處理物料與纖維素酶混合，加入水、pH緩沖液，混合至底物濃度10％，pH控制在4.8，纖維素酶用量25FPIU/g纖維素，在50℃、150r/min條件下酶解48h，酶水解得率為85％。