欧美在线观看视频网站,亚洲熟妇色自偷自拍另类,啪啪伊人网,中文字幕第13亚洲另类,中文成人久久久久影院免费观看 ,精品人妻人人做人人爽,亚洲a视频

一種改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法與流程

文檔序號:12097596閱讀:1143來源:國知局
一種改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法與流程

本發(fā)明屬于生物質資源的開發(fā)與利用領域,涉及生物質原料纖維素酶水解與微生物發(fā)酵前的預處理方法,尤其是一種改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法。



背景技術:

木質纖維素廣泛存在于植物的莖、葉、果皮和果殼等組織中,是植物中碳水化合物的主要存在形式。其中,纖維素和半纖維素的最小分子構成為戊糖和己糖,包括葡萄糖、木糖、半乳糖、甘露糖和阿拉伯糖等。纖維素是制取第二代生物燃料的主要原料,但是由于纖維素在常溫常壓下不溶于水,并且被半纖維素和木質素包裹,因此若要充分水解纖維素獲得乙醇、丁醇等發(fā)酵所需的葡萄糖,需要在酶水解前進行預處理。

水熱(Liquid Hot Water,LHW)預處理是目前生物質預處理的主流方法之一,一般是將原料以10%-20%(原料干重/總重量)的比例與水混合,在高壓(5.0-11.0 mPa)和高溫(160-220°C)下經過1~30 min處理,最后獲得固體殘余物和水解液。LHW預處理能夠去除原料中部分木質素和半纖維素,使纖維素聚合度和結晶度下降,部分長鏈纖維素分子變成短鏈分子,其中小部分直接水解為葡萄糖。

水熱預處理的優(yōu)勢在于無需添加酸或堿等需要回收處理或可能造成二次污染的化學試劑。然而,水熱預處理對生物質尤其是木質纖維素類生物質中木質素的去除水平不高;并且,若提高處理溫度和延長處理時間,原料中固有的可溶性糖、由半纖維素水解獲得的低聚木糖、低聚阿拉伯糖和低聚半乳糖等將進一步水解,生成糠醛、羥甲基糠醛以及乙酸、甲酸等小分子酸,該類糖的降解產物將對酶和微生物產生一定程度的抑制作用,使生物質轉化產品的產率降低。

造成上述問題的主要原因是現有的生物質水熱預處理通常一次性升溫和降溫,底物與水在高溫高壓下的反應進程控制不夠精確,致使預處理效率較低、能耗較高;同時,使用同一種溫度一次性完成預處理導致底物非結構性糖、預處理產生的葡萄糖和木糖大量降解,對后續(xù)生物轉化過程產生潛在抑制作用;由較高溫度降至室溫會導致預處理混合液中木質素再次凝聚吸附于底物細胞表面或孔隙,降低纖維素和半纖維素的酶水解率。

本發(fā)明的目的是改進現有水熱預處理方法,提高木質素和半纖維素去除水平,減少糖降解產物的形成,提高后續(xù)生物質轉化過程中纖維素酶水解率和最終產物的產率。



技術實現要素:

為了改善目前水熱預處理方法中存在的木質素去除水平低、原料可溶性糖和半纖維素水解過程中低聚糖降解水平較高的問題,本發(fā)明提供了一種改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法,針對原料成分化學性質進行溫度、時間等參數的分段調節(jié),精確控制生物質原料預處理進程,有效保留原料中固有的非結構性糖,減少木質素二次凝固與吸附效應,降低預處理水解液中醛和酸含量,使木質纖維素結構充分破壞的同時減少預處理對酶水解和微生物發(fā)酵造成的不利影響。

本發(fā)明給出了對木質纖維素類生物質水熱預處理進行分段的方法以及每個階段的條件設置方法,還給出了由預處理水解殘余物中獲得預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物、纖維素酶水解底物、微生物發(fā)酵混合液三種組合物的方法。

本發(fā)明的技術方案:

1. 一種改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法,分為四個處理階段,條件設置方法為以下a)、b)、c)和d)。

a)中溫低壓浸洗階段(第一階段):原料與去離子水混合,混合比1:20至1:6(w/w);預處理反應器內壓力范圍2.02-6.21 mPa處理溫度70-90℃,升溫過程2-5 min,目標溫度下保留5-15 min;將水解液與處理后的原料殘余物分離,獲得預處理水解液1與固體殘余物1。

b)高溫高壓保留階段(第二階段):固體殘余物1與去離子水混合,混合比1:15至1:6(w/w);預處理反應器內壓力范圍7.58-10.34 mPa;處理溫度185-210℃,升溫過程6-10 min,目標溫度下保留5-20 min;將水解液與固體殘余物分離,獲得預處理水解液2與固體殘余物2。

c)中溫高壓保留階段(第三階段):固體殘余物2與去離子水混合,混合比1:10至1:5(w/w);預處理反應器內壓力范圍8.27-8.96 mPa;處理溫度90-110℃,升溫過程5-6 min,保留時間1-3 min;將水解液與固體殘余物分離,獲得預處理水解液3與固體殘余物3。

d)常溫常壓浸洗階段(第四階段):使用20-50℃去離子水沖洗固體殘余物3,將液體與固體殘余物分離,獲得預處理水解液4與固體殘余物4。

本發(fā)明涉及的改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法中,所述木質纖維素類生物質包括禾本科農作物廢棄物和能源植物,例如玉米秸稈、水稻秸稈、大麥秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈、甘蔗渣、柳枝稷、速生柳等以及中國芒、五節(jié)芒、巨芒等芒屬植物。

原料含水率在預處理的第一階段前不高于70%,原料粒徑為0.2-10.0 cm,優(yōu)選為0.5-3.0 cm。

本發(fā)明涉及的改良的木質纖維素類生物質水熱預處理方法中,水解液與處理后的固體殘余物的分離方法為高壓空氣吹掃,優(yōu)選為氮氣吹掃。

2. 獲得預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物、纖維素酶水解底物、微生物發(fā)酵混合液的方法包括以下步驟。

預處理水解液1、2、3、4和固體殘余物4混合獲得預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物。

固體殘余物4直接作為或-20℃以下冷凍保存作為纖維素酶水解底物。

固體殘余物4進行纖維素酶水解處理或-20℃以下冷凍保存后進行纖維素酶水解處理,獲得酶水解液,預處理水解液1、2、3、4與酶水解液合并獲得微生物發(fā)酵混合液。

預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物用于生物質轉化乙醇、丁醇等產品的發(fā)酵,含有葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖和甘露糖等單糖;葡聚糖、木聚糖、半乳聚糖和阿拉伯聚糖、蔗糖等高聚糖和低聚糖;糠醛、羥甲基糠醛、乙酸、甲酸、丁酸等醛和酸;以及不能被纖維素酶和發(fā)酵微生物利用的木質素。

經過四個階段預處理,最終所獲得的固體殘余物木質纖維結構遭到破壞,纖維素膨脹,微纖維結晶度和聚合度下降,可直接使用纖維素酶對其水解處理,或冷藏保存。固體殘余物不可自然晾干或烘干處理,干燥后細胞壁塌陷、微孔收縮,纖維素膨脹度下降,導致水解率下降。

使用木質纖維素類生物質制取乙醇、丁醇等生物燃料時,除同步糖化與發(fā)酵方法外,還包括分步水解與發(fā)酵,發(fā)酵階段微生物直接利用底物中的糖分,此時可使用預處理水解液與酶水解液的混合液,即上述微生物發(fā)酵混合液。

本發(fā)明的優(yōu)點是:對水熱預處理進行分段,依據原料成分與產物性質設定每階段處理條件,依次獲得有益水解產物,控制副產物生成,使反應進程得到精確控制,降低能耗的同時提高預處理效率。第一階段溫度不高于90℃,有效移除原料中非結構性碳水化合物,防止了低聚糖或單糖在第二階段降解為醛和有機酸,減少了對乙醇、丁醇發(fā)酵階段微生物代謝的潛在影響,此部分糖保留至預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物、微生物發(fā)酵混合液中以充分利用;第三階段,將溫度控制在90℃以上,防止第二階段冷卻過程中木質素凝聚吸附于底物表面或孔隙。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的技術方案流程圖。

圖2是獲得同步糖化與發(fā)酵底物、纖維素酶水解底物、微生物發(fā)酵混合液的組合方法圖。

圖3是實施例1中原料經過預處理后木質素、纖維素和半纖維素去除率。

圖4是實施例1中原料經過預處理產生糠醛、羥甲基糠醛和乙酸的量。

具體實施方式

實施例1

以柳枝稷為預處理原料,所用柳枝稷的成分含量見表1。 柳枝稷采收時含水率為35%,使用前室內通風處自然晾干,對整株柳枝稷進行粉碎處理,處理后粒徑小于2.5 cm(1.0 in)。

表1 柳枝稷主要成分含量

使用上述原料進行水熱預處理。

中溫低壓浸洗階段(第一階段),柳枝稷原料與去離子水按照3:20(w/w)混合,預處理反應器內壓力6.21 mPa,70℃溫度下保留5 min后氮氣吹掃固體殘余物,獲得預處理水解液1與固體殘余物1。

高溫高壓保留階段(第二階段),固體殘余物1與去離子水按照3:20(w/w)混合,預處理器充入氮氣,壓力10.34 mPa,200℃下保留10 min,釋放壓力并用氮氣吹掃固體殘余物,獲得預處理水解液2與固體殘余物2。

第一階段與第二階后,柳枝稷原料總固體回收率為61.68% ± 0.55%,木質素、纖維素和半纖維素中主要成分均得到一定程度去除(圖3),其中木質素去除率為14.04% ± 0.20%,葡聚糖去除率為8.94% ± 0.35%,木聚糖去除率為71.32% ± 1.97%,阿拉伯糖去除率為76.31% ± 3.59%,半乳糖去除率為82.67% ± 3.50%。

中溫高壓保留階段(第三階段),固體殘余物2與去離子水按照3:20(w/w)混合,預處理器充入氮氣,壓力8.27 mPa,90℃下保留時間1 min 30 s,釋放壓力并用氮氣吹掃固體殘余物,獲得預處理水解液3與固體殘余物3。

常溫常壓浸洗階段(第四階段),使用25℃去離子水沖洗固體殘余物3,洗凈后氮氣吹掃,獲得預處理水解液4與固體殘余物4。

第三與第四階段后,柳枝稷原料總固體回收率為58.99% ± 1.05%,木質素、纖維素和半纖維素中主要成分均得到一定程度去除(圖3),其中木質素去除率為20.3% ± 0.9%,葡聚糖去除率為10.33% ± 0.54%,木聚糖去除率為73.52% ± 1.42%,阿拉伯糖去除率為84.56% ±2.73%,半乳糖去除率為85.69% ± 1.90%。

經過全部4個階段預處理后,固體殘余物4的成分含量見表2。

表2 固體殘余物4主要成分含量

獲得的產物為以下表述。

預處理水解液1、2、3、4和固體殘余物4混合,得到預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物。預處理各階段產生(即預處理水解液1、2、3和4中)糠醛、羥甲基糠醛、乙酸、甲酸、異丁酸、酒石酸和蘋果酸的量見圖4(%原料干重),混合后上述物質的總含量分別為糠醛0.39% ±0.04%、羥甲基糠醛0.10% ± 0.02%、乙酸2.32% ± 0.13%、甲酸0.38% ± 0.04%、異丁酸0.65% ± 0.03%、酒石酸0.32% ± 0.04%和蘋果酸0.47% ± 0.06%。

使用預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵混合物進行乙醇發(fā)酵,乙醇實際產率為(16.6 ± 0.6)g/100 g(乙醇/投入預處理原料干重)。

在另一組處理中,將固體殘余物4于-20℃下保存用于纖維素酶水解,酶水解過程葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和半乳糖的產率見表3。

表3 預處理后固體殘余物4酶水解中糖的產率

在另一組處理中,將固體殘余物4進行纖維素酶水解處理獲得的酶水解液與預處理水解液1、2、3、4合并,得到微生物發(fā)酵混合液,其中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和半乳聚糖的產率見表4。

表4 預處理獲得微生物發(fā)酵混合液中糖的產率

上述實施例涉及的實驗與數據計算方法,包括乙醇發(fā)酵實驗方法、纖維素酶水解實驗方法、成分的測定和計算方法。

(1)乙醇發(fā)酵實驗方法。

a)酵母菌及菌液制備:SSF中使用的菌種為釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)ATCC 24859,將菌種接種于YPD(10 g/L 酵母提取物,20 g/L 蛋白胨,50 g/L 葡萄糖)液體培養(yǎng)基中于30°C下200 r/min震蕩培養(yǎng)24 h,將菌液轉移至50 mL離心管中,4°C下4000 r/min離心5 min。棄去懸液,添加等量PBS緩沖液(pH 7,11.8 mmol/L 磷酸緩沖液,200 mmol/L NaCl,27 mmol/L KCl,過濾滅菌),震蕩使菌體與PBS緩沖液充分混合。再次離心后棄去懸液,加入適量的PBS緩沖液后作為SSF接種液,接種后應使SSF發(fā)酵液初始OD600值為0.5。

b)同步糖化與發(fā)酵方法:將該混合物按照纖維素底物投加量30 g/L添加至300 mL錐形瓶中,然后加入適量的超純水至錐形瓶中,用鋁箔封口后121°C滅菌處理20分鐘。取出待至常溫后用無菌水補齊滅菌過程中損失的水分部分。添加(Novozymes, Franklinton, NC, USA)和Novozyme 188(Novozymes, Bagsvaerd, Denmark),添加量分別為每g纖維素15 FPU和64 CBU。加入2.5 mL pH 4.5 1 mol/L 的檸檬酸鈉緩沖液(滅菌)、5 mL 10X YP(100 g/L 酵母提取物, 200 g/L 蛋白胨)和1 mL制備好的酵母菌接種液,空白組使用無菌水替代接種液。最后加入無菌水補至50 mL。瓶口用氣閥封閉后置于30 °C培養(yǎng)箱中,130 r/min 下發(fā)酵168 h。結束后,將發(fā)酵液4000 r/min離心15 min,取上清液過0.22 μm Nylon濾膜用于乙醇測定。

c)乙醇的測定方法:乙醇的測定中,取離心后的發(fā)酵液上清液過0.22 μm Nylon濾膜,用超純水稀釋10倍后測定乙醇濃度。測定儀器為YSI 2700 SELECTTM生化分析儀(Xylem Inc., Yellow Springs, OH, USA),校準液為1.0 g/L乙醇標準溶液(YSI 2792 Ethanol Standard Kit),載體為醇氧化酶膜(YSI 2786),緩沖溶液為碳酸鹽緩沖液(YSI 1579)。

d)乙醇實際產率計算方法:

實際產率(g/g) = (MEnd-MBegin-MBlank) /MBiomass

其中Mend為168 h后發(fā)酵液含有乙醇的量(g);MBegin為第0 h發(fā)酵液含有乙醇的量(g);MBlank為空白組含有乙醇的量(g);MBiomass為底物初始投入質量(g)。

(2)纖維素酶水解實驗方法。

a)纖維素酶水解方法:主要參照NREL LAP 9 并稍作修改。首先,將一小塊-20°C保存的預處理固體殘余物直接轉移至15 mL帶蓋塑料管中;加入40 μL 四環(huán)素和100 μL 放線菌酮防止反應體系中微生物的生長;水解實驗中所使用的纖維素酶為Cellic Ctec 2(Novozymes, Franklinton, NC, USA)和Novozyme 188(Novozymes, Bagsvaerd, Denmark),每g纖維素(干重)添加量分別為15 FPU和64 CBU;按照LAP 9方法將所有試劑添加完畢后,將塑料管蓋緊安裝在垂直旋轉裝置上使底物與纖維素酶充分接觸,50°C下進行168 h;將水解液在4000 r/min下離心15 min,上清液過濾后用于糖成分的測定。

b)微生物發(fā)酵混合液中糖產率的計算:

S1,2葡萄糖產量(%) = 100×[葡萄糖單糖(S1,2)+低聚葡萄糖(S1,2)] /[葡聚糖F/0.9+水溶性葡萄糖F+蔗糖F/1.9]

S1,2木糖(%) = 100×[木糖單糖(S1,2)+低聚木糖(S1,2)] /[葡聚糖F/0.9+水溶性葡萄糖F+蔗糖F/1.9]

其中0.9為葡萄糖至葡聚糖轉換系數;1.9為蔗糖與葡萄糖的分子質量比;0.88為木糖至木聚糖轉換系數;F為預處理前原料。半乳糖產量的計算參照葡萄糖,但不包含蔗糖;阿拉伯糖產量計算參照木糖。

c)纖維素水解率計算:

纖維素水解率(%) = 100×(葡萄糖h×0.9) /纖維素add

其中,h表示酶水解液;add表示底物添加量。

(3)原料成分、糖分、醛和酸的測定方法。

成分測定與分析方法主要參照美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)標準分析方法(Laboratory Analytical Procedures, LAPs)LAP 1~6,并進行了小部分修改。

原料在成分測定前首先放置于室內通風處至含水量低于10%。使用帶篩網的切割機(SCC-10-MS, Monson, Utica, NY)將干燥的原料切割至1~3 cm,再使用Wiley粉碎機(Laboratory mill model 4, Arthus H. Thomas Co., Philadelphia, PA )粉碎過2 mm篩網。

水和乙醇提取由Dionex Accelerated Solvent Extraction 350 系統(ASE 350, Thermo Fisher Scientific Inc., Dionex ASE 350, Sunnyvale, CA)完成。將水和乙醇提取液進行初步蒸發(fā)處理后(BUCHI Multivapor P-12, BUCHI Labortechnik AG, Switzerland)置于真空干燥箱(SHEL LAB, Sheldon manufacturing Inc. Cornelius, OR)內于45oC 635 mm汞柱大氣壓下干燥24 h,測定水和乙醇提取物含量。

糖和酸成分測定前,水提液和酸水解液分別過0.22 μm Nylon和PTFE濾膜并稀釋至適當濃度。各成分的含量按所占初始分析原料干物質量的百分比計算。

使用Dionex ICS 3000離子交換色譜 (ICE) 儀測定化學成分分析中所包含的單糖和酸。糖的測定中,保護柱和分析柱為3 × 30 mm和3 × 150 mm CarboPacTM PA20(Dionex, Sunnyvale),工作溫度30 °C,流動相為2 mmol/L NaOH,流速0.5 mL/min,單糖的測定方法為脈沖安培電化學檢測法,檢測器為金電極檢測器 (Dionex, Sunnyvale, CA);有機酸測定中,保護柱和分析柱為4 × 50 mm和4 × 250 mm IonPacTM ICE-AS1離子交換柱,工作溫度30 °C。流動相為100 mmol/L甲基磺酸,流速0.16 mL/min。檢測器為二極管陣列檢測器 (Dionex UVD 340U),檢測波長210 nm。

實施例2

以玉米秸稈為預處理原料,所用玉米秸稈的成分含量見表5。玉米秸稈含水率約8%,預處理前粉碎處理,處理后粒徑0.2-1.0 cm的原料百分比約17%,2.0-3.5 cm百分比約53%,3.5-5.1 cm百分比約26%,剩余原料粒徑大于5.1 cm。

表5 玉米秸稈主要成分含量

使用上述原料進行水熱預處理。

中溫低壓浸洗階段(第一階段),秸稈與去離子水按照3:25(w/w)混合,預處理反應器內壓力4.14 mPa,90℃溫度下保留8 min后氮氣吹掃固體殘余物,獲得預處理水解液1與固體殘余物1。

高溫高壓保留階段(第二階段),固體殘余物1與去離子水按照3:25(w/w,原料干重與混合物總重)混合,預處理器充入氮氣,壓力8.96 mPa,195℃下保留15 min,釋放壓力并用氮氣吹掃固體殘余物,獲得預處理水解液2與固體殘余物2。

第一階段與第二階后,玉米秸稈總固體回收率為63.34% ± 1.29%,木質素、纖維素和半纖維素中主要成分均得到一定程度去除,其中木質素去除率為7.49% ± 2.11%,葡聚糖去除率為4.71% ± 0.65%,木聚糖去除率為35.48% ± 2.41%,阿拉伯糖去除率為37.66% ± 4.2%,半乳糖去除率為42.47% ± 2.94%。預處理產生(即預處理水解液1和2中共計,%原料干重)糠醛、羥甲基糠醛、乙酸、甲酸、異丁酸、酒石酸和蘋果酸的量分別為糠醛0.55% ± 0.03%、羥甲基糠醛0.05% ± 0.00%、乙酸1.47% ± 0.07%、甲酸0.24% ± 0.09%、異丁酸0.74% ± 0.07%、酒石酸0.03% ± 0.03%和蘋果酸0.28% ± 0.17%。

中溫高壓保留階段(第三階段),固體殘余物2與去離子水按照3:25(w/w)混合,預處理器充入氮氣,壓力8.96 mPa,95℃下保留時間1 min,釋放壓力并用氮氣吹掃固體殘余物,獲得預處理水解液3與固體殘余物3。

常溫常壓浸洗階段(第四階段),使用40℃去離子水沖洗固體殘余物3,洗凈后氮氣吹掃,獲得預處理水解液4與固體殘余物4。

第三與第四階段后,玉米秸稈總固體回收率為60.88% ± 1.74%,木質素、纖維素和半纖維素中主要成分均得到一定程度去除,其中木質素去除率為8.98% ± 1.9%,葡聚糖去除率為6.62% ± 0.66%,木聚糖去除率為41.82% ± 1.8%,阿拉伯糖去除率為44.16% ± 3.81%,半乳糖去除率為58.41% ± 3.46%。

經過全部4個階段預處理后,固體殘余物4的成分含量見表6。

表6 固體殘余物4主要成分含量

獲得的產物為以下表述。

預處理水解液1、2、3、4和固體殘余物4混合,得到預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵底物。預處理產生(即預處理水解液1、2、3和4中共計,%原料干重)糠醛、羥甲基糠醛、乙酸、甲酸、異丁酸、酒石酸和蘋果酸的量分別為糠醛0.6% ± 0.02%、羥甲基糠醛0.06% ± 0.00%、乙酸1.63% ± 0.27%、甲酸0.34% ± 0.20%、異丁酸0.97% ± 0.15%、酒石酸0.07% ± 0.04%和蘋果酸0.28% ± 0.16%。

使用預處理水解產物/同步糖化與發(fā)酵混合物進行乙醇發(fā)酵,乙醇實際產率為(22.7 ± 1.1)g/100 g(乙醇/投入預處理原料干重)。

在另一組處理中,將固體殘余物4于-20℃下保存用于纖維素酶水解,酶水解過程葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和半乳糖的產率見表7。

表7 固體殘余物4酶水解中糖的產率

在另一組處理中,將固體殘余物4進行纖維素酶水解處理獲得的酶水解液與預處理水解液1、2、3、4合并,得到微生物發(fā)酵混合液,其中葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和半乳聚糖的產率見表8。

表8 預處理獲得微生物發(fā)酵混合液中糖的產率

上述實施例2涉及的實驗與數據計算方法與實施例1相同。

當前第1頁1 2 3 
網友詢問留言 已有0條留言
  • 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊!
1
邳州市| 类乌齐县| 龙胜| 靖西县| 措勤县| 墨竹工卡县| 景宁| 普兰店市| 谷城县| 普格县| 萝北县| 黄浦区| 永康市| 黄骅市| 锡林浩特市| 鸡西市| 方城县| 凤阳县| 青铜峡市| 太白县| 九江县| 平度市| 重庆市| 安阳县| 松潘县| 平利县| 象山县| 临海市| 乐业县| 安化县| 明溪县| 五家渠市| 平乡县| 丹江口市| 福建省| 邯郸市| 汪清县| 雅安市| 泸定县| 天长市| 林甸县|