一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及再生能源技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)是涉及一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油資源的逐漸枯竭和環(huán)境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源技術(shù)成為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，以減少對(duì)石化能源的需求依賴(lài)和溫室氣體的排放。
[0003]生物燃料近年來(lái)在可再生能源領(lǐng)域不斷受到重視。生物燃料泛指由生物質(zhì)組成或萃取的固體、液體或氣體燃料，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要方向。所謂的生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過(guò)光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)，它包括植物、動(dòng)物和微生物，不同于石油、煤炭、核能等傳統(tǒng)燃料，這新興的燃料是可再生燃料。
[0004]纖維素乙醇是生物燃料的重要一部分，其是以木材、草或農(nóng)作物不可使用部分為木質(zhì)纖維素原料，通過(guò)預(yù)處理、酶解糖化、微生物發(fā)酵、蒸餾、脫水五個(gè)階段制備獲得。對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理可以有效破壞植物纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，降低木質(zhì)素的聚合度，提高木質(zhì)纖維素材料的多孔性，以此增加酶解糖化環(huán)節(jié)中酶與底物的接觸面積、進(jìn)而提高纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理可分為:(1)物理方法，主要是機(jī)械粉碎法、蒸汽爆破、超臨界水處理和濕氧法；(2)化學(xué)方法，主要包括堿處理、稀酸處理、濃酸處理、氧化劑處理以及有機(jī)溶劑處理；(3)生物方法。在這些預(yù)處理方法中，堿處理是現(xiàn)在人們普遍采用的方法，即采用堿性物質(zhì)對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行處理，常用的堿性物質(zhì)有氨水、液氨、氫氧化鈉、生石灰等。但是，以氨水或液氨進(jìn)行預(yù)處理時(shí)需要采用高壓設(shè)備進(jìn)行，條件苛刻；而采用氫氧化鈉或生石灰雖然可以在常壓下進(jìn)行，但是預(yù)處理后需要大量水進(jìn)行洗滌，除去堿性試劑。這些都不利于木質(zhì)纖維素預(yù)處理的工業(yè)化生產(chǎn)。最為重要的一點(diǎn)，現(xiàn)有的這些堿處理方法在預(yù)處理完木質(zhì)纖維素原料后，在酶解糖化階段中纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率較低。同時(shí)，水洗經(jīng)過(guò)預(yù)處理的木質(zhì)纖維素原料，其雜質(zhì)含量仍較高，這無(wú)疑會(huì)加大對(duì)酶解的抑制作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法及應(yīng)用，提高經(jīng)該方法預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料在酶解糖化環(huán)節(jié)中纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率。
[0007]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法及應(yīng)用，使得經(jīng)該方法預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料水洗后顯著降低其中的雜質(zhì)含量。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0009]一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法，用乙二胺水溶液處理木質(zhì)纖維素原料。
[0010]針對(duì)現(xiàn)有的堿處理技術(shù)在預(yù)處理完木質(zhì)纖維素原料后，在酶解糖化階段中纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率較低以及預(yù)處理原料水洗后雜質(zhì)含量高的問(wèn)題，本發(fā)明打破傳統(tǒng)堿性試劑的選擇思路，以乙二胺水溶液作為堿處理的試劑，解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題。
[0011]作為優(yōu)選，所述乙二胺水溶液中乙二胺質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1-20%，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其可以選自1%、10%或20%。
[0012]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述方法將乙二胺水溶液和木質(zhì)纖維素原料混合，于密閉耐高壓容器中加熱反應(yīng)、水洗、過(guò)濾，獲得預(yù)處理后的固體。
[0013]其中，作為優(yōu)選，所述木質(zhì)纖維素原料和乙二胺水溶液的質(zhì)量體積比為lg:6_20mL，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其可以選自lg:6mL、lg:1OmL或lg:20mL。
[0014]作為優(yōu)選，所述加熱為加熱到120-200°C，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其可以選自120°C、190°C或 2000C ο
[0015]作為優(yōu)選，所述反應(yīng)的時(shí)間為5-60min，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，其可以選自5min、20min 或 60mino
[0016]本發(fā)明所述方法中，木質(zhì)纖維素原料優(yōu)選為玉米秸桿或水稻秸桿。
[0017]按照本發(fā)明所述預(yù)處理方法對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行處理，然后進(jìn)行后續(xù)的酶解糖化，預(yù)處理后的原料經(jīng)水洗后雜質(zhì)(除纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以外的物質(zhì))含量為4-6%，纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為80-85% ;而以傳統(tǒng)堿性試劑進(jìn)行預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料，在后續(xù)的酶解糖化中纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率僅為58-71%，預(yù)處理后的原料經(jīng)水洗后雜質(zhì)含3；為11_24%。
[0018]基于上述的技術(shù)效果，本發(fā)明還提供本發(fā)明所述方法在纖維素乙醇生產(chǎn)中的應(yīng)用。
[0019]更具體地，本發(fā)明提供了一種木質(zhì)纖維素原料酶解的方法，以本發(fā)明所述方法預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料，然后預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料與纖維素酶、半纖維素酶、水混合酶解。
[0020]其中，作為優(yōu)選，所述預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料、纖維素酶、半纖維素酶、水之間的比例為 Ig:0.08mL:0.04mL:14mL。
[0021]作為優(yōu)選，所述纖維素酶為Accellarasel500。
[0022]作為優(yōu)選，所述半纖維素酶為Multifect Xylanase0
[0023]作為優(yōu)選，所述酶解為在pH值為4.8體系中于50°C、200rpm轉(zhuǎn)速下酶解反應(yīng)72h。
[0024]由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明所述方法選擇乙二胺水溶液作為木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的堿性試劑，并在密閉容器中加熱反應(yīng)，以此達(dá)到有效降解木質(zhì)素，提高纖維素酶解轉(zhuǎn)化葡萄糖的效率。同時(shí)，預(yù)處理后的木質(zhì)纖維素原料水洗后雜質(zhì)含量明顯低于現(xiàn)有預(yù)處理工藝。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明公開(kāi)了一種木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理的方法及應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改進(jìn)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)。特別需要指出的是，所有類(lèi)似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，它們都被視為包括在本發(fā)明。本發(fā)明所述方法和應(yīng)用已經(jīng)通過(guò)較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，相關(guān)人員明顯能在不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和應(yīng)用進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)。
[0026]下面結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]實(shí)施例1:本發(fā)明木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理方法及酶解方法
[0028]1、預(yù)處理方法
[0029]將1g剪切后的玉米秸桿放入180mL帶密封蓋的不銹鋼反應(yīng)器內(nèi)，加入10mL10%的乙二胺水溶液，攪拌均勻，旋緊密封蓋(木質(zhì)纖維素原料和乙二胺水溶液的質(zhì)量體積比為lg: 1mL) O
[0030]將上述盛有固液混合物的反應(yīng)器放入190°C的油浴鍋中反應(yīng)20分鐘。
[0031]取出固液混合物用紗布過(guò)濾，固體用400mL水洗，過(guò)濾，得到預(yù)處理后的固體，經(jīng)檢測(cè)雜質(zhì)含量為5%。
[0032]2、酶解方法
[0033]取Ig經(jīng)過(guò)預(yù)處理的固體(干重)加入10mL錐形瓶，并向其中加入0.08mL纖維素酶Accellarasel500、0.04mL半纖維素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入濃硫酸使體系pH值=4.8 ;
[0034]將上述得到的pH值為4.8的體系在50°C、200rpm搖床中酶解反應(yīng)72h。
[0035]本發(fā)明檢測(cè)得到的酶解液中葡萄糖的濃度為8.9g/L，計(jì)算得到葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為80%。
[0036]3、對(duì)比例I
[0037]將1g剪切后的玉米秸桿放入180mL帶密封蓋的不銹鋼反應(yīng)器內(nèi)，加入10mL10%的氨水溶液，攪拌均勻，旋緊密封蓋。
[0038]將上述盛有固液混合物的反應(yīng)器放入190°C的油浴鍋中反應(yīng)20分鐘。
[0039]取出固液混合物用紗布過(guò)濾，固體用400mL水洗，過(guò)濾，得到預(yù)處理后的固體，經(jīng)檢測(cè)雜質(zhì)含量為11%。
[0040]取Ig經(jīng)過(guò)預(yù)處理的固體(干重)加入10mL錐形瓶，并向其中加入0.08mL纖維素酶Accellarasel500、0.04mL半纖維素酶Multifect Xylanase和14mL水，再向其中加入濃硫酸使體系pH值=4.8 ;
[0041]將上述得到的pH值為4.8的體系在50°C、200rpm搖床中酶解反應(yīng)72h。
[0042]本發(fā)明檢測(cè)得到的酶解液中葡萄糖的濃度為7.8g/L，計(jì)算得到葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為71%。
[0043]4、對(duì)比例2
[0044]將1g剪切后的玉米秸桿放入180mL帶密封蓋的不銹鋼反應(yīng)器內(nèi)，加入1mL的乙二胺(純)，攪拌均勻，旋緊密封蓋。
[0045]將上述盛有固液混合物的玻璃瓶放入190°C的油浴鍋中反應(yīng)20分鐘。
[0046]取出固液混合物用紗布過(guò)濾，固體用400mL水洗，過(guò)濾，得到預(yù)處理后的固體，經(jīng)檢測(cè)雜質(zhì)含量為12%。
[0047]取Ig經(jīng)過(guò)預(yù)處理的固體(干重)加入10mL錐形瓶，并向其中加入0.08mL纖維素酶Accellarasel500、0.04m